李小慶

摘 要：與傳統(tǒng)加工方式不同，3D打印技術(shù)是一種添加制造技術(shù)，其工作原理和傳統(tǒng)加工方法也不一樣。3D打印技術(shù)常見(jiàn)的有七類(lèi)，著重介紹了選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、直接金屬激光燒結(jié)、光敏樹(shù)脂選擇性固化工藝四種的技術(shù)說(shuō)明、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)。在汽車(chē)行業(yè)中，3D打印也有著廣泛的應(yīng)用，重點(diǎn)說(shuō)明了汽車(chē)整車(chē)打印、汽車(chē)外形設(shè)計(jì)、個(gè)性化定制汽車(chē)等在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用。作為新型的加工方式，3D打印也存在很多不足之處：打印材料及其強(qiáng)度、打印機(jī)速度、打印的價(jià)格。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；汽車(chē)行業(yè)；影響

與傳統(tǒng)的“去除材料”加工方法不同，被稱(chēng)為“具有工業(yè)革命意義”的3D打印（3D Printing）是一種“添加制造”（Additive Manufacturing）技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相反，“添加制造”技術(shù)是采用層疊方式制造零件的方法。[1]

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，價(jià)格有所下降，應(yīng)用在多種學(xué)科領(lǐng)域上，例如：外科醫(yī)生打印器官；產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)的三維模型打印出來(lái)，做原型測(cè)試等。3D打印行業(yè)連續(xù)第二年增長(zhǎng)達(dá)10億美元，總市值在2015年已經(jīng)接近51.65億美元。[2]

1 3D打印原理

3D打印的步驟通常分為以下四步，如圖1所示。各個(gè)步驟的詳細(xì)說(shuō)明如表1所示。[3]

2 常見(jiàn)打印方法

常見(jiàn)的商品化的3D打印機(jī)有七類(lèi)，其中以SLA、SLS、FDM 和DMLS等四類(lèi)為主[4-5]。這四類(lèi)打印技術(shù)常見(jiàn)的信息如表2所示。根據(jù)打印零件的材料、結(jié)構(gòu)、使用條件選擇合適的打印方法。

3 3D打印在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用

3D打印具有數(shù)字制造、降維制造、堆積制造、直接制造、快速制造等特點(diǎn)[1]，在汽車(chē)領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用，本文從汽車(chē)整車(chē)打印、汽車(chē)外形設(shè)計(jì)、個(gè)性化定制汽車(chē)等方面來(lái)說(shuō)明3D打印在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用。

3.1 汽車(chē)整車(chē)3D打印

近些年，已有多個(gè)公司采用3D打印技術(shù)制造汽車(chē)整車(chē)。表3列舉了汽車(chē)整3D打印的歷史，3D打印廠(chǎng)商與汽車(chē)廠(chǎng)商的合作越來(lái)越緊密，這一合作勢(shì)必會(huì)推動(dòng)汽車(chē)業(yè)的發(fā)展。汽車(chē)整車(chē)打印歷史如表3所示。

3.2 汽車(chē)外形設(shè)計(jì)

在進(jìn)行一款汽車(chē)設(shè)計(jì)的初期，需要設(shè)計(jì)汽車(chē)的外形。汽車(chē)的外形對(duì)汽車(chē)銷(xiāo)量有著很大的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到美學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、汽車(chē)的車(chē)型、材料工藝、價(jià)格成本等。圖3為傳統(tǒng)汽車(chē)造型設(shè)計(jì)流程。

在這個(gè)流程中，著重介紹油泥模型。油泥模型就是在數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，用油泥、泡沫等材料做出實(shí)物來(lái)。在設(shè)計(jì)前期做小比例油泥模型，設(shè)計(jì)后期做1：1的全尺寸油泥模型。全尺寸實(shí)物油泥模型，主要作用有兩個(gè)：（1）直觀展現(xiàn)出設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)，可以在實(shí)物上直接修改。在油泥模型上進(jìn)行修改是比較容易了，可以直接用刮刀調(diào)整汽車(chē)造型曲面。（2）對(duì)車(chē)身外部進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，會(huì)受到空氣阻力的作用，而且車(chē)速越大阻力越大。在設(shè)計(jì)階段做風(fēng)洞試驗(yàn)，就是模擬汽車(chē)在高速行駛的情況下，檢測(cè)受到的阻力、升力等數(shù)據(jù)，以便設(shè)計(jì)人員對(duì)車(chē)身進(jìn)行優(yōu)化。[5]

引入3D打印后，汽車(chē)的外形設(shè)計(jì)流程大大簡(jiǎn)化，如圖4所示。

在使用3D打印技術(shù)后，不僅僅是設(shè)計(jì)流程大大簡(jiǎn)化，更是節(jié)省了大量時(shí)間和金錢(qián)。如果車(chē)型需要修改，只需修改三維模型，打印3D樣車(chē)，新車(chē)的外形設(shè)計(jì)就可以完成。在汽車(chē)更新?lián)Q代非?？斓慕裉?，采用這種方式設(shè)計(jì)的汽車(chē)廠(chǎng)商，會(huì)具有更快的設(shè)計(jì)周期，更多的產(chǎn)品類(lèi)型。

3.3 個(gè)性化定制汽車(chē)

汽車(chē)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)師要考慮人機(jī)工程學(xué)來(lái)設(shè)置汽車(chē)座椅高低、儀表盤(pán)布置、后視鏡大小等。人機(jī)工程學(xué)是根據(jù)大部分客戶(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)的，選取最佳的設(shè)計(jì)方案，無(wú)法兼顧每個(gè)客戶(hù)的需求。每個(gè)客戶(hù)買(mǎi)的車(chē)都是從生產(chǎn)流水線(xiàn)上批量生產(chǎn)，毫無(wú)個(gè)性化可言，面對(duì)自己不喜歡或者是不合適的外形、配置等只能被動(dòng)的接受。如果客戶(hù)在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式下要求個(gè)性化，則會(huì)付出極高的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，讓客戶(hù)有了個(gè)性化定制汽車(chē)的可能。消費(fèi)者可根據(jù)自身?xiàng)l件、性別、動(dòng)作習(xí)慣對(duì)廠(chǎng)家提出個(gè)性化要求，比如汽車(chē)外觀的改變、顏色要求、后排座椅變更、儀表盤(pán)排布等。在這種方式下，生產(chǎn)成本不會(huì)大幅提高，卻可以給客戶(hù)提供個(gè)性定制化獨(dú)一無(wú)二的汽車(chē)。

4 目前3D打印技術(shù)存在的問(wèn)題

3D打印技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但是在很多方面和傳統(tǒng)加工方法相比依然存在不足，有以下幾方面問(wèn)題：

4.1 3D打印材料及其強(qiáng)度

目前3D打印材料主流的是金屬、樹(shù)脂、塑料，其他的材料還在研究階段，需要研發(fā)出更多的材料才能在更多領(lǐng)域的大規(guī)模使用。根據(jù)所需零件的要求開(kāi)發(fā)新的材料，并建立材料性能參數(shù)、打印方法、打印零件測(cè)試方法的數(shù)據(jù)庫(kù)。即便是現(xiàn)在能夠打印出一些金屬零件，但是對(duì)于有些零件要求的高強(qiáng)度高韌性金屬材料，現(xiàn)在依然存在技術(shù)難點(diǎn)。

3D打印由于采用添加制造的制造，原材料每層之間是疊加的關(guān)系，層與層之間的連接不如傳統(tǒng)的鑄鍛焊等加工方法。在垂直層方向上的受拉受壓強(qiáng)度也不如傳統(tǒng)方法。比較多的時(shí)候，打印零件只能用做原型，其原因是因?yàn)榱慵砻尜|(zhì)量和精度不高。

4.2 3D 打印機(jī)速度

3D打印機(jī)由于層疊的生產(chǎn)方式，其速度目前還不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。零件的打印體積會(huì)直接影響材料數(shù)量、成本、打印時(shí)間比如：如果要打印三倍體積的零件，花費(fèi)的時(shí)間和成本將是原來(lái)的27倍，越大的零件將花費(fèi)更多的時(shí)間。

4.3 3D打印的價(jià)格。

3D打印采用材料與傳統(tǒng)材料不一樣，單單從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。在3D打印產(chǎn)業(yè)化沒(méi)有完全形成時(shí)，原材料的價(jià)格比較高。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，3D打印核心設(shè)備貴，即3D打印機(jī)的投資大，耗材貴。對(duì)于企業(yè)而言，前期投入非常大，也會(huì)造成打印零件價(jià)格高。

5 結(jié)束語(yǔ)

“具有工業(yè)革命意義”的3D打印技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，汽車(chē)整車(chē)打印、汽車(chē)外形設(shè)計(jì)、個(gè)性化定制汽車(chē)等應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。但3D打印還是存在不少的問(wèn)題，其打印的材料和強(qiáng)度、打印速度、打印價(jià)格有待進(jìn)一步提高。可以肯定的是在未來(lái)汽車(chē)行業(yè)中，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，使用范圍會(huì)更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]李小麗.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表，2014（1）：1-5.

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[3]程美.3D打印技術(shù)及其對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)的影響[J].汽車(chē)工程師，2015（10）：13-15.

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

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