王科委 王昉

上汽通用汽車(chē)有限公司 上海市 201206

1 引言

隨著科技不斷進(jìn)步，汽車(chē)行業(yè)也迎來(lái)了高速發(fā)展及電氣變革，各種車(chē)企新勢(shì)力如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，車(chē)型更新迭代的速度也越來(lái)越快。相比而言，傳統(tǒng)汽車(chē)研發(fā)周期一般需要3～5 年，如此長(zhǎng)的研發(fā)周期早已不適應(yīng)客戶對(duì)汽車(chē)個(gè)性化、智能化、定制化的需求，更加無(wú)法適應(yīng)日益嚴(yán)峻的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。壓縮車(chē)型研發(fā)周期，降低車(chē)型研發(fā)成本成為每個(gè)車(chē)迫在眉睫需要解決的的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)。不同于生產(chǎn)工廠的量產(chǎn)項(xiàng)目，樣車(chē)試制車(chē)間每年的承接項(xiàng)目具有車(chē)型新，零件新、造車(chē)量少、工程變化量大等特點(diǎn)。作為汽車(chē)新車(chē)型量產(chǎn)前的最重要的環(huán)節(jié)之一，在樣車(chē)試制過(guò)程中解決因產(chǎn)品研發(fā)周期壓縮造成的零件缺失或零件并非最終設(shè)計(jì)狀態(tài)、正常量產(chǎn)需提前驗(yàn)證工裝定位策略、制造是否可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求需要提前驗(yàn)證等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)在試制過(guò)程中充分地驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)并提前推動(dòng)問(wèn)題解決，最終推動(dòng)并助力新車(chē)型順利量產(chǎn)，成為樣車(chē)試制的核心價(jià)值及職責(zé)所在。

3D 打印技術(shù)正式因?yàn)橹圃熘芷诙?，制造成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多的應(yīng)用于汽車(chē)及樣車(chē)試制過(guò)程中。3D 打印技術(shù)作為增材制造技術(shù)，是工業(yè)4.0 時(shí)代最具發(fā)展前景的制造技術(shù)之一，是一種基于離散堆積成形思想的新型成型技術(shù)，其原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解成若干平面切片，然后將打印材料按切片圖形逐層制造疊加，最終堆積成完整的物體。與傳統(tǒng)的等材制造及減材制造技術(shù)（例如鑄、鍛、焊、車(chē)、銑、刨等）相比，3D 秉承“分層制造，逐層疊加”的核心原理，單次打印一體成型，打印過(guò)程中由設(shè)備控制工藝步驟及制造精度，無(wú)須人工操作，加工精度和復(fù)制性皆優(yōu)于傳統(tǒng)制造技術(shù)。采用3D 打印技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，打印技術(shù)不需要專門(mén)的模具和夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)都不受其他約束，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成型，同時(shí)因?yàn)槠涑尚驮砜梢允∪ツ＞叩闹谱髋c準(zhǔn)備，極大的降低了開(kāi)發(fā)周期及開(kāi)發(fā)成本。因此，3D 打印技術(shù)正在越來(lái)越多地被應(yīng)用于樣車(chē)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)：樣件準(zhǔn)備、工裝制作、設(shè)計(jì)驗(yàn)證評(píng)估、制造評(píng)估等。

圖1 三種制造方式(等材制造、減材制造、增材制造)

2 3D 打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D 打印技術(shù)種類繁多，發(fā)展迅速，因成型材料的不同，3D 打印技術(shù)可分為金屬3D 打印和塑料3D 打印。但因?yàn)榻饘?D打印僅能打印十幾種金屬，主要包括鋁合金、鈦合金、模具鋼、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵鎳合金和銅合金金屬等，而且因金屬3D打印粉末材料技術(shù)壁壘較高、生產(chǎn)困難，導(dǎo)致市場(chǎng)產(chǎn)量不足，金屬打印材料價(jià)格居高不下，目前主要主要應(yīng)用于航空航天、模具制造等領(lǐng)域。而且，金屬3D 打印件需要對(duì)支撐件進(jìn)行切割及二次加工，操作的繁雜性也限制了金屬3D 打印的推廣。塑料3D 打印工藝根據(jù)成型工藝和材料的不同又有很多細(xì)分，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)沉淀，逐漸形成了四種主流3D 打印工藝：立體光固化技術(shù)(SLA-Stereolithography)、多噴頭噴射技術(shù) (Polyjet)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS-Selected Laser Sintering)、熔融堆積成型 技術(shù)(FDMFused Deposition Modeling)。

立體光固化技術(shù)以光敏樹(shù)脂為原料，紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)樹(shù)脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，在原先固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂以便進(jìn)行下一層掃描固化。多噴頭噴射技術(shù)類似于行式噴墨打印機(jī)。在成型截面上根據(jù)當(dāng)前層的輪廓精確、迅速地噴射出一層極薄的光敏樹(shù)脂（0.016mm)紫外光用以快速固化和硬化當(dāng)前層的光敏樹(shù)脂。每打印完成一層后，系統(tǒng)內(nèi)的成型底盤(pán)將精確地下降0.016mm，如此反復(fù)，直至成型件的完成。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用CO激光器（氣體激光器）作能源，使用的造型材料為粉末材料。加工時(shí)，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點(diǎn)的溫度，然后將粉末鋪平；激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)。一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末。熔融堆積成型技術(shù)工藝是保持半流動(dòng)成型材料剛好在熔點(diǎn)之上，材料為各種特性塑料。噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的熔絲材料從噴頭中擠壓出來(lái)，凝固形成輪廓形狀的薄層。每層厚度范圍在0.025～0.762mm，一層疊一層最后形成整個(gè)零件模型。不同打印工藝的后處理工序也各不相同，可以根據(jù)工作場(chǎng)地及需求進(jìn)行合理的選取。

3 3D 打印工作流程

3D 打印開(kāi)始前，需要根據(jù)用戶需求及應(yīng)用場(chǎng)景選取相應(yīng)的3D 打印技術(shù)。一般使用3D 打印技術(shù)完成一件產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：數(shù)模設(shè)計(jì)、數(shù)模優(yōu)化、打印設(shè)置以及后處理，具體流程如圖2 所示。

圖2 3D 打印業(yè)務(wù)工作流程

數(shù)模設(shè)計(jì)可以使用一般的數(shù)模建模軟件(例如Pro/E、UG、Solidworks 等)，通過(guò)三維建模的方式設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)品3D 模型；對(duì)已有物品的3D 建模還可以通過(guò)3D掃描設(shè)備逆向生成三位模型，然后處理后形成3D 打印模型。對(duì)已有的3D 數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化，例如對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)、薄壁加強(qiáng)以及對(duì)分離的實(shí)體進(jìn)行合并處理等，可以保證數(shù)模的準(zhǔn)確性及打印的精益性，保證后續(xù)打印切片的順利完成。打印設(shè)置除了完成3D 打印的數(shù)模切片外，可以設(shè)置數(shù)模打印的形式(實(shí)體打印、空心打印、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等)，同時(shí)可以優(yōu)化支撐添加的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃噴頭的路徑，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的打印設(shè)置。打印結(jié)束后，需要根據(jù)不同過(guò)的3D 打印工藝去除支撐、做拼接等后處理。

4 3D 打印應(yīng)用于樣車(chē)試制的案例介紹

4.1 3D 打印快速樣件

在樣車(chē)試制過(guò)程中，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)及準(zhǔn)備周期壓縮或者產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更等原因造成零件無(wú)法按時(shí)交付時(shí)，為了保證試制車(chē)輛的正常進(jìn)度并對(duì)零件進(jìn)行充分驗(yàn)證，可以通過(guò)3D 打印技術(shù)準(zhǔn)備快速樣件支持樣車(chē)的試制工作，3D 打印技術(shù)響應(yīng)快且成本低的特點(diǎn)顯現(xiàn)得尤為明顯（圖3 汽車(chē)燈罩的3D 打印件）。設(shè)計(jì)階段零件造型評(píng)估及評(píng)審需求，也可以通過(guò)3D 打印零件來(lái)實(shí)現(xiàn)，減少了模具開(kāi)發(fā)的等待周期，同時(shí)降低了后續(xù)模具修改的機(jī)率，從而推動(dòng)新車(chē)型的快速高效量產(chǎn)。

圖3 3D 打印汽車(chē)燈罩

4.2 3D 打印總裝匹配類小工裝

為了保證匹配精度，在車(chē)輛制造過(guò)程中需要匹配類工裝支持裝配，例如銘牌安裝工裝、前保中支架安裝工裝、前后蓋鎖安裝工裝等。傳統(tǒng)的總裝小工裝大多數(shù)在供應(yīng)商處完成，采購(gòu)周期和供貨周期較長(zhǎng)，且問(wèn)題整改反饋相對(duì)不及時(shí)。而將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于總裝的小工裝后，小工裝整體的準(zhǔn)備周期大大縮短，同時(shí)能及時(shí)響應(yīng)工裝在試用過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。圖4 為3D 打印總裝匹配類小工裝，3D 打印的工裝具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)，而且輕量化表現(xiàn)優(yōu)異。

圖4 3D 打印總裝匹配類小工裝

4.3 3D 打印人機(jī)模擬評(píng)估件

人機(jī)工作的重點(diǎn)在于提前識(shí)別生產(chǎn)中無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求的問(wèn)題項(xiàng)并推動(dòng)解決，難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)的真實(shí)模擬。3D 打印技術(shù)只需要設(shè)計(jì)數(shù)模就可以實(shí)現(xiàn)百分百的設(shè)計(jì)環(huán)境實(shí)際打印模擬，可以在最早期實(shí)現(xiàn)人機(jī)問(wèn)題的模擬和識(shí)別，推動(dòng)早期設(shè)計(jì)狀態(tài)的優(yōu)化和更改，極大地節(jié)省了后續(xù)硬模開(kāi)發(fā)及量產(chǎn)的設(shè)計(jì)更改費(fèi)用。圖5為3D 打印汽車(chē)變速箱裝配模擬件，對(duì)人機(jī)軟件判斷的人機(jī)問(wèn)題進(jìn)行了模擬和判斷，推動(dòng)了設(shè)計(jì)的早期更改。

圖5 3D 打印汽車(chē)變速箱裝配模擬件

5 展望

隨著用戶需求多樣化以及汽車(chē)迭代速度越來(lái)越快的驅(qū)動(dòng)，樣車(chē)試制車(chē)間也需要對(duì)越來(lái)越多的工程驗(yàn)證需求做出快速響應(yīng)。3D 打印技術(shù)成型快、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印等特點(diǎn)，使得其在樣車(chē)試制過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。下一步樣車(chē)3D 打印的工作重點(diǎn)將基于工程驗(yàn)證、裝配用小工裝、人機(jī)模擬等的基本需求之上，優(yōu)化3D 打印的路徑及起始位置，最大限度的挖掘和實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和材料特性的最優(yōu)化應(yīng)用，不斷提升3D 打印的應(yīng)用和拓展能力，為整車(chē)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品順利量產(chǎn)助力。