3D打印技術(shù)在汽車制造中的應用

陳鵬

天門職業(yè)學院機械電子工程學院 湖北省天門市 431700

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)是一項快速成型的技術(shù)通過陶瓷塑膠和金屬粉末等材質(zhì)，快速的組建數(shù)字模型，逐層進行加工最終實現(xiàn)材料的成型。特別是對于復雜結(jié)構(gòu)的物品，采用3D打印技術(shù)能夠極大的縮短制造周期也有利于降低成本，對于現(xiàn)代化的機械制造而言，有著極為重要的作用。具體而言，3D打印技術(shù)的優(yōu)點主要如下：

1.1 節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本

3D打印技術(shù)采用的是增材加工的方式，所以不需要浪費過多的原材料，可以直接塑形成功，在生產(chǎn)的過程中有利于節(jié)約企業(yè)的成本，對于提高經(jīng)濟效益有著極大的幫助。

1.2 縮短研發(fā)周期

3D打印技術(shù)不需要通過模具就可以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，所以它能夠極大的提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，對于縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期極為有利。

1.3 簡便生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品

3D打印技術(shù)可以通過計算機建立模型，然后直接生產(chǎn)出所需的物品，因此對于結(jié)構(gòu)較為復雜的零件而言，可以利用3D打印技術(shù)小批量生產(chǎn)，簡化了生產(chǎn)工藝。

當然，3D打印技術(shù)也有自身的缺點存在。由于對加工材料要求較高，所以單個生產(chǎn)的成本較高，其加工的精度也無法與傳統(tǒng)的工藝相比。特別是在材料的剛度和強度上，往往達不到工業(yè)應用的要求，這也在一定程度上限制了3D打印技術(shù)的應用領域。

2 3D打印技術(shù)在汽車制造中的具體應用

2.1 研發(fā)期的模型塑造

汽車的研發(fā)周期一般較長，其根本原因不在產(chǎn)品設計周期，而在于零件的加工制造。采用3D打印技術(shù)之后，就可以快速的生成零件，同時驗證相關的設計方案是否合理。在2010年時，美國首次利用3D打印技術(shù)制造汽車整體，零件制作只用了2000多個小時，極大的縮短了生產(chǎn)周期。通過3D打印技術(shù)，一方面驗證了相關設計方案的合理性，另一方面也方便后續(xù)方案的修改，對于研發(fā)期的縮短極為有利縮短研發(fā)周期，就可以幫助企業(yè)占領市場先機，獲得更大的經(jīng)濟收益。和傳統(tǒng)的零件制造加工相比，通過3D打印技術(shù)能夠縮短40%左右的時間，在成本方面也可以降低30%左右，這樣就可以擺脫汽車制造業(yè)對模具的依賴，讓汽車零部件的制作更為靈活。

2.2 模具與零件設計驗證

汽車的零部件相對較大，所以相應模具的設計與制造會耗費大量的資金，一旦設計方案存在缺陷，更改模具將給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失。通過3D打印技術(shù)可以提前進行零件的驗證，這樣就避免了模具設計缺陷帶來的經(jīng)濟風險，有助于控制汽車零部件設計器的成本。當前3D打印技術(shù)在模具驗證上有著極為廣泛的應用，特別是校核設計方案時會將3D打印技術(shù)作為首選。對于一些簡單的零部件而言，甚至可以直接省略模具加工制造的過程，直接用3D打印技術(shù)實現(xiàn)加工制造，這樣就進一步優(yōu)化了零部件的生產(chǎn)工藝。

2.3 緊急零部件的加工

對于汽車制造企業(yè)而言，一些零部件的儲存很容易出現(xiàn)緊缺的現(xiàn)象，這時如果采用傳統(tǒng)的加工制造方式，不僅會耗費大量的模具開發(fā)成本，而且生產(chǎn)制造也會消耗大量的時間，不利于快速地完成相關試驗與驗證。這時就可以采用3D打印技術(shù)來解決這一問題，對于急需的零部件，直接用3D打印機制造，一方面縮短了制造的成本，另一方面也可以快速的完成實驗和驗證。特別是對于一些大型的汽車制造設備而言，如果零部件出現(xiàn)問題，可用3D打印機快速的進行故障部件的制造，方便企業(yè)的正常生產(chǎn)。而且，一些大型的設備的內(nèi)部零部件并非標準零件，在市面上并沒有相應的產(chǎn)品，在無法購買的情況下，也可以利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)快速解決問題。

2.4 實物的紅外掃描

3D打印技術(shù)不僅可以實現(xiàn)零部件的制造，同時還能夠進行實物的紅外線掃描。對于汽車制造企業(yè)而言，一些零部件的圖紙涉及到了知識產(chǎn)權(quán)等問題，往往企業(yè)得到的只是實物模型，這時就可以通過3D打印技術(shù)進行紅外線掃描，快速的獲得三維模型，在獲得模型后就能夠進行初步的處理，快速了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，方便縮短研發(fā)周期和簡化設計工作。

在汽車研發(fā)和設計的過程中，零部件往往會出現(xiàn)各類問題，這時就需要通過后續(xù)的加工來完善設計方案。但是后續(xù)加工并非定量的，需要根據(jù)實際情況進行經(jīng)驗判斷，這就將設計方案的修改難度進一步加大。這時也可以通過3D打印技術(shù)快速進行紅外掃描，通過獲得的三維模型進行方案的修改，對于控制零部件設計的精度也有著一定的幫助。

2.5 提高零部件的質(zhì)量

對于一些結(jié)構(gòu)復雜的零部件，例如汽車的渦輪等，其加工的難度較大，通常無法通過模具一次成型，而機械加工的方式又會耗費大量的時間，不僅浪費了材料，也延長了零件制造的周期。而為了降低產(chǎn)品的成本，大多數(shù)復雜結(jié)構(gòu)的零部件都為組合零件的方式來實現(xiàn)，這樣就降低了零部件的質(zhì)量。通過3D打印技術(shù)可以有效的解決該問題，復雜零部件可以一次打印成形，避免了零部件組合帶來的質(zhì)量缺陷。

2.6 綠色環(huán)保理念的實現(xiàn)

統(tǒng)的汽車零部件制造需要浪費大量的材料，因為機械加工和模具的制造必然會帶來材料的浪費，這不僅增加了企業(yè)生產(chǎn)與制造的成本，還不利于環(huán)境保護。通過3D打印技術(shù)，可以減少材料的浪費，因為是采用增材的加工形式，所以在進行汽車零部件加工時甚至可以實現(xiàn)零浪費，這也是國家與政府大力扶持3D打印技術(shù)的原因之一。當前在汽車制造行業(yè)中，3D打印技術(shù)應用的領域還有一定限制，這和技術(shù)不成熟有著較大關系。在后續(xù)的發(fā)展中，3D打印技術(shù)必然會趨于成熟，如果汽車全部零件都可以通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)，就能夠極大的減少材料浪費，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)成本的降低，有助于減少汽車制造對能源的浪費，推動可持續(xù)發(fā)展。

3 3D打印技術(shù)在汽車制造中的應用趨勢分析

當前的3D打印技術(shù)雖然初具模型，但是還不夠完善，對于打印材料有著較高的要求，這在一定程度上限制了3D打印技術(shù)的應用領域。然而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)必然會趨于成熟，給汽車制造行業(yè)注入新的活力。在后續(xù)的發(fā)展中，汽車制造行業(yè)對3D打印技術(shù)的依賴程度會進一步加強，因為各個零部件的設計都可以通過3D打印技術(shù)來實現(xiàn)，不需要再進行材料的更換，這樣就可以讓更為豐富的設計思想融入到汽車制造中，擺脫了傳統(tǒng)加工制造技術(shù)對汽車制造的限制。對于汽車制造行業(yè)而言，零件的加工制造是較為核心的環(huán)節(jié)，如果全部采用3D打印技術(shù)就會縮短汽車設計、生產(chǎn)周期，能夠讓企業(yè)更加靈活的應對市場的需求變化。

從當前的發(fā)展趨勢來看，3D打印技術(shù)還會和人工智能進一步的結(jié)合，這時傳統(tǒng)汽車制造模式必然會帶來新一輪的革命。因為通過人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、計算機和3D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)快速的汽車設計生產(chǎn)與制造，工程師只需要進行構(gòu)思和方案設計即可。而且，這種形式的制造也會極大的降低設計缺陷帶來的損失，因為人工智能、計算機和3D打印的結(jié)合可以事先進行設計方案模擬，驗證方案的可行性。這種模式必然會形成完善的體系，極大的推動汽車制造行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語

汽車在人們的生活中發(fā)揮著重要的作用，是最為普遍的交通工具之一，所以汽車制造行業(yè)呈現(xiàn)出穩(wěn)步發(fā)展的趨勢。因此整個汽車制造行業(yè)的競爭也較為激烈，縮短設計周期、降低生產(chǎn)成本和優(yōu)化設計方案成為企業(yè)間競爭的核心因素。目前很多企業(yè)將3D打印技術(shù)應用在汽車制造中，一方面極大的縮短了汽車生產(chǎn)的周期，另一方面也降低了企業(yè)生產(chǎn)的成本，對于汽車制造的整體發(fā)展起到了極大的推動作用。因此，在后續(xù)的發(fā)展中，3D打印技術(shù)的應用會更加廣泛，逐步取代傳統(tǒng)的加工制造方式，為汽車制造業(yè)的發(fā)展提供強有力的幫助。