快速原型制造技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

于彩云 藺國民 嚴黎明

（西京學院 機械工程學院，陜西 西安710123）

隨著時代的進步和社會整體的跨越式發(fā)展，我國制造業(yè)逐漸有了起色，市場競爭進入白熱化階段。企業(yè)要想在激烈的市場競爭中實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須提高產(chǎn)品的可靠性能，不斷深入研究并推出新產(chǎn)品，最終目的是提高零部件質(zhì)量的同時減少成本投入。對于研發(fā)新產(chǎn)品而言，縮短制造周期是有效減少投入成本的關(guān)鍵，因此快速原型制造技術(shù)的融合就是成功降低成本的方法。

1 快速原型制造技術(shù)

快速原型制造技術(shù)（RPM）又被叫做“快速成形技術(shù)”（RP），是在20 世紀80 年代慢慢發(fā)展起來的一種制造工藝技術(shù)。它集數(shù)控加工技術(shù)、材料工程、機械工程和計算機信息技術(shù)為一體，可以精準地將幾何模型設(shè)計轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的原型。

1.1 快速原型制造技術(shù)的基本原理

傳統(tǒng)制造零件采用的方法是去除材料，而快速原型制造技術(shù)則采用從無到有的方法，將復雜的三維模型拆分為多個二維模型，最后進行加工組合，根據(jù)計算機制圖軟件設(shè)計的產(chǎn)品實體模型，對其以分層處理和切片的工藝手段來獲得每層截面的二維輪廓。根據(jù)這些輪廓的形狀，激光束可以自由選擇切割箔紙、固化液態(tài)樹脂或燒結(jié)粉末，再或者噴射源選擇性地噴涂粘結(jié)劑或熱熔材料等，最后逐漸形成薄層，最終累積為三維實體?？焖僭椭圃旒夹g(shù)的工藝過程如圖1 所示。

圖1 快速原型制造技術(shù)的工藝過程

1.2 典型的快速原型制造工藝

1.2.1 光固化成型

光固化成型（SLA）是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的，在固化樹脂的外表層上使用一定強度波長的激光光束照射，使其逐漸固化。當一層固化完成后，可升降工作臺在豎直方向抬高一層高度，繼續(xù)固化下一個層面，這樣一層層固化后終將疊加形成三維實體。

1.2.2 分層實體制造

分層實體制造（LOM）使用片材為原材料，通過計算機將實體的截面輪廓數(shù)據(jù)提取出來，在紙張背面涂上一層熱熔膠，利用激光在紙張背面將工件的內(nèi)外輪廓切割出來。切割完一層輪廓以后，送料機將一層新的紙張疊加上去，用熱膠印機將切割好的一層和新的紙張粘合在一塊，然后再使用激光切割出下一層的截面輪廓，這樣一層層切割和粘合將三維實體疊加出來。

1.2.3 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是采用粉末材料為原材料，噴粉設(shè)備先是鋪墊一層粉末材料，將其加熱到熔點，再用激光照射掃描出即將成型模型的截面輪廓，使粉末材料融化并將其粘合在一起。通過不斷地掃描粘合，使得粉末材料逐層堆積起來，最終形成三維實體。

1.2.4 熔融堆積成形

熔融堆積成形（FDM）通常采用ABS、PC、尼龍等熱塑性材料，基于CAD 產(chǎn)品模型分層軟件確定的幾何參數(shù)，通過計算機控制噴嘴將半流動的材料擠出，將其堆積并凝固成一層層精細的薄層，然后逐漸形成三維實體[1]。

1.2.5 三維打印

三維打印（3DP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝差不多，成型過程采用陶瓷粉、金屬粉等粉末材料，它們的區(qū)別在于三維打印是通過噴嘴噴出粘接劑將模型的截面輪廓印到粉末材料上。而通過粘接劑連接的零件強度不夠，通常需要經(jīng)過后處理，將粘接劑燒掉后在高溫下將金屬滲入進零件以提高零件的強度。表1為幾種典型RPM 工藝的比較。

表1 幾種典型的RPM 工藝

2 快速原型制造技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用

快速原型制造是3D 打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域最先應(yīng)用的一項工藝方法。3D 打印技術(shù)可以參與幾乎所有汽車零部件的制造，從汽車的內(nèi)飾到輪胎、前中網(wǎng)、發(fā)動機內(nèi)腔、氣缸蓋、空氣管道等。通過在實車上安裝3D 打印零件原型，汽車研發(fā)部門可以快速發(fā)現(xiàn)問題并及時給出解決方案，進一步優(yōu)化新設(shè)計的可靠性。

2.1 快速原型制造技術(shù)在復雜零部件設(shè)計制造中的應(yīng)用

3D 打印由于其成形速度之快，徹底顛覆了傳統(tǒng)汽車零部件的設(shè)計和制造方法。以往很長的設(shè)計周期，耗費大量人力資源，到如今過渡到技術(shù)員可以在很短時間內(nèi)通過計算機設(shè)計出零件模型，再用3D 打印技術(shù)將模型直接打印成零件。3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展，材料的可選性愈加變多，在新產(chǎn)品研發(fā)初期設(shè)計人員就可以選擇多種不同機械性能的材料來制造零部件，這樣就可以比較不同材料，選出機械性能更好的材料應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中。另外，采用機加工的方法制造汽車殼體這類復雜的曲面零件比較困難，但是通過3D 打印技術(shù)很容易將這些復雜類零件制造出來。3D 打印技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的研發(fā)過程，它加快了汽車零部件的生產(chǎn)速度，縮短了測試新產(chǎn)品的時間，有效減少了新產(chǎn)品研發(fā)的成本。

2.2 快速原型制造技術(shù)在輕量化零件制造中的應(yīng)用

隨著綠色發(fā)展理念的提出，各個行業(yè)積極響應(yīng)號召，汽車制造業(yè)也不例外。而要想減少能源的消耗和污染物的排放就必須減輕汽車自身的重量，因此制造輕量化零部件是有效解決這一問題的措施。然而如何在保證力學性能穩(wěn)定的同時減輕汽車自身的重量是傳統(tǒng)制造業(yè)面臨的難題，通過采用3D 打印技術(shù)能夠有效解決這一問題，它能在保證力學性能的同時制造出輕量化零部件[2]。寶馬量產(chǎn)的i8 Roadster 敞篷跑車配備的3D 打印的車頂支架，如圖2 所示。

圖2 3D 打印的車頂支架

該零件比傳統(tǒng)工藝制造的車頂支架輕了近45%，不但增加了整體的剛性，而且以較軟的車頂來完成快速升降、收縮以及展開的功能，為汽車行業(yè)的快速發(fā)展提供了技術(shù)和經(jīng)驗支持[3]。

2.3 快速原型制造技術(shù)在汽車造型件中的應(yīng)用

汽車外形和內(nèi)飾風格與消費者的購買決策密切相關(guān)，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用為汽車提供更舒適的環(huán)境或更個性化的外形。造型零件主要用于增強視覺效果，例如通常采用立體光固化成形技術(shù)以透明樹脂材料為原材料打印汽車的燈具造型，經(jīng)過打磨處理后能展現(xiàn)出透亮逼真的效果。寶馬Mini 已經(jīng)將3D 打印應(yīng)用于汽車內(nèi)飾的定制，客戶可以在側(cè)舷窗和裝飾面板上充分發(fā)揮創(chuàng)意，將簽名、圖案、色彩等彰顯個性的元素融入到零件設(shè)計中，再利用3D 打印制造出來。

3 快速原型制造技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用

汽車模具是制造車身的基礎(chǔ)，隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展和制造水平的提高，汽車零部件中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)復雜且精細的零件。在傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)中，制造這些復雜的模具需要采用拼接、鑲嵌等復雜技術(shù)，而傳統(tǒng)的機加工方法已無法滿足對復雜型腔類零件的模具進行高精度加工的需求。與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相比，快速成形技術(shù)能夠快速精確地將模具一體成型，為生產(chǎn)多樣化、精確化的零件做出了巨大貢獻。目前，選取激光燒結(jié)技術(shù)可以直接打印復雜的汽車腔體零件模具，有效避免了材料的浪費，縮短了加工時間對汽車制造企業(yè)控制模具投資成本具有重要意義，能夠有效促進汽車制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。

4 快速原型制造技術(shù)在汽車維修中的應(yīng)用

中國經(jīng)濟的快速發(fā)展使得汽車不再是稀有交通工具，它已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｍㄇ诘拇焦ぞ?。而在維修一些年份久遠的車型或是絕版車型時，經(jīng)常會碰到無零件可以更換的問題，這樣客戶就不得不更新?lián)Q代,使得用戶維修體驗不佳。此外，對于一些限量版車型以及一些小眾車型來說，市面上生產(chǎn)的零件數(shù)量非常少，零件的儲備嚴重不足，如果為了小眾需求而去單獨對零件進行開模制造，會對維修行業(yè)的成本控制產(chǎn)生不利影響。通過逆向三維掃描技術(shù)與3D 打印技術(shù)的結(jié)合，可以快速準確地得到零件的模型，為用戶提供快速便捷的維修服務(wù)。隨著個性化消費的興起，越來越多的人會在買車后進行改裝，需要改裝的零件五花八門，難以組織生產(chǎn)，當有了3D 打印技術(shù)后，這些問題就可以很容易地得到解決。

5 結(jié)論

隨著制造業(yè)國際競爭力日益增強，減少產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開發(fā)新產(chǎn)品投資的風險已成為企業(yè)生存的關(guān)鍵。得益于快速原型制造技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)加工進入了一個新的發(fā)展領(lǐng)域。為了使快速原型制造技術(shù)充分應(yīng)用于制造業(yè)中，就必須對該技術(shù)不斷進行革新和發(fā)展，讓該技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。