3D打印技术在汽车行业的应用_范武.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n3 D打印技术在汽车行业的应用范 武,张争光,赵德文,程旭伟,彭 锋(吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江 宁波 3 1 5 3 3 6)摘 要:现今使用者对于车辆的要求日趋多样化,厂商对于车辆外观及性能的要求亦各有不同。非标准零件得到了日益广泛的应用。而汽车上的有些关键零件,它们的性能表现能达到设计要求,与汽车性能有关,甚至与驾驶者是否安全息息相关。但这其中多数是不可能一次成型。有的部件直接加工不便,且开模成本较高,对设计者及产品成本都造成极大不便。3 D打印技术应运而生,较好的解决了这一难题。关键词:3 D打印技术;汽车行业;设计制造 中图分类号:U 4 6 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 5 5-0 33 D-p r i n tA p p l i c a t i o no nT h eA u t o m o b i l e I n d u s t r yF a nWu,Z h a n gZ h e n g-g u a n g,Z h a oD e-w e n,C h e nX u-w e i,P e n gF e n g(G e e l yA u t o m o b i l eR e s e a r c hI n s t i t u t e,Z h e j i a n gN i n g b o3 1 5 3 3 6)A b s t r a c t:N o w a d a y s,d r i v e r sh a v ed i v e r s er e q u i r e m e n t s f o rv e h i c l e s,a n dm a n u f a c t u r e r sr e q u i r e f o rd i f f e r e n tv e h i c l ea p p e a r a n c ea n dp e r f o r m a n c e.N o n-s t a n d a r dp a r t sh a v eb e e nw i d e l yu s e d.A n dw h e t h e rs o m ek e yp a r t sc a nm e e t t h ev e h i c l ed e s i g nr e q u i r e m e n t sn o t o n l yd e p e n d so n t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e,b u t i s a l s o r e l a t e d t os a f e-t yo f t h ed r i v e r s.B u tm o s t o f t h e s ep a r t s c a n n o tb ep r o d u c e d j u s tb yo n ep r o c e s s.I t t a k e s l o t so fm o n e y t od e v e l-o pu n i q u em o l dt om a n u f a c t u r es o m ep a r t s,w h i c hc a u s e sg r e a t i n c o n v e n i e n c e t ot h ed e s i g n e ra n dc o m p a n y.3 D-p r i n t t e c h n o l o g y i sn o wb o r na t t h er i g h tm o m e n t a n da i m s t os o l v e s t h e s ep r o b l e m s.K e yw o r d s:3 D-p r i n t t e c h n o l o g y;A u t o m o b i l e i n d u s t r y;D e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g作者简介:范武(1 9 9 0),男,汉族,安徽省全椒县人,现就职于吉利汽车研究院(宁波)有限公司,研究生,高级工程师(汽车),主要研究方向为,汽车总装智能制造,设备工装及制造工艺。1 引言3 D打印是三维打印的一种。它是利用三维模型及材料的性质将待印刷的制品直接印刷成三维形式。C h a l e sH u l l在1 9 8 4年提出3 D打印这一概念并于1 9 8 6年对这一技术进行专利申请。近几年汽车保有量急剧上升。国内外车企纷纷将我国视为全球最大的市场,车企竞争越来越激烈。所以,想要在汽车市场上占有更大的份额,就要在汽车技术,外观以及成本控制上领先一步,3 D技术所特有的优势很适合汽车行业甚至是汽车零部件上的使用与维护。当前3 D打印中,桌面级小范围打印,一般使用F DM打印或者堆叠技术。设计3 D模型和打印机组合由计算机完成。待打印模型是利用材料的属性打印出来的。1 0万以上打印一般采用3 D激光技术(如S L A、S L S等)。采用这种印刷方式,印刷效果比覆膜技术印刷高,成型率高,精度好。当然,由于对产品的需求不同,3 D打印机的精度和体积也会有所不同。目前,一般工业级3 D打印机打印出来的小产品成本在几十万左右。2 3 D打印技术简介3 D打印技术属于高速成型(又称增材制造)技术。数字模型文件,图层模型文件,分层打印形成物体,用粘性材质(例如粉末金属或者塑料)制作。3 D打印一般由数字技术材料打印机来完成,模型制作一般应用于模具制作和工业设计中。在材料科学不断发展的今天,人们已经逐步采用3 D打印技术来直接制造具体产品,而打印出来的零件也采用该技术。该技术在航空航天技术,汽车研发,医疗模式,电子工业和建筑住宅方面都会得到运用。3 3 D打印技术原理3.1 建立3 D数字模型3 D打印技术是一种按需建立3 D数字模型的技术,一般采用扫描成型与软件设计2种建立方法。当现有对象存在时,通过三维扫描仪把对象三维信息转换成直观数字信号进行快速逆向3 D数字建模即扫描建模。借助3 D设计软件实现的3 D数字建模,叫做软件设计。汽车行业中,经 常 使 用 的3 D设 计 软 件 主 要 包 括C a t i a,P r o/e,UG等。3.2 切片处理图1 汽车悬架支架在获得3 D数字模型之后,启动数字模型切片流程,即沿着某一轴线将3 D模型切分为一系列二维平面数据,如图1。常 用 切 片 软 件 主 要 包 括c u r a,s 3 d和R e p e t i e r55DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0022 0 2 3年第8期H o s t三种。与此同时,各大3 D打印机厂商纷纷拥有了自己开发的切片软件。3.3 打印成型技术作为3 D打印技术的主要目标之一,打印成型对于打印的最终质量极为重要。一方面,常用的3 D打印技术包括S L A(液态照明设备)、S L S(选择性准分子激光高温烧结)、F DM(熔融尿酸盐晶体的快速形成)、3 D P(三维白色粉末键合)和DML S(然后是非金属准分子激光高温烧结)等5种。以F DM为例,熔融尿酸盐结晶(F DM)3 D打印技术是将需要的片状材料加热到一定的室温使其熔化,然后用压缩空气挤出。随后是新的编程增量。熔融尿酸盐结晶印刷工艺通常在几乎全部印刷之前采用。一般来说,F DM3 D打印机使用A B S工程塑料、柔性材料所需材料、金属质感所需材料、尼龙材料所需材料等。3.4 打印后处理采用F DM技术印刷的物品较为粗糙且表面纹理清晰,需进行后期加工。一般是通过去除支撑结构,打磨抛光和表面处理以改善制品机械性能,让制品更具有美学悦目感。F DM技术具有简便,成本低等优点。4 3 D打印技术特点及局限性以便宜的价格生产复杂的物品。采用传统制造方法,其外形与结构愈复杂,制造价格愈昂贵。3 D打印无需模具及机械设备,可进行少量个性化定制,利于产品研发与创新。3 D打印无需常规制造加工及其他烦琐步骤,降低因设计变更频繁造成工艺返工及累积损失,缩短产品开发周期。传统机械设备受到多种因素的制约,所生产产品的型号也受到了制约。3 D打印使设计师与用户在不需要机械设备的情况下就可以得到个性化的服务。传统金属加工会浪费大多数金属原材料。3 D打印能够对剩余材料进行回收,免去了烦琐的流水线操作,提高了资源生产力,绿色环保。然而,限制3 D打印原材料发展的关键在于发展,如图2。3 D打印机生产的产品存在精度下降、产品性能与传统生产方式不同等问题。未来谁能制造出门槛更低的3 D技术,谁就能制造出所需的商品,甚至制造出危害社会、危害社会治安的危险物品,造成大量盗版、复制艺术品等,以及对知识产权的损害的行为。图2 测试模型5 目前3 D打印技术存在的问题5.1 3 D打印材料及其强度当前,主流3 D打印材料包括金属,树脂,塑料等。有些材料尚处在研究阶段,要想广泛地应用于更多的领域,就必须研制出更多的产品。尽管目前能印刷某些金属零件,但对某些要求高强度和高韧性的金属材料来说,仍然存在着技术上的困难。由于3 D打印采用增材制造的方式,各层原料间的关系相互叠加,层间的衔接没有铸造,锻造和焊接等传统加工方式好。与帘布层垂直方向拉伸与压缩强度亦劣于传统方法,较多情况下由于零件表面质量与精度较低,所印零件仅能做原型。5.2 3 D打印机速度由于分层生产方式的应用,当前3 D打印机在速度上无法适应大批量生产要求。零件打印量的多少,将对材料量,成本,打印时间等产生直接的影响。比如打印体积为3倍的部件,耗时及费用都会比原件高出2 7倍,而且体积越大部件所需时间越长。5.3 3 D打印的价格三维打印用材料和已有材料有很大区别。在经济上并不具备明显优势。在3 D打印产业化还未全面形成时,原材料价格较高。在工业生产方面,3 D打印核心设备价格昂贵。这就决定了3 D打印机投入大,耗材多。对于企业而言,前期的巨额投入,也使得印刷零部件价格居高不下。6 3 D打印技术在汽车行业应用6.1 在生产领域应用世界上第一辆3 D打印汽车于2 0 1 0年登陆美国,是一款由电池和汽油驱动的三轮混合动力汽车。打印整辆汽车需要2 5 0 0小时,工人只需要组装所有零件。它的生产周期比传统汽车生产快得多,而且不需要模具、机器、流水线等。在更新新车型的过程中,设计师可以调整相关的3 D模型,修改相应的参数,获得现有汽车生产无法实现的新车型。将3 D打印应用到汽车外观上,可以摆脱高端奢华的个人定制,设计师可以摆脱传统机械制造工艺的想象,摆脱汽车外观的束缚,一切想象中的想法都能成为现实。6.2 在零部件生产应用汽车零部件样机开发量非常大,常规样机开发周期已无法适应现代汽车飞速发展的要求。3 D打印既缩短了打印开发周期又减少了打印成本。尤其是在科技不断发展的今天,各部件的外形及结构日趋复杂,增加了模具研制及生产难度。3 D打印技术能够较好的克服这一难题。而从材质上看,并不局限于树脂或者工程塑料,金属材料同样能迅速成形。目前我国有很多企业采用3 D打印技术来制造气缸,传动齿轮以及其他常用的零部件,如图3。图3 汽车悬架支架6.3 在维修领域应用3 D打印对于汽车维修技术,备件库存等方面都有较大影响。在替换和修理的备件不足的情况下,研制有关模具是浪费、费资金和时间的。技术人员可直接利用3 D打印对伤口进行修补,也可打印供不应求的部件以延长关键65内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n结构寿命。在大型、不可动现场作业机械发生故障后,可带3 D打印机到场检修。另外,汽车维修常用的专用工具或者品牌专用工具有的需求并不是很高,购买起来也比较困难。3 D打印能够直接解决这一难题。6.4 个性化定制汽车在汽车设计与制造中,设计师需要综合考虑人机工程学对汽车座椅高度,仪表板布置,后视镜尺寸进行设置。人机工程学以多数顾客数据