周敏　劉鋒　楊才峰　陸奇能

摘 要：本文首先介紹了當(dāng)下各車企研發(fā)階段所面臨的降本提效的挑戰(zhàn)以及3D打印技術(shù)的發(fā)展為汽車研發(fā)降本提效帶來的機(jī)遇。其次對(duì)汽車研發(fā)試制和汽車領(lǐng)域常用的四種3D打印技術(shù)進(jìn)行的展開介紹。并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)四種3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)試制階段的不同適用場(chǎng)景進(jìn)行了總結(jié)。最后，對(duì)3D打印未來在樣車及樣件試制領(lǐng)域中大尺寸、材料多元化、規(guī)模集約化、低成本化和多工藝融合五個(gè)方向的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了歸納。

關(guān)鍵詞：汽車試制 3D打印 汽車研發(fā) 樣車試制 樣件試制

1 引言

近年來，在國(guó)家政策的支持下，汽車電動(dòng)化迅速發(fā)展。各路造車新勢(shì)力如雨后春筍般涌現(xiàn)，為汽車制造業(yè)帶來了生機(jī)，同時(shí)也帶來了更大的挑戰(zhàn)。一方面，用戶在變化，以往的用戶更多地關(guān)注汽車的性能，質(zhì)量，現(xiàn)在的用戶更加關(guān)注汽車的個(gè)性化，智能化等。在滿足用戶需求上，造車新勢(shì)力推出一款新產(chǎn)品周期約為2～3年，而傳統(tǒng)車企則需要3～5年，周期長(zhǎng)，無法滿足用戶日益變化的，個(gè)性化的需求。另一方面，競(jìng)爭(zhēng)格局在變化，中國(guó)汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，以往不被看好的國(guó)產(chǎn)車，沿著新能源賽道正逐步實(shí)現(xiàn)追趕，甚至實(shí)現(xiàn)彎道超車。各車企不得不打價(jià)格戰(zhàn)，利潤(rùn)空間被極限壓縮。如何以更快的速度，更低的成本推出滿足中國(guó)市場(chǎng)用戶的汽車產(chǎn)品，是每個(gè)車企當(dāng)下所面臨的挑戰(zhàn)。

在汽車研發(fā)的V字模型中，試制承擔(dān)著將設(shè)計(jì)師想法由虛擬轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)，提供各類試驗(yàn)載體進(jìn)行造型驗(yàn)證，功能驗(yàn)證的重要職責(zé)。每款車型僅試制階段約為2年，試制成本占研發(fā)費(fèi)約10%，究其根本，使用試制模具制作小批量樣件是試制階段花費(fèi)高周期長(zhǎng)的原因。如果能改善此方式，則試制降本提效就能實(shí)現(xiàn)。

3D打印技術(shù)的發(fā)展為上述想法提供了一種可能。據(jù)左世全《增材制造十年發(fā)展及展望》[1]數(shù)據(jù)顯示，在過去十年我國(guó)的3D打印制造產(chǎn)業(yè)取得了很好的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模在2012～2022年間由10億元增至320億元。其在航空航天，醫(yī)療和汽車領(lǐng)域都有非常好的發(fā)展。

3D打印的技術(shù)核心在于“降維”。就是將三維數(shù)模轉(zhuǎn)化為二維的切片，再通過逐層打印的方式制造零部件。相比其他樣件試制工藝，其特點(diǎn)在于：

a．所制造零件不受零件造型和結(jié)構(gòu)限制，可以360°無死角加工；

b．不需要制作模具及夾具，因此制作周期更短，成本更低。

2 汽車研發(fā)試制簡(jiǎn)介

汽車研發(fā)試制屬于批量開發(fā)階段，使用試制手段呈現(xiàn)設(shè)計(jì)師想法，是最早見證新產(chǎn)品實(shí)物的階段，其主要業(yè)務(wù)大致可以分為三類，即樣車試制，模型試制和樣件試制。

樣車試制：主要指概念車，試驗(yàn)車，原型樣車，色彩驗(yàn)證車等。其目的在于驗(yàn)證造型設(shè)計(jì)，色彩定義，零部件、系統(tǒng)或整車功能性能等。

模型試制：主要指內(nèi)外飾模型，人機(jī)工程學(xué)模型，色彩模型，風(fēng)洞模型等。其目的在于驗(yàn)證設(shè)計(jì)師的想法，人機(jī)工程學(xué)或風(fēng)阻系數(shù)等是否滿足要求。

樣件試制：主要指使用真空注塑，低壓注塑，CNC銑削等工藝生產(chǎn)汽車相關(guān)零部件，如內(nèi)外飾，底盤范圍零件等。其目的在于對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，或支撐樣車及模型的制作。

3 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)被認(rèn)為是改變世界的技術(shù)。自1984年面世以來，經(jīng)歷了商業(yè)化發(fā)展（1988-1992）和蓬勃發(fā)展期（2006-2014）。國(guó)內(nèi)3D打印行業(yè)是在過去十年內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。根據(jù)3D打印的成型方式，大致可以分為光聚合成型，材料擠壓成型，材料/粘合劑噴射成型，粉末床熔化成型，直接能量沉積成型五大類[2]。

盡管3D打印技術(shù)百花齊放，實(shí)際應(yīng)用中常見的只有SLA，SLS，F(xiàn)DM和SLM四種。下面就4種工藝及特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

SLA：SLA的原材料是光敏樹脂，通過控制激光聚焦到液態(tài)光敏樹脂表面，發(fā)生聚合反應(yīng)，使光敏樹脂固化成型。隨著升降臺(tái)逐層下降，光敏樹脂逐層固化疊加形成零件。

SLS：SLS的原材料多為粉末，使用激光器逐層將粉末加熱熔化并粘結(jié)到一起。供料缸上行逐層鋪粉，成型缸逐層下移完成燒結(jié)。

SLM：SLM為金屬3D打印，可使用鋁合金，不銹鋼，鈦鎳合金等多種原材料，其成型原理與SLS相同，區(qū)別在于激光器的功率更高。

FDM： FDM的原材料為線材。通過加熱頭將線材熔化，通過設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制材料按零件外形進(jìn)行逐層涂覆。

各成型工藝材料性能，加工速度和樣件質(zhì)量各有優(yōu)缺點(diǎn)，與常見的小批量工藝對(duì)比如表1所示。

總體而言，相較于其他快速成型工藝，3D打印工藝適用于需求量少，尺寸小且工期緊的應(yīng)用場(chǎng)景。

4 3D打印技術(shù)在汽車試制中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在汽車試制中的應(yīng)用主要包括：

a．焊裝及總裝模具及工裝輔具

b．零部件造型驗(yàn)證

c．小批量快速樣件試驗(yàn)車裝車保障

d．硅膠模母件/嵌件制作

e．零部件結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

在有數(shù)模數(shù)據(jù)的前提下，可以依據(jù)3D打印的工藝特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加強(qiáng)，簡(jiǎn)化等優(yōu)化，使用數(shù)據(jù)切片軟件進(jìn)行編程打印加工。加工完成的樣件無法直接使用，需去掉毛刺，支撐，對(duì)表面進(jìn)行打磨拋光處理才能符合要求。金屬打印更為特殊，需要使用CNC進(jìn)行后處理加工，其表面精度方為最終狀態(tài)。

a．焊裝及總裝模具及工裝輔具

焊接試制車身時(shí)多為手工焊接，無法準(zhǔn)確定位焊點(diǎn)和焊柱位置，導(dǎo)致焊接效率和質(zhì)量低下。這時(shí)可使用SLS或SLA工藝制作焊點(diǎn)工裝輔具，協(xié)助工人迅速完成焊接[3]。

樣車總裝裝配或批量生產(chǎn)線在裝配內(nèi)外飾零部件時(shí)，往往需要SLA工藝制作的輔具，來協(xié)助裝配工人確定裝配位置，如字標(biāo)裝配輔具，座椅安裝定位輔具等。需注意的一點(diǎn)是，3D打印樣件在固化成型階段存在變形，可用于粗定位，但不建議用于精確定位。

SLM工藝在模具方面也有應(yīng)用，鉑力特使用SLM工藝制作了輪胎模具，成型時(shí)間僅為87h，大大縮短了輪胎的制作周期[4]。

b．零部件造型驗(yàn)證

產(chǎn)品概念開發(fā)階段，零部件造型需經(jīng)過各級(jí)評(píng)審。通過查看虛擬的數(shù)據(jù)，無法直觀的判斷造型方案的優(yōu)劣。因此，可通過SLA或者FDM工藝快速制作出原型，將方案直觀地呈現(xiàn)在評(píng)委面前，可協(xié)助方案快速通過評(píng)審。圖5為SLA工藝制作并組裝后的水杯架造型展示樣件。

針對(duì)后裝市場(chǎng)或設(shè)計(jì)師天馬星空的想法也可以借助3D打印加工不受限的特點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。

c．小批量快速樣件試驗(yàn)車裝車保障

批量開發(fā)階段，為驗(yàn)證整車功能和性能，需試裝約30～60輛試驗(yàn)車。內(nèi)外飾及電器控制器類支架以及臨時(shí)替代零部件等一些小尺寸零件可以通過SLS工藝進(jìn)行試制。SLS工藝結(jié)合尼龍，尼龍及玻纖顆粒等材料所制作的樣件強(qiáng)度出眾，能滿足試驗(yàn)車在未來1～2年內(nèi)的各種測(cè)試。

d．硅膠模母件/嵌件制作

當(dāng)需試制零件數(shù)量在30份左右時(shí)，往往會(huì)采用硅膠復(fù)模工藝進(jìn)行小批量試制。若采用CNC數(shù)控銑削制作母件，投入的材料成本，設(shè)備折損等非常高昂。相反，采用SLA或FDM工藝制作母件，速度快，成本低。

而SLS工藝制作的卡扣，軟管內(nèi)部支撐類附件，可以作為嵌件放入硅膠模具中進(jìn)行一體澆注，減少粘接等后處理工作，強(qiáng)度也更有保障。

e．零部件結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

電動(dòng)車的盛行需要各車企極力挖掘整車輕量化潛力。西安鉑力特公司就鑄造的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了輕量化處理，并使用SLM金屬3D打印一體成型，實(shí)現(xiàn)了33%的減重，進(jìn)度和質(zhì)量也得到了保障[4]。

5 3D打印技術(shù)在汽車試制領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，3D打印技術(shù)勢(shì)必會(huì)迎來黃金發(fā)展期。但目前3D打印技術(shù)仍然存在著諸如原材料種類少，打印尺寸受限，企業(yè)方裝機(jī)量小不成規(guī)模等問題。所以，該技術(shù)未來在汽車領(lǐng)域的發(fā)展必然會(huì)向大尺寸，材料多元化，規(guī)模集約化，低成本化和多工藝融合方向進(jìn)行發(fā)展。

大尺寸：當(dāng)前SLS打印工藝的成型尺寸多在400mm上下，SLA和FDM工藝約在600-800mm，SLM工藝約為200-300mm。決定了只能制作小支架，A/B柱蓋板級(jí)零件。未來3D打印制作保險(xiǎn)杠級(jí)零件也會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

材料多元化：常用的原材料包括尼龍，ABS，PA12，PA11，鋁合金，不銹鋼等。未來隨著技術(shù)精進(jìn)，各類合金，復(fù)合材料粉末將會(huì)被研發(fā)并應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

規(guī)模集約化：各主機(jī)廠為控制投入產(chǎn)出比，往往限制3D打印裝機(jī)量，一般為3～5臺(tái)。數(shù)量少或分散在各個(gè)部門。而傳統(tǒng)試制零部件供應(yīng)商無法下定決心大量投資打印設(shè)備。所以，為彌補(bǔ)裝機(jī)量小帶來的產(chǎn)能不足問題，在各主機(jī)廠及零部件供應(yīng)商內(nèi)部建設(shè)集約化的3D打印中心是未來趨勢(shì)。

低成本化：當(dāng)前常見工藝每克約4元，當(dāng)行業(yè)充分競(jìng)爭(zhēng)，裝機(jī)量迸發(fā)和原材料有多種選擇后，3D打印樣件的成本會(huì)進(jìn)一步降低。現(xiàn)個(gè)別工藝已經(jīng)降低至0.8元每克。

多工藝融合：3D打印成型快，強(qiáng)度足，但制作大尺寸平面類零件時(shí)變形嚴(yán)重。未來在汽車領(lǐng)域，3D打印與真空注塑，低壓注塑，CNC銑削等工藝的組合，制作的零部件性能會(huì)更優(yōu)，效率也會(huì)更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]左世全.增材制造十年發(fā)展及展望 [R] 增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì). 2023.

[2]看制造業(yè)新技術(shù)如何改變世界.[M]經(jīng)濟(jì)學(xué)人.

[3]周秀梅，高志剛，張灝辰.3D打印技術(shù)在樣車試制車身焊接模板中的應(yīng)用[J]. 時(shí)代汽車.2019（20）.

[4]王第伍，鉑力特介紹[M]. 2023.10.26.