王 強(qiáng)，王守權(quán)，齊曉杰，王佳偉，劉志松

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

3D打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次產(chǎn)業(yè)革命”，又稱為“快速成型技術(shù)”，可應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、文化、生物等領(lǐng)域，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印是增材制造技術(shù)，即把材料通過(guò)逐層堆積成為成品的制造技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造相結(jié)合可直接打印出三維模型，因而3D打印技術(shù)可以幫助制造企業(yè)輕松制造樣件，減少模具開(kāi)發(fā)成本；直接降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，縮短新產(chǎn)品問(wèn)世時(shí)間；省略掉復(fù)雜工藝，不需要龐大的機(jī)床；滿足個(gè)性化、定制化的各種需求。3D打印技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代后期，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不夠成熟、打印成本高、市場(chǎng)認(rèn)知度不高等因素，這項(xiàng)技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。最近幾年，隨著技術(shù)不斷發(fā)展、國(guó)家高度重視，3D打印技術(shù)將成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域。目前這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)許多汽車廠家開(kāi)始研發(fā)應(yīng)用此技術(shù)，相信未來(lái)3D打印定會(huì)為汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)全新格局。

1 3D打印中應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 SLM／DMLS技術(shù)

SLM／DMLS（選區(qū)激光熔化／直接金屬激光燒結(jié)）成型原理與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）基本相同，其中DMLS工藝原理直接出自于SLS（選區(qū)激光燒結(jié)）。作為金屬零件3D打印技術(shù)的重要組成部分，兩者都可以直接進(jìn)行金屬零件直接制造，不需要后處理。SLM打印材料多為單種金屬的粉末，例如奧氏體不銹鋼、鎳基合金、和貴重金屬等。金屬粉末被激光束快速熔化出熔道，能得到任何形狀、高精度、具有完全冶金結(jié)合的金屬零件。該技術(shù)在金屬零件的三維打印應(yīng)用上具有很大潛力，SLM技術(shù)在飛機(jī)制造中得到廣泛應(yīng)用，未來(lái)在汽車產(chǎn)業(yè)中也會(huì)被大范圍運(yùn)用。

1.2 LENS技術(shù)

LENS（激光近凈成型）技術(shù)是基于激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)。在打印過(guò)程中，大功率激光將同步共給的金屬粉末熔化，在基板上按預(yù)定軌跡被逐層沉積，最終打印出金屬零件。國(guó)外學(xué)者研究了LENS工藝制造奧氏體不銹鋼的硬度分布，隨著加工層數(shù)增加，不銹鋼維氏硬度降低。

1.3 EBSM技術(shù)

EBSM（電子束選區(qū)熔化）技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)，其成型原理與LSM／DMLS基本相似，它具有工藝?yán)寐矢摺⒕劢狗奖?、無(wú)反射等優(yōu)點(diǎn)。EBSM可以直接使金屬零部件成型，眾多研究人員通過(guò)不斷研究嘗試，發(fā)現(xiàn)一些材料加工后的一些特性，并且在很多方面技術(shù)上有所突破。

2 3D打印汽車零部件在應(yīng)用中具有的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其可以直接把計(jì)算機(jī)三維圖形數(shù)據(jù)打印成零部件，可有效降低成本、加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率等。應(yīng)用3D打印技術(shù)快速驗(yàn)證缸蓋、同步器等零件的可行性，無(wú)需任何模具，省略大量中間環(huán)節(jié)，可使復(fù)雜鑄件的交貨期由3個(gè)月縮短到10d；發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家通過(guò)3D打印技術(shù)，把大型六缸柴油內(nèi)燃機(jī)缸蓋的砂芯的研發(fā)周期，由過(guò)去5個(gè)月縮短到1周。

3D打印技術(shù)運(yùn)用在汽車研發(fā)制造將加快汽車的更新?lián)Q代。3D打印技術(shù)融合概念設(shè)計(jì)、技術(shù)分析與生產(chǎn)環(huán)節(jié)于一體，未來(lái)汽車定制化將成為可能，可縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期，從而加速汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代。3D打印另一競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)人們定制化要求，在當(dāng)今發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，會(huì)更加促成這種要求的可行性。

3D打印技術(shù)大大簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)。它將取代模具到半成品再到成品一系列環(huán)節(jié)，對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。從傳統(tǒng)減材制造到3D打印增材制造模式，可有效減少生產(chǎn)廢料，提高打印模型精度，使用新型材料可使產(chǎn)品質(zhì)量為原來(lái)四成、僅消耗原來(lái)十分之一的材料使用。另外，3D打印技術(shù)同樣可應(yīng)用在汽車維修上，可以用3D打印機(jī)打印或修復(fù)汽車曲軸、缸蓋等貴重零件，延長(zhǎng)零件的使用壽命，降低維修成本。

3 3D打印汽車零部件成功案例

3.1 國(guó)外研究成果

2011年，第一輛通過(guò)3D打印技術(shù)制造的汽車問(wèn)世，這輛Urbee的3D打印車（如圖1所示）配備三輪雙座椅，使用混合動(dòng)力作為動(dòng)力來(lái)源。它使用電池和汽油作為動(dòng)力，功率為8馬力，最高車速可達(dá)每小時(shí)112km。3D打印技術(shù)的應(yīng)用，不僅使這輛汽車擁有獨(dú)特的外形，而且使得車身重量大大減輕、使用壽命可達(dá)30年。Urbee的部件是通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的:底盤為不銹鋼制成，其他零件包括風(fēng)管和玻璃嵌板等都是利用Stratasys公司的3D打印設(shè)備制造的。這輛汽車只需要50個(gè)零件左右，減少了傳統(tǒng)汽車零件數(shù)量和復(fù)雜的裝配工藝。

圖1 3D打印Urbee汽車

另外一款3D打印汽車Edag Genesis（如圖2、圖3所示）在日內(nèi)瓦問(wèn)世，這是一輛外形似龜殼、充滿未來(lái)感的概念車，其車架結(jié)構(gòu)由熱熔塑料構(gòu)成，車身采用大量碳纖維材料，足以保證汽車的安全性能。

目前，我國(guó)包括長(zhǎng)城、比亞迪在內(nèi)的汽車廠商已經(jīng)開(kāi)始把3D打印作為重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用在研發(fā)生產(chǎn)中，隨著技術(shù)的不斷突破，3D打印會(huì)在未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)中占據(jù)更主要位置。

3.2 在逆向開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

在黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院學(xué)生參加的第六屆全國(guó)三維設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目中，本創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目組成員實(shí)現(xiàn)了對(duì)解放J6重卡驅(qū)動(dòng)橋的逆向設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)獲得了黑龍江省特等獎(jiǎng)和國(guó)家三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。該設(shè)計(jì)過(guò)程:利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼體等復(fù)雜零件進(jìn)行掃描測(cè)量，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確再生和衍變；利用NX UG軟件實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋的3D虛擬運(yùn)動(dòng)在線和工程圖設(shè)計(jì)，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)；利用3D打印機(jī)（如圖4所示）實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋總成的動(dòng)態(tài)模型虛擬物理制造（如圖5所示），可對(duì)設(shè)計(jì)、裝配進(jìn)行評(píng)估及功能性測(cè)試。這種設(shè)計(jì)方法可有效縮短汽車的研發(fā)周期和提高生產(chǎn)效率。

圖2 EDAG GENESIS設(shè)計(jì)圖

圖3 EDAG GENESIS打印模型

圖4 3D打印機(jī)

圖5 驅(qū)動(dòng)橋總成的3D打印模型

4 我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析

盡管3D打印技術(shù)受到熱捧，但這項(xiàng)技術(shù)走向民用化還有一段距離。我國(guó)3D打印行業(yè)整體上發(fā)展比較迅速，在硬件、軟件及打印材料等核心領(lǐng)域正在逐步地實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但是，缺乏品牌企業(yè)、缺乏成熟的商業(yè)模式、缺乏市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用和缺乏政府的政策資金扶持等。我國(guó)3D打印行業(yè)還處于“小而散”的狀態(tài)，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在不小的差距。

目前，我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)處于起步階段，國(guó)產(chǎn)的3D打印機(jī)在打印速度、打印尺寸、打印精度和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提升，存在一系列亟待解決的問(wèn)題。

1）對(duì)技術(shù)研發(fā)投入不夠。我國(guó)能夠自主研制3D打印機(jī)的企業(yè)規(guī)模偏小，目前一些高校也在發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，但是受到資金和技術(shù)的限制研發(fā)力量不足，起色很小，我國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)研發(fā)投入較歐美國(guó)家要少。

2）產(chǎn)業(yè)鏈缺少統(tǒng)籌發(fā)展。3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)完善的供應(yīng)商和服務(wù)商體系和市場(chǎng)平臺(tái)。我國(guó)3D打印企業(yè)仍然處在“孤獨(dú)”的初始發(fā)展階段，企業(yè)之間缺乏協(xié)調(diào)，溝通不足。另外一點(diǎn)就是存在代理混亂問(wèn)題。

3）缺乏教育培訓(xùn)和社會(huì)推廣。目前我國(guó)多數(shù)制造企業(yè)還沒(méi)有接受“數(shù)字化設(shè)計(jì)”、“批量化生產(chǎn)”等先進(jìn)制造理念，對(duì)3D打印這一新興技術(shù)的戰(zhàn)略意義認(rèn)識(shí)不足，企業(yè)和高校購(gòu)買的3D打印設(shè)備數(shù)量以及技術(shù)含量有限，應(yīng)用領(lǐng)域單一。很多小型創(chuàng)業(yè)企業(yè)還停留在打印人體模型這一階段，由于市場(chǎng)認(rèn)知度不足，3D打印技術(shù)走向民用化的步伐只有靠這些小企業(yè)來(lái)推動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來(lái)，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化的發(fā)展趨勢(shì)，3D打印技術(shù)將會(huì)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域得到創(chuàng)造性地應(yīng)用。此外，未來(lái)幾年我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)形成一定規(guī)模之后，這項(xiàng)技術(shù)將不僅僅局限于被大型企業(yè)所應(yīng)用，隨著成本的降低，3D打印終將走進(jìn)尋常百姓家。

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