【解析】3D打印技術(shù)在汽車業(yè)的應(yīng)用及前景展望

未來3D打印技術(shù)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(shè)備組成。隨著各類3D打印技術(shù)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(shù)在汽車行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用尚處于相對初級的階段,，但該技術(shù)的應(yīng)用已在汽車行業(yè)掀起一輪新的制造技術(shù)革新,。
2014年，美國洛克汽車公司（Local Motors）利用其打印設(shè)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(yīng)用了3D打印技術(shù)。隨后,，其他車企也紛紛跟進,，利用3D打印技術(shù)來制造關(guān)鍵零部件（key components），旨在保障始終如一的產(chǎn)品品質(zhì)、可靠的產(chǎn)品性能并積極致力于持續(xù)縮短投產(chǎn)準(zhǔn)備階段（lead-time）的耗時,。

據(jù)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(yù)測（Global 3D Printing Automotive Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025）》的新報告預(yù)計,，截止至2025年，3D打印設(shè)備的應(yīng)用將增長10%,，其中大部分設(shè)備將被用于轎車,、卡車零部件的制造。

3D打印技術(shù)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(shù),，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(jié)（selective laser sintering，SLS）,。以下為小編整理的技術(shù)盤點：

電子束熔融（EBM）
其簡稱為EBM技術(shù),，是一項新興的先進金屬快速成型添加式制造（form additive manufacturing）技術(shù)，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(jù)導(dǎo)入EBM設(shè)備，然后將一層微細金屬粉末薄層平鋪在EBM設(shè)備的工作艙內(nèi),，利用高能電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦后在焦點所產(chǎn)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(chǎn)生高溫，導(dǎo)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(zhì)量,。
4. 焊接可達性好,。
5. 電子束易受控,。
缺點：
1. 設(shè)備比較復(fù)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(zhǔn)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(zhì)量。
5. 電子束焊時產(chǎn)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(shù)，其常用于造型,、原型制作（prototyping）及生產(chǎn)應(yīng)用中,。這項3D打印技術(shù)由美國學(xué)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(zhǔn)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(nèi)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(fù)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(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)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(gòu)轉(zhuǎn)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(fù)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(shù)常被用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xué)性能較好,。
4. 無需設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu),。
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(yīng)盡快進行表面防潮處理。
4. 原型表面有臺階紋理,，難以構(gòu)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(jié)構(gòu)件或功能件,。
該快速成型技術(shù)的出現(xiàn),，還能較好地迎合了車燈結(jié)構(gòu)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(shù)所需的后處理過程,。每打印完一層,，機器內(nèi)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(fù)，直到最終成型,。

優(yōu)點：精度高,，可以表現(xiàn)準(zhǔn)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(jié)（SLS）

工藝原理：
將3D模型薄片化之后,，在一個容器內(nèi),，讓其充滿待燒結(jié)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(jié)，然后平臺下移,，材料輥則在已經(jīng)燒結(jié)的部分基礎(chǔ)之上,，再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結(jié)，如此往復(fù),，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(shù),，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(chǎn)制作。對車企而言,，盡管3D打印技術(shù)尚處于初創(chuàng)期,，但3D打印技術(shù)及其設(shè)備將助推汽車行數(shù)字化制造變革，其作用無疑是至關(guān)重要的,。

來源：蓋世汽車