3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究

劉春榮

摘 要：第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一 ——3D打印技術(shù)，基于信息、材料、控制以及智能化技術(shù)融合而生。隨著數(shù)字信息化的高速發(fā)展，機(jī)械、電子零部件的低成本化設(shè)計(jì)制造、材料科學(xué)的多樣性發(fā)展以及私人定制的多元化需求，3D打印技術(shù)得到了不斷的千錘百煉。作為新時(shí)代的高新技術(shù)之一，涉及到各個(gè)實(shí)業(yè)領(lǐng)域。本文以3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用為例，以零配件的制造與維修為主要分析對(duì)象。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);汽車;制造與維修

1 3D打印技術(shù)相關(guān)信息概述

1.1 技術(shù)原理

3D打印技術(shù)，因其“原材料只為生產(chǎn)所需的產(chǎn)品”理念，而又被稱為“增材制造”[1]。其操作原理，簡(jiǎn)單來說即是融合現(xiàn)代化電子信息技術(shù)將數(shù)字模型具象化，在汽車領(lǐng)域中可復(fù)制任何凡是三角狀的汽車零部件，借助信息技術(shù)對(duì)數(shù)字模型進(jìn)一步處理，將汽車各零部件的外部模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字程式表達(dá)，而后使用汽車制造行業(yè)特殊的添加劑，再用3D打印機(jī)初步模型文件進(jìn)行制造需求的細(xì)致化加工，而經(jīng)過不斷的調(diào)整最終得到實(shí)際物質(zhì)形態(tài)的配件。同時(shí)，在當(dāng)次加工工作完成之后，還可對(duì)產(chǎn)出的固體形態(tài)進(jìn)一步加工與打磨處理。

1.2 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

作為高新技術(shù)，3D打印機(jī)其本身也攜帶固有屬性與功能特點(diǎn)。細(xì)化來說包括以下：其二，3D打印技術(shù)從傳統(tǒng)的人工畫圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向一體信息化操作，一方面大幅度的節(jié)省了人力、時(shí)間與打印成本，一方面則有效促進(jìn)了維修進(jìn)度。其二，維修過程中融入3D打印技術(shù)，因其技術(shù)靠信息化處理支撐，所以不會(huì)大量產(chǎn)生紙張或顏料，即有效杜絕了對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染問題，綠色環(huán)保性較為明顯。綜合來說，3D打印技術(shù)作為高新技術(shù)之一，其功能所展現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)汽車行業(yè)的高層次起到十分重要的推動(dòng)作用。

2 3D打印汽車零部件的優(yōu)勢(shì)所在

相較于傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”，3D打印技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)主要在于，基于信息化處理而生成任何形狀的物體，其研發(fā)周期短、研發(fā)可視化與自由拓展性強(qiáng)、制造成本低、生產(chǎn)效率較高等優(yōu)勢(shì)較為明顯[1-2]。3D打印技術(shù)儼然已經(jīng)成為當(dāng)前時(shí)代制造業(yè)的核心內(nèi)容。就研發(fā)手段而言，3D打印技術(shù)可快速成形汽車生產(chǎn)零部件，在設(shè)計(jì)早期進(jìn)行產(chǎn)品裝配可行性的驗(yàn)證時(shí)，可精確、及時(shí)在挖掘設(shè)計(jì)差錯(cuò)，縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，更快速地驗(yàn)證重點(diǎn)零部件或demo機(jī)的操作原理及其操作可行性，例如缸蓋、同步器的開發(fā)以及塑料類部件的單件生產(chǎn)等。其次，無需開展金屬或是任何模具的加工，切實(shí)消除了各個(gè)模具的開發(fā)與制造等一層層工序，以及節(jié)省了調(diào)試環(huán)節(jié)中人力與設(shè)備的投入。對(duì)國(guó)內(nèi)某品牌的調(diào)查顯示，其零部件的模具開發(fā)周期通常在3個(gè)月及以上，而3D打印技術(shù)在無需任何刀具、模具以及工裝夾具的情況下，對(duì)單件零件的生產(chǎn)根據(jù)其復(fù)雜程度通常耗費(fèi)需一個(gè)星期左右及以內(nèi)，相較于傳統(tǒng)的零件知道，3D打印技術(shù)的高效性越發(fā)凸顯。當(dāng)前3D打印機(jī)上的使用材料并不局限于樹脂會(huì)工程化合塑料，其金屬材料也可進(jìn)行操作，且成形周期相差無幾。金屬經(jīng)過激光或電子束對(duì)金屬粉末進(jìn)行熔化處理而分層堆積金屬，繼而直接形成金屬。此技術(shù)在汽車零部件的制造所體現(xiàn)的最明顯優(yōu)勢(shì)在于：其一，免去了模具開發(fā)的步驟，直接制造金屬材質(zhì)的零部件。其二，當(dāng)前3D打印技術(shù)水平的精確度職高，使金屬零部件的力學(xué)指標(biāo)及性能、精度達(dá)到鍛造件性能的最高指標(biāo)。

3 3d打印技術(shù)在汽車制造工作的具體應(yīng)用

3.1 各類零件的制造

汽車制造過程中，各部件的零件眾多數(shù)且繁雜，單是零件的制造周期就很長(zhǎng)，成本、時(shí)間等高額消耗是汽車制造的主要成本之一。為切實(shí)縮短汽車開發(fā)周期，汽車行業(yè)引入3D 打印技術(shù)，利用3D打印技術(shù)首先即是提高了零件制造的效率，大幅度節(jié)約綜合生產(chǎn)成本[2]。同時(shí)對(duì)金屬材質(zhì)樣件同樣也可打印，簡(jiǎn)化了整個(gè)加工過程，降低了綜合成本。通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)汽車零件，聯(lián)系上午其可及時(shí)、精準(zhǔn)的挖掘零件設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的細(xì)微偏差，快速審核零部件的操作原理與可行性，有效縮短開發(fā)周期。例如橡膠、塑料類與缸蓋等輔助類零件的生產(chǎn)，無需任何模具或金屬加工，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的模具加工程序，顯著的節(jié)省了制造環(huán)節(jié)中人力及設(shè)備資源的成本投入。其次例如氣缸出現(xiàn)故障問題，利用3D打印技術(shù)可加急處理，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)使用，一定程度上相對(duì)可增加零件的使用壽命，若是缸體損壞嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)，也可利用3D打印技術(shù)進(jìn)行快速的打印，優(yōu)化庫(kù)存?zhèn)浼c減少資金的占用。

3.2 復(fù)雜模具的更高效、便捷的制造

汽車行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，汽車零件并沒有總體趨向簡(jiǎn)單化，對(duì)模具的制造要求越來越高，難度不斷增加。3D打印汽車零件，若零件的外形、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模具也只能通過拼接與鑲嵌的形式進(jìn)行制造，極大程度上難以確保其精確性以及影響模具的使用壽命，同時(shí)增加汽車生產(chǎn)的時(shí)間與復(fù)雜性。而采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，其SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)可直接制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，首先是降低了制造時(shí)間與綜合成本，其次是精確性提高了不止一個(gè)層次而有效提高模具的使用壽命。例如3D打印技術(shù)可利用逐層材料的堆積法加工實(shí)體模型，比如換擋制造時(shí)即可使用3D打印技術(shù)中的SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行分層而整合的制造融合。

3.3 實(shí)現(xiàn)輕量化零件的更有效制造

為響應(yīng)并切實(shí)落實(shí)綠色發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展理念，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，其節(jié)能減排、輕量化操作是當(dāng)前汽車行業(yè)的核心發(fā)展內(nèi)容之一。通過降低汽車自重量，繼而降低汽車各部件零件的重量，因此企業(yè)選用或自行改造、設(shè)計(jì)輕量化的原材料進(jìn)行制造。但唯有運(yùn)用3D打印技術(shù)才能確保零件的質(zhì)量并降低其重量。例如在全尺寸的保險(xiǎn)杠制造過程中，可利用Fortus900mc生產(chǎn)型3D打印機(jī)有效加快零件的加工，新制造的零件相較于黏土，其總體質(zhì)量較輕且品質(zhì)有保障。

4 3D打印技術(shù)在汽車維修工作的具體應(yīng)用

4.1 3D打印技術(shù)在零部件維修工作中的應(yīng)用

相關(guān)調(diào)查顯示，汽車維修普遍面臨著以下問題：其一，針對(duì)部分新款余限量版車型的零部件維修更換時(shí)，存在零部件數(shù)量嚴(yán)重不足的問題，而對(duì)小眾的零部件進(jìn)行單獨(dú)開模制造，其制造綜合成本較高。其二，當(dāng)車型成千上萬，4S店與維修店對(duì)各個(gè)零部件的儲(chǔ)備無法做到周全。其三，年限較久已經(jīng)絕版的車型，零部件制造廠也不會(huì)生產(chǎn)這些部件，因此結(jié)合第一點(diǎn)開口存在較大的困境。其四，同樣結(jié)合第一點(diǎn)問題，4S店與維修店也無法進(jìn)行單個(gè)零部件的開模制造，其綜合成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出經(jīng)濟(jì)收益。基于以上問題來看，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)即體現(xiàn)的較為明顯，在小眾零部件的定制活動(dòng)可滿足其實(shí)際需求[4]。主要包括為：汽車零部件的前期制造中，制造商只需保留零部件制造的設(shè)計(jì)與三維數(shù)字模型的數(shù)據(jù)，而后直接搬用即可，信息化承建起3D打印機(jī)，兩者的完美融合，高效的制作成型，快速投入使用。無論是限量、絕版、未生產(chǎn)車型，其零部件的維修過程所產(chǎn)生的各種疑難雜癥相對(duì)都可迎刃而解。而同時(shí)，針對(duì)零部件的緊缺無庫(kù)存問題時(shí)，3D打印機(jī)的快速處理，即提高了生產(chǎn)效率、降低制造成本、大幅度節(jié)省了時(shí)間。而制造過程中值得一提的是，若3D打印加工的零部件存在明顯的缺陷或達(dá)不到征整體需求，只需對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行即時(shí)的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)迅速的修改而有效節(jié)約研發(fā)時(shí)間。當(dāng)前汽車維修業(yè)中，通過3D打印技術(shù)的運(yùn)用，已經(jīng)可生產(chǎn)汽車后視鏡、門把手、輪轂、氣缸、變速器齒輪等等重要基礎(chǔ)部件。整個(gè)3D打印制造過程主要分為以下步驟：第一，進(jìn)行三維幾何模型的建模處理，此過程，需掃描實(shí)物。即是運(yùn)用數(shù)字化掃描設(shè)備，對(duì)實(shí)物進(jìn)行紅外線掃描，而電腦上同步顯示出三維數(shù)字模型。第二，切片處理，通過計(jì)算機(jī)的前臺(tái)控制系統(tǒng)，對(duì)三維數(shù)字模型文件進(jìn)行切片分層處理。第三，打印，電腦和3D打印機(jī)的同步開展，按照設(shè)定程序進(jìn)行零部件的打印。第四，打印后預(yù)處理，經(jīng)過以上步驟的逐步操作，即可生成所需零部件。

4.2 3D打印技術(shù)在維修工具中的應(yīng)用

汽車維修活動(dòng)中，其工具種類多種多樣，其成本較高、使用過程也繁雜。而3D打印技術(shù)的融合，同樣可快速制造出某些特殊維修需求的工具[5]。以維修工具中最基礎(chǔ)的扳手為例，首先建立其數(shù)字模型，再運(yùn)用3D打印技術(shù)中RorE系統(tǒng)進(jìn)行切片處理，使得輪轂與切片相同，而后再次運(yùn)用3D打印技術(shù)中的3DP技術(shù)明確工具的尺寸，融合原材料進(jìn)行工具的打印處理，打印完成后續(xù)處理，維修技術(shù)人員再依照扳手的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，直到完全符合標(biāo)準(zhǔn)，一套下來其制造周期與成本大大縮減，真正意義上的實(shí)現(xiàn)了高效能。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)的推行，已得到工業(yè)、制造業(yè)與其他各行業(yè)的一眾認(rèn)可且得到了廣泛使用，汽車行業(yè)作為第二大工業(yè)技術(shù)行業(yè)，其3D技術(shù)的運(yùn)用，不僅僅大幅度的節(jié)省了研發(fā)時(shí)間與綜合成本，同時(shí)，新技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)材料的選用、設(shè)備的有效使用，體現(xiàn)了綠色環(huán)保、可再生利用性從。此外，因其自由定制的特性，大大滿足了車主的綜合需求，可相對(duì)提高對(duì)品牌的忠誠(chéng)度與認(rèn)同感，即是促進(jìn)了汽車行業(yè)的高層次發(fā)展。

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