周學(xué)斌，葉軍祥

（武漢薩普汽車科技有限公司，湖北 武漢　430056）

3D打印在汽車空調(diào)中的應(yīng)用開發(fā)

周學(xué)斌，葉軍祥

（武漢薩普汽車科技有限公司，湖北 武漢430056）

以汽車空調(diào)為研究對象，對3D打印在汽車空調(diào)行業(yè)中的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了歸納，并將3D打印與傳統(tǒng)相關(guān)行業(yè)進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明3D打印是產(chǎn)品創(chuàng)新的利器。

3D打?。黄嚳照{(diào)；應(yīng)用開發(fā)

3D打印，又稱增材制造 （additive manufacturing），就是通過打印機打出而非加工出各類日常與工業(yè)產(chǎn)品。從制造方式來說，鑄鍛焊在制造過程中質(zhì)量基本不變，屬于 “等材制造”，已有3000年歷史。隨著電動機發(fā)明，車銑刨磨機床出現(xiàn)，通過材料的切削去除達(dá)到設(shè)計形狀，稱為 “減材制造”，已有300年歷史。而以3D打印為代表的 “增材制造”，1984年提出，1986年實現(xiàn)樣機，才30年時間，是極有前景的制造技術(shù)［1］。美國是最早將該技術(shù)應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的國家。中國真正引進(jìn)并著手開發(fā)和應(yīng)用也是近些年才開始的。特別是近5年來，3D打印技術(shù)在中國得到了快速發(fā)展。主要引領(lǐng)要素是低成本增材制造設(shè)備社會化應(yīng)用、金屬零部件直接制造技術(shù)在工業(yè)界的應(yīng)用、基于增材制造的各種生物材料及生物學(xué)結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)等。就中國目前3D打印服務(wù)而言，生產(chǎn)、購買和應(yīng)用桌面型打印機廠家較多，真正工業(yè)級3D打印的設(shè)備和實際應(yīng)用，較歐美國家還存在相當(dāng)大的空白和差距。

本文著眼于3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中應(yīng)用，特別是汽車空調(diào)HVAC方面的應(yīng)用。該技術(shù)已日趨成熟且被廣大客戶認(rèn)可。

1　3D打印的工作原理

3D打印的工作原理類似噴墨打印機，不過噴出的不是墨水，而是粘接劑、液態(tài)的蠟、塑料或樹脂。按照噴出的材料不同，可以分為粘接劑打印、熔融蠟打印和熔融塑料涂覆 （FDM）。如果把打印頭換成激光頭，就有了激光燒結(jié) （SLS）、光固化樹脂 （SLA）和激光熔融 （SLM）等。具體的成型過程是根據(jù)三維CAD模型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換成設(shè)備能夠識別加工的格式后，對零件進(jìn)行分層切片，得到各層截面的兩維輪廓形狀。按照這些輪廓形狀，用噴射源選擇性的噴射一層層粘接劑或熱熔性材料，或用激光束選擇性地固化一層層的液態(tài)光敏樹脂 （SLA），或燒結(jié)一層層的粉末材料，形成每一個截面兩維的平面輪廓形狀，然后再一層層疊加成三維立體零件［2］。

2　3D打印在汽車空調(diào)HVAC中的應(yīng)用開發(fā)

眾所周知，汽車空調(diào)HVAC已成為汽車車身內(nèi)飾中不可或缺的一部分，它主要包括以下零部件：空調(diào)殼體及風(fēng)道塑料件，空調(diào)系統(tǒng)中的相關(guān)運動類部件，空調(diào)系統(tǒng)中帶軟邊風(fēng)門，空調(diào)系統(tǒng)中安裝點部位螺栓等嵌件，空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口柵格等。本文主要介紹3D打印在這些方面的應(yīng)用開發(fā)。

2.13D打印在塑料殼體及風(fēng)道的應(yīng)用開發(fā)

汽車空調(diào)HVAC塑料殼體及風(fēng)道，是其中比較大的塑料零部件，它起著承載或裝配其他零部件的主要作用，對于其強度、耐沖擊、耐高溫及腐蝕等要求比較嚴(yán)格，是HVAC中比較重要的零部件。在前期的系統(tǒng)開發(fā)過程中，為驗證設(shè)計方案的可靠性和精確性，

一般公司在開模前都需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速成型驗證。3D打印正是滿足這一需求應(yīng)運而生，它不同于其他一般的快速成型，譬如CNC等。它的增材制造技術(shù)快速、精確，能夠高品質(zhì)地滿足客戶相關(guān)需求。對于這類零件的3D打印開發(fā)，主要應(yīng)用SLS工藝，具體操作步驟如下。

2.1.1對于需要3D打印的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、檢查和分析該步驟主要是檢查并確認(rèn)客戶數(shù)據(jù)特征的精細(xì)程度，如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)特征檢測、修復(fù)示意圖

由圖1可以看出，殼體上的安裝支架未能和殼體有效地結(jié)合在一起，如圖1剖切后所示，局部有間隙，造成支架和殼體的虛連接。由于3D打印工藝是增材制造，層層鋪墊燒結(jié)而成 （特別是SLS工藝），它會真實地再現(xiàn)客戶的設(shè)計意圖，間隙會在產(chǎn)品上打出來，結(jié)果造成了產(chǎn)品的安裝強度出問題，或打印出來后直接自間隙處斷裂。所以必須根據(jù)客戶的設(shè)計意圖，修訂并填補間隙，使虛連接的特征真實地連接在一起，增加局部特征的強度和有效性。

其次，需要確認(rèn)殼體相關(guān)壁厚是否均勻一致，特別是數(shù)據(jù)上是否有薄壁部分。針對SLS激光燒結(jié)3D打印工藝，數(shù)據(jù)上所有特征壁厚必須≥1.0mm（除特殊情況最小不能低于0.8mm）。激光燒結(jié)由于是大功率熔融，產(chǎn)品上小于該數(shù)值的部位，打印出來后會出現(xiàn)空缺等缺陷。

2.1.2對于殼體、風(fēng)道等大特征數(shù)據(jù)的處理

由于3D打印設(shè)備缸體極限尺寸有限，SLS工藝零件極限尺寸：350（長）×350（寬）×420（高）。如圖2a所示的細(xì)長類風(fēng)道零件，需要分段切割才能在缸體內(nèi)進(jìn)行有效燒結(jié)并熔融成型，分割處理后為便于后續(xù)有效地拼接和緊固，應(yīng)采用倒楔形結(jié)構(gòu)，如圖2b所示。

倒楔形分割時，分割結(jié)構(gòu)的銳邊倒圓角R=2，斜邊和豎直邊夾角為75°，上底和和下底之間的距離為10～15mm，以保證結(jié)合部位的強度。拼接時，采用化學(xué)藥劑進(jìn)行粘接，然后打磨，以保證其強度和精度，不亞于一體式打印結(jié)果。

圖2　大特征數(shù)據(jù)分割、拼接示意圖

2.23D打印在運動部件中的應(yīng)用開發(fā)

空調(diào)HVAC運動部件主要包括風(fēng)門、風(fēng)門搖臂、聯(lián)動臂、模式分配盤等。它們的主要作用是驅(qū)動風(fēng)門進(jìn)行開啟或關(guān)閉，以滿足車身駕駛室內(nèi)部各個風(fēng)口（吹臉、吹腳、除霜）的制冷或制熱相關(guān)需求。對于此類運動部件，由于其在系統(tǒng)中處于運動狀態(tài)，對其強度、表面光潔度以及尺寸精度就有比較高的要求。在3D打印中，可以采用多種工藝配合使用，來滿足產(chǎn)品的相關(guān)需求。如圖3所示。

圖3　運動類部件3D打印處理方案示意圖

HVAC殼體采用SLS工藝進(jìn)行打印，殼體上安裝風(fēng)門的孔采用內(nèi)嵌SLA軸套的工藝進(jìn)行處理，這樣既利用了SLA尺寸精度高和表面光潔度好的特點，同時又利用了SLS工藝安裝強度好的特點，滿足了客戶相關(guān)需求。同樣，對于運動的連動臂及搖臂，其安裝軸同樣采用了兩種工藝結(jié)合使用，軸的基體采用SLS工藝，在其上部做一SLA安裝軸套，既保證了精度，又保證了強度。

對于需要做相對運動的軌跡槽，通常尺寸精度和表面光潔度要求較高，也可以采用SLS和SLA相結(jié)合的工藝。

圖4中，滑動軌跡槽基體采用SLS材質(zhì)，其上附上一個SLA的嵌件，兩者采用粘結(jié)鑲嵌的方式進(jìn)行緊固。兩種工藝的有效結(jié)合，既揚長又避短，滿足了客戶需求。

圖4　汽車空調(diào)殼體運動軌跡槽3D打印分解示意圖

2.33D打印在帶包軟邊風(fēng)門的應(yīng)用開發(fā)

帶包軟邊風(fēng)門是汽車空調(diào)目前比較流行的一種設(shè)計方案，其取代了原老狀態(tài)粘貼密封條的工藝方案，既節(jié)約了生產(chǎn)和工藝成本，又保證了產(chǎn)品的功能性要求。但在前期的開發(fā)驗證階段，由于沒有開模，傳統(tǒng)的加工工藝很難實現(xiàn)。3D打印就不一樣了。

圖5中的風(fēng)門包軟邊產(chǎn)品，其上兩部分有不同材質(zhì)和顏色需求的 （基體一般采用ABS材質(zhì)，軟邊采用橡膠材質(zhì)），且客戶對于產(chǎn)品表面外觀及精度要求不高的，可以采用FDM （熔融介質(zhì)涂覆或堆積成型）工藝。FDM工藝工作原理如圖6所示。

圖5　帶包軟邊風(fēng)門示意圖

圖6　FDM工藝工作原理示意圖

FDM工藝特點是不依賴激光技術(shù)，操作簡單，成型效率高，耐老化耐溫性能好，成本低?？梢赃x擇性作為功能件使用 （各向異型），整體精度一般。

2.43D打印在帶螺栓等嵌件的應(yīng)用開發(fā)

汽車空調(diào)HVAC整車安裝點一般采用螺栓等嵌件來滿足裝車需求。在前期開發(fā)階段，3D打印的處理方案如圖7所示。

圖7　帶螺栓等嵌件處理狀態(tài)示意圖

圖7中，螺栓等嵌件部位需增加螺栓頭仿形結(jié)構(gòu)，為防止螺栓自轉(zhuǎn)無法緊固，螺栓裝到位后，用圖7中的堵蓋蓋住，增加預(yù)埋伏結(jié)構(gòu)，用于緊固螺栓，保證了空調(diào)系統(tǒng)的安裝強度等需求。

2.53D打印在風(fēng)道出風(fēng)格柵中的應(yīng)用開發(fā)

汽車空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口格柵主要是用于微調(diào)風(fēng)向，由很多零件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在沒有模具的情況下，前期開發(fā)困難很大，幾乎無法實現(xiàn)。

圖8中，汽車空調(diào)風(fēng)道出風(fēng)口格柵由很多聯(lián)動機構(gòu)組成，格柵間必須能夠運動和聯(lián)動。應(yīng)用CNC等快速成型工藝很難實現(xiàn)，但3D打印SLA或SLS能夠一次性整體打印并實現(xiàn)。首先，在數(shù)據(jù)處理階段，在連桿和其配合孔之間，必須預(yù)留相應(yīng)的配合間隙（SLA配合間隙單邊0.05mm，SLS配合間隙單邊0.15mm），數(shù)據(jù)間不能有干涉碰撞產(chǎn)生。3D打印作業(yè)完成后，經(jīng)過相關(guān)后續(xù)清理，產(chǎn)品即實現(xiàn)了其相應(yīng)功能。

圖8　汽車空調(diào)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3　3D打印與傳統(tǒng)工藝性能比較

表1～表3分別為3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)機械制造工藝對比、幾種常見工業(yè)級3D打印工藝比較、幾種常見的SLS/SLA材料特性對比。

表1　3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)機械制造工藝的比較

表2　幾種常見工業(yè)級3D打印工藝比較

表3　幾種常見的SLS/SLA材料特性對比

由表1可以看出，3D打印工藝有4點優(yōu)勢：①設(shè)計簡單；②制造容易；③反應(yīng)迅速；④成本較低。隨著工業(yè)化的普及，設(shè)備以及原材料還有著大幅度的降價空間。

表2中幾種常見的工業(yè)級3D打印工藝，在本文的空調(diào)系統(tǒng)中，都有很好的應(yīng)用。

隨著3D打印技術(shù)在汽車、軍工、航空等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用開發(fā)將會越來越深入［3］。對于本文中3D打印在汽車空調(diào)業(yè)的開發(fā)也將會越來越成熟。

4　結(jié)論

1）將3D打印工藝開發(fā)應(yīng)用于汽車空調(diào)行業(yè)，能夠有效地降低產(chǎn)品開發(fā)初期的周期和成本，滿足客戶需求，贏得市場先機。

2）隨著3D打印技術(shù)在各行各業(yè)的深入應(yīng)用，3D打印技術(shù)在汽車空調(diào)領(lǐng)域的開發(fā)將會越來越成熟，3D打印業(yè)將會迎來一個美好的明天。

［1］盧秉恒，李滌塵．增材制造 （3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展［J］.機械制造與自動化，2013，42（4）：1-5.

［2］劉厚才，莫建華，劉海濤.三維打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（9）：1 184-1 190.

［3］王強.3D打印“小時代”［J］.印刷工業(yè)，2013（7）：76-77.

［4］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

（編輯心翔）

The Application and Development of 3D Printing in Automotive Air Conditioning

ZHOU Xue-bin，YE Jun-xiang
（Wuhan Sapw Automobile Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China）

Taking the Automobile air conditioner as research object，the article concludes the application and development of 3D printing in the automotive air conditioner industry，and also compares it with the traditional relevant industry.The conclusion shows that 3D printing is a valuable tool in product innovation.

3D printing；automotive air conditioning；application and development

U463.851

A

1003－8639（2016）09－0067－04

2016-01-31

周學(xué)斌 （1974-），男，湖北十堰人，工程師，研究方向為3D打印應(yīng)用開發(fā)及汽車空調(diào)的新品設(shè)計；葉軍祥（1971-），男，湖北十堰人，汽車空調(diào)行業(yè)資深專家，3D打印汽車工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的先驅(qū)，研究方向為3D打印在汽車行業(yè)的應(yīng)用開發(fā)及汽車空調(diào)的新產(chǎn)品研發(fā)。