【解析】3D打印技術在汽車業(yè)的應用及前景展望

未來3D打印技術將在汽車等各行業(yè)中發(fā)揮極為重要的作用,，未來的制造工廠將會由許多工業(yè)級3D打印設備組成。隨著各類3D打印技術的不斷發(fā)展,，未來汽車制造將隨之發(fā)生重大變革,。

盡管3D打印技術在汽車行業(yè)內的應用尚處于相對初級的階段，但該技術的應用已在汽車行業(yè)掀起一輪新的制造技術革新,。
2014年，美國洛克汽車公司（Local Motors）利用其打印設備,，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）及碳纖維混合物（配比：80/20）為材料,，打造了全球首輛3D打印車輛——Strati。2016年,，本田發(fā)布新版微通勤（Micro-Commuter）電動車,，該車型的制造也應用了3D打印技術。隨后，其他車企也紛紛跟進,，利用3D打印技術來制造關鍵零部件（key components），旨在保障始終如一的產品品質,、可靠的產品性能并積極致力于持續(xù)縮短投產準備階段（lead-time）的耗時,。

據一份名為《全球3D打印汽車市場分析與發(fā)展趨勢——2025年行業(yè)預測（Global 3D Printing Automotive Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025）》的新報告預計,，截止至2025年,，3D打印設備的應用將增長10%,，其中大部分設備將被用于轎車,、卡車零部件的制造。

3D打印技術及優(yōu)缺點分析

目前，汽車行業(yè)已采用了多種3D打印技術,，包括：電子束熔融（electron beam melting,，EBM）、熔融沉積造型（fused disposition modeling,，F(xiàn)DM）,、分層實體制造（laminated object manufacturing,，LOM）,、三維打印（three dimensional printing）,、立體光刻造型（stereolithography）、選擇性激光燒結（selective laser sintering,，SLS）。以下為小編整理的技術盤點：

電子束熔融（EBM）
其簡稱為EBM技術,，是一項新興的先進金屬快速成型添加式制造（form additive manufacturing）技術，采用電子束替代激光打印頭或熱敏打印頭,，電子束熔融工藝常用于制造致密金屬件（incredibly dense metal parts）。

工藝原理：
先將零件的三維實體模型數(shù)據導入EBM設備，然后將一層微細金屬粉末薄層平鋪在EBM設備的工作艙內,，利用高能電子束經偏轉聚焦后在焦點所產生的高密度能量，使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區(qū)域產生高溫,，導致金屬微粒熔融,。電子束連續(xù)掃描將使一個個微小的金屬熔池相互融合并凝固，連接后形成線狀和面狀金屬層,。

優(yōu)點：
1. 電子束穿透能力強，焊縫深寬比大,，可達到50:1,。
2. 焊接速度快,，熱影響區(qū)小，焊接變形小,。
3. 真空環(huán)境利于提高焊縫質量,。
4. 焊接可達性好,。
5. 電子束易受控。
缺點：
1. 設備比較復雜,，費用比較昂貴,。
2. 焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格,，以保證接頭位置準確,，間隙小而且均勻。
3. 真空電子束焊接時,，被焊工件尺寸和形狀常常受到真空室的限制,。
4. 電子束易受雜散電磁場的干擾，影響焊接質量,。
5. 電子束焊時產生的X射線需要嚴加防護以保證操作人員的健康和安全,。

熔融沉積造型（FDM）
這是一項添加式制造（additive manufacturing，AM）技術，其常用于造型,、原型制作（prototyping）及生產應用中,。這項3D打印技術由美國學者Scott Crump于1988年研制成功。FDM通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態(tài),，通過打印頭擠出后固化,，最后在立體空間上排列形成立體實物。

工藝原理：
將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體,，將熔化后的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動,，擠出半流動的熱塑材料,，沉積固化后形成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上,，并在0.1秒內迅速凝固,。每完成一層成型，工作臺便下降一層高度,，噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲,，如此反復逐層沉積，直到最后一層,，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件,。
優(yōu)點：成型精度更高、成型實物強度更高,、可以彩色成型,。
缺點：成型后表面粗糙

分層實體制造（LOM）

又稱層疊法成形，由美國Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功,。


工藝原理：其采用薄片材料,，如紙、塑料薄膜等,。事先在片材表面涂覆上一層熱熔膠,，加工時，采用熱壓輥熱壓片材,，使之與下面已成形的工件粘接,；用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內切割出上下對齊的網格,；激光切割完成后,，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離,；供料機構轉動收料軸和供料軸,，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域,；工作臺上升到加工平面,；熱壓輥熱壓,，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚,；再在新層上切割截面輪廓,。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完,，得到分層制造的實體零件,。

優(yōu)點：
1. 成型速度較快。由于只需要使用激光束沿物體的輪廓進行切割,，無需掃描整個斷面,。因此，成型速度很快,，該技術常被用于加工內部結構簡單的大型零件,。
2. 原型精度高，翹曲變形小,。
3. 原型能承受高達200攝氏度的溫度,，硬度較高、力學性能較好,。
4. 無需設計和制作支撐結構,。
5. 可進行切削加工。
6. 廢料易剝離,，無需后固化處理,。
7. 可制作尺寸大的原型。
8. 原材料價格便宜,，原型制作成本低,。
缺點：
1. 不能直接制作塑料原型。
2. 原型的抗拉強度和彈性不太好,。
3. 原型易吸濕膨脹,，因此，成型后應盡快進行表面防潮處理,。
4. 原型表面有臺階紋理,，難以構建形狀精細、多曲面的零件,。因此,，成型后需進行表面打磨。

在這種快速成形機上,，截面輪廓被切割和疊合后所成的制品,，如上圖所示。其中，所需的工件被廢料小方格包圍,，剔除這些小方格之后,，便可得到三維工件。

LOM常用材料是紙,、金屬箔,、塑料膜、陶瓷膜等,，除制造模具,、模型外，該工藝還能直接制造結構件或功能件,。
該快速成型技術的出現(xiàn),，還能較好地迎合了車燈結構與外觀開發(fā)的需求，上圖的零部件就采用了該工藝,。


3維打印
類似于傳統(tǒng)的二維噴墨打印，可以打印超高精細度的樣件,，適用于小型精細零件的快速成型,。

工藝原理：
沿著X軸前后滑動，在成型室里鋪上一層超薄的光敏樹脂,。每鋪完一層后,，噴頭架邊上的紫外光球立即發(fā)射紫外光，快速固化和硬化每層光敏樹脂,。該步驟減少了使用其他技術所需的后處理過程,。每打印完一層，機器內部的成型底盤就會極為精確地下沉,，而噴頭繼續(xù)一層一層地工作,，直到原型件完成。成型時使用了兩種不同的光敏樹脂材料：一種是用來成型實體部件的成型材料,，另一種類膠體的用來支撐部件的支撐材料,。

優(yōu)點：成型精度高，可以彩色成型,。
缺點：成型表面粗糙,，材料強度差，成型后表面細節(jié)差,。

立體光刻造型
工藝原理：
先由軟件把3D的數(shù)字模型,，“切”成若干個平面，這就形成了很多個剖面,，在工作的時候,，有一個可以舉升的平臺，這個平臺周圍有一個液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體,，紫外線激光會從底層做起,，固化最底層的，然后平臺下移,，固化下一層,，如此往復，直到最終成型,。

優(yōu)點：精度高,，可以表現(xiàn)準確的表面和平滑的效果，精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米,。
缺點：可以使用的材料有限,，并且不能多色成型。


選擇性激光燒結（SLS）

工藝原理：
將3D模型薄片化之后,，在一個容器內,，讓其充滿待燒結的材料粉末，這些粉末可以做的很細,，然后由大功率的二氧化碳激光,，選擇最底層的3D切片形狀開始燒結，然后平臺下移,，材料輥則在已經燒結的部分基礎之上,，再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結，如此往復,，直到整體成型,。
優(yōu)點：材料的強度非常高，可選材料從金屬到聚苯乙烯等等,，可選材料范圍非常廣泛,。
缺點：成型精度低，成型后表面粗糙,，不能彩色成型,。

汽車行業(yè)已開始涉足上述六大類3D打印制造工藝，旨在打造低成本,、個性化的車輛,。許多車企還采用了數(shù)碼技術，用于車輛的原型制作,、測試及各類工具,、機床夾具（jigs）、固定裝置（fixtures）及零部件的生產制作,。對車企而言,，盡管3D打印技術尚處于初創(chuàng)期,，但3D打印技術及其設備將助推汽車行數(shù)字化制造變革，其作用無疑是至關重要的,。

來源：蓋世汽車