3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用與成本控制

高豐 梁伶伶 韋向前 梁紹晟 張發(fā)

【摘 要】隨著個性定制化時代的到來，3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車等各個領(lǐng)域。目前，3D打印技術(shù)多應(yīng)用于汽車研發(fā)環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃土悴考ㄖ啤Ｎ恼略诮榻B3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析3D打印技術(shù)在汽車制造總裝車間汽車裝配上的應(yīng)用，以此強(qiáng)調(diào)3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的重要性。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù);總裝車間;汽車制造

【中圖分類號】U466;U472 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）03-0064-03

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它以數(shù)字模型文件作為基礎(chǔ)，將模型文件分層，通過逐層打印形成物體，多使用可黏合材料，例如粉末狀金屬或塑料等[1]。3D打印的實(shí)現(xiàn)通常是通過數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，3D打印技術(shù)逐步用于一些產(chǎn)品的直接制造，如今已有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在航天科技、汽車研發(fā)、醫(yī)療模型、電子行業(yè)、建筑房屋及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2 3D打印技術(shù)原理

2.1 建立3D數(shù)字模型

3D打印技術(shù)根據(jù)需求建立3D數(shù)字模型，通常有掃描成型和軟件設(shè)計兩種建立方式。在已有實(shí)物的情況下，用三維掃描儀將物體的立體信息轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)快速的逆向3D數(shù)字建模，稱為掃描成型。通過3D設(shè)計軟件進(jìn)行的3D數(shù)字建模稱為軟件設(shè)計，在汽車行業(yè)中，常用的3D設(shè)計軟件有Catia、Pro/e和UG等。

2.2 切片處理

在得到3D數(shù)字模型后，開始對數(shù)字模型進(jìn)行切片處理，就是將三維模型沿某一軸的方向切成一系列的二維平面數(shù)據(jù)，3D打印機(jī)讀取數(shù)據(jù)后按層工作，通過疊加成型構(gòu)造實(shí)體[2]。通用的切片軟件有cura、s3d和Repetier Host 3種，同時各大3D打印機(jī)制造廠商也有自主研發(fā)的切片軟件。

2.3 打印成型技術(shù)

打印成型是3D打印技術(shù)最為核心的環(huán)節(jié)，在很大程度上直接影響打印的最終質(zhì)量。當(dāng)前，通用的3D打印技術(shù)有5種：SLA（光固化成型）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）、FDM（熔融沉積快速成型）、3DP（三維粉末黏接）、DMLS（直接金屬激光燒結(jié)）[3]。以FDM為例，熔融沉積型3D打印技術(shù)是將絲狀材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟仁蛊淙刍?，然后通過噴嘴擠出，一個層面沉積完成后，打印平臺按照預(yù)定的增量下降一個高度，再繼續(xù)熔融沉積，直至完成整個打印件的典型打印技術(shù)。FDM 3D打印機(jī)一般使用的材料有工程塑料（PLA/ABS）、柔性材料（TPE/TPU）、金屬質(zhì)感材料（Metal PLA/Metal ABS）和尼龍材料（EPA）。本文選用了如下品種材料做應(yīng)用研究對比（見表1）。

2.4 打印后處理

FDM技術(shù)的打印件粗糙且表面有可見的紋路，需要對其進(jìn)行后期處理。通常使用去除支撐結(jié)構(gòu)、打磨拋光和表面處理等方法，用于提高產(chǎn)品的機(jī)械性能，讓產(chǎn)品外觀更美觀。FDM技術(shù)的優(yōu)勢在于制造簡單，成本低廉。

3 3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)階段的應(yīng)用

隨著汽車保有量的快速增加，汽車行業(yè)的競爭日益激烈，成本控制是汽車公司在研發(fā)階段面臨的重大難題，研發(fā)速度與成本息息相關(guān)。在傳統(tǒng)汽車研發(fā)中，只有將模具生產(chǎn)出來后才能制造零部件，而普通汽車零部件制造企業(yè)對一個模具的研發(fā)、制造到投入使用往往需要經(jīng)過3個月以上的時間，在這段時間還會產(chǎn)生大量的資源浪費(fèi)。3D打印技術(shù)可快速地制作概念模型和功能原型，優(yōu)化了因制作模具而浪費(fèi)的時間，減少加工工序，從而大大縮短汽車零部件的驗(yàn)證時間，提高研發(fā)效率[4]（如圖1所示）。

材料科學(xué)發(fā)展迅速，越來越多的材料能應(yīng)用于3D打印中，能滿足大部分汽車零部件的屬性要求，并且打印技術(shù)制造的產(chǎn)品在精度上優(yōu)于傳統(tǒng)方式制造的零部件。同時，3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)汽車零部件的輕量化，減輕汽車自重，降低汽車油耗，符合國家相關(guān)部門提出的綠色發(fā)展理念。

3.2 3D打印技術(shù)在汽車維修上的應(yīng)用

在汽車維修時，更換零部件是最為常用的維修方式。但市場上車型眾多，4S店不可能配備所有的零部件，很容易產(chǎn)生因?yàn)榱悴考倘倍绊懢S修進(jìn)度的情況，大大影響了客戶的維修體驗(yàn)。對于一些停產(chǎn)多年的老車型，汽車企業(yè)也沒有零部件的庫存，如果為單一零部件單獨(dú)開模制作，將會造成企業(yè)不愿承擔(dān)的資源浪費(fèi)。此時，3D打印技術(shù)在汽車維修上的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，只要存有零部件的加工數(shù)據(jù)與三維數(shù)模文件，就可快速地制作出成品，實(shí)現(xiàn)降低制造成本，為客戶帶來更好的維修體驗(yàn)，節(jié)省物流成本的目標(biāo)[5]（如圖2所示）。

同時，由于汽車的個性化設(shè)計，因此在汽車維修過程中，不同車型需要用到不同的維修工具，市場只能提供一些標(biāo)準(zhǔn)的維修工具，不能滿足一些特殊的需求[5]。此時，需要3D打印技術(shù)制作一些特殊的維修工具，一般通過三維掃描儀得到汽車內(nèi)部空間數(shù)據(jù)，再依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行工具設(shè)計，最后以3D打印機(jī)快速地制作維修工具，提高維修效率。

4 3D打印技術(shù)在汽車裝配領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用前景

3D打印的主要優(yōu)勢在于它的可定制性，能將計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。

總裝作為汽車生產(chǎn)的重要工序，守護(hù)著汽車生產(chǎn)的質(zhì)量底線，有著眾多復(fù)雜的工藝，在裝配過程中同樣需要用到各種各樣的裝配工具。根據(jù)總裝車間的工藝需求，將裝配工具分為定位工具、輔助工具、防劃傷工具和檢測工具四大類，不同種類的工具對材料的屬性要求各不相同。這些工具雖然種類繁多，但是需求量少，生產(chǎn)成本高，制作周期長。如果使用3D打印技術(shù)，能大大縮短工具的制作周期，間接地促進(jìn)汽車的裝配效率的提升。同時，提高了裝配工具的精度，使裝配工具標(biāo)準(zhǔn)化。如果需要制作相似的工具，只要通過調(diào)整參數(shù)便可進(jìn)行快速便捷的制作。在同車型不同產(chǎn)線的裝配人員進(jìn)行工藝交流時，也能更好地將新的裝配方法與裝配工具進(jìn)行推廣，有利于裝配人員業(yè)務(wù)水平的提升。

4.2 3D打印技術(shù)在裝配專用工具上的應(yīng)用

定位工具是用于解決汽車零部件與零部件、零部件與車身之間X/Y/Z方向配合的專用工具，使裝配偏差固定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足工藝及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。例如：前后擋風(fēng)玻璃定位工具、前后雨刮器定位工具、車門水切裝配定位工具、翼子板定位工具等（如圖3所示）。

輔助工具指的是輔助操作使用的工具，使操作過程更加簡單、便捷。主要體現(xiàn)在人機(jī)工程改善、裝配效率提升、滿足質(zhì)量要求方面。例如：拓印筆套輔助工具、前圍隔音墊安裝輔助工具、尾門鎖防關(guān)閉輔助工具、卡扣安裝輔助工具等（如圖4所示）。

防劃傷工具是用于保護(hù)車身表面漆面的主動防護(hù)控制工具，保護(hù)裝配操作過程車身表面油漆不被銳物劃傷油漆，消除補(bǔ)漆返修浪費(fèi)。例如：車門鎖扣安裝防劃傷工具、車門鎖體安裝防劃傷工具、車門線束防劃傷工具、發(fā)動機(jī)激光碼防劃傷工具等（如圖5所示）。

檢測工具是用于零部件之間裝配后測量尺寸偏差類工具，是用于設(shè)計測量零件工藝參數(shù)識別的專用工具。例如：車門亮條安裝檢測工具、車門導(dǎo)槽密封條飾條檢測工具、蓄電池檢測工具、中間軸測量工具等（如圖6所示）。

4.3 成本控制

以提升質(zhì)量和降低成本為目的，較傳統(tǒng)工具制作方式和制作周期，3D打印技術(shù)的應(yīng)用有利于降低工具成本投入。最佳實(shí)踐：應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)專用工具制作合計57種（159件），累計節(jié)約7萬元，為高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品輸出提供優(yōu)勢。

5 總結(jié)

作為第三次工業(yè)革命標(biāo)志性產(chǎn)物之一，3D打印技術(shù)已經(jīng)被廣大汽車企業(yè)認(rèn)可，在研發(fā)與維修領(lǐng)域扮演著重要的角色，有效地解決了許多實(shí)際的問題。同時，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，3D打印技術(shù)會在汽車行業(yè)得到更為全面的運(yùn)用，逐步應(yīng)用到汽車生產(chǎn)的四大工藝中，代替部分傳統(tǒng)的減材制造方式，從而降低投入成本，為汽車行業(yè)的發(fā)展提供助力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙竟宇.3D打印機(jī)的發(fā)展與運(yùn)用趨勢[J].造紙裝備及材料，2020，49（3）：114.

[2]王菊霞.3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[3]趙婧.3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用研究與前景展望[D].太原：太原理工大學(xué)，2014.

[4]李雪峰，黃安琪，夏申琳.3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用及中國汽車業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2019（4）：37-39.

[5]周丹.論3D打印技術(shù)在汽車維修領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中國市場，2016（36）：61-62.