各類3D打印成型技術在汽車研發(fā)中的對比分析

作者：尉勝男、趙方真

隨著世界第一臺3D打印汽車問世，3D打印技術在汽車制造領域得到了廣泛的應用,。基于此，首先在查閱相關文獻,、專家訪談的基礎上，確定各類3D打印快速成型技術的基本原理,，為每一種成型技術的研發(fā)對比提供基礎,。其次，通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司,，搜集相關的數(shù)據(jù)資料,，進行各種成型技術在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件,、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品,。最后，得出最高效,、最能實現(xiàn)利益最大化的成型技術,，降低成本，提高效率,，這對于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應用價值,。

1 3D打印快速成型技術原理
3D打印技術是一種利用數(shù)學模型，采用快速打印的方式把粉末類金屬,、塑料材料粘合在一起,，生成目標物品的技術。它的核心技術就是快速成型技術,，主要是通過計算機的控制,，根據(jù)使用材料的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速成型目標物品，這就利用到了3D打印快速成型技術,，目前這一技術大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）,、絲狀材料選擇性熔覆工藝（FDM）和粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）三種。具體如下幾點,。

1.1 光敏樹脂選擇性固化工藝

1.2 絲狀材料選擇性熔覆工藝
針對FDM工藝,，是一種相對成熟、應用廣的3D打印技術,，其原理主要是融化絲狀材料再組合的過程,，進而生成固體物品的過程，示意圖如圖2所示：
（1）首先將絲狀材料放入絲輪中進行融化,；
（2）然后再使用噴頭擠壓,，并在工作臺反復運動，逐漸實現(xiàn)液體固化,，并形成計算機預設的形狀,，最終形成固體物品。FDM 工藝的優(yōu)點是：使用的絲狀材料多是廢物利用,，既能廢物利用也能保護環(huán)境,。另外，F(xiàn)DM 工藝對儀器的精度要求很低,，能節(jié)省很多生產(chǎn)成本,。SLA工藝的缺點是：打印誤差大，只能打印出體積大,、低精度的目標物品,，特別適合打印大型零部件,。

1.3 粉末材料選擇性燒結(jié)工藝

針對SLS工藝，是融合了SLA工藝和FDM 工藝的優(yōu)缺點的一種3D打印技術,，尤其在汽車制造業(yè)領域的適應性最廣,。其原理主要是將粉末狀材料熔化再凝結(jié)的過程，進而生成固體物品的過程,，示意圖如圖3所示：（1）首先將粉末狀材料放入粉料缸中進行熔化,；（2）然后使用光纖激光器掃描液體材料，并在工作臺反復運動,，逐漸實現(xiàn)液體固化,，并形成計算機預設的形狀，最終形成固體物品,。SLS工藝的優(yōu)點是：適合中小部件的生產(chǎn),。使用的粉末材料環(huán)保，且可使用的粉末材料很多,，節(jié)省了成本,。另外，SLS工藝的結(jié)果精度也較高,，能夠快速成型,。而且SLS工藝的可能加功能很多種混合粉末材料，能產(chǎn)生新的工件,。SLS工藝的缺點是：粉末狀顆粒會干擾目標物品表明的光滑度,，形成很多小孔，材料還需要后期加工,。

2 3D打印技術在汽車研發(fā)中的應用案例

目前，3D打印技術在汽車制造業(yè)領域的應用已十分廣泛,，本文將通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司,，搜集相關的數(shù)據(jù)資料，進行各種成型技術在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比,，重點對比每一種成型技術所需要的原材料,、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品,。

2.1 3D打印車
2010年,，世界第一輛純3D 打印車Ubree誕生。全車的所有部件都是采用3D打印技術打印出來的,，工人只需要將這些零部件組合起來就可以了,，遠遠縮短了汽車制造中的零部件生產(chǎn)周期。隨后,，改進的Urbee2全車只有50個打印的零部件,，進一步縮短了汽車制造中的零部件組裝時間,。

2.2 3D打印賽車
2012年，由比利時的多名設計師也通過3D打印技術制造了世界上第一輛3D打印賽車,，并完成了賽道測試,，令人驚訝的是，整個車市的打印時間只需要3周,，遠遠高于傳統(tǒng)汽車的制造工藝,。另外，該賽車的能在4秒內(nèi)提高時速至每小時96公里,，最高時速能達到每小時141公里,。

3D打印賽車的缺點：技術要求高、在3D打印過程中還需要用到生物合成材料,，提高了制造成本,。

2.3 3D打印發(fā)動機
2004年，由德國奧迪公司的設計師為電影《機械公敵》設計的概念汽車便運用了3D打印技術,，其中的發(fā)動力是采用了3D打印技術中的SLS工藝,，并實現(xiàn)了真正的行駛。

3 結(jié)論與展望
本文通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司,，搜集相關的數(shù)據(jù)資料,，進行各種成型技術在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術所需要的原材料,、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件,、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。本文是分析結(jié)果有利于得出最高效,、最能實現(xiàn)利益最大化的成型技術,，降低成本，提高效率,，這對于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應用價值,。但是從已有的3D打印快速成型技術和3D打印汽車產(chǎn)品來看，3D打印技術還存在很大的進步空間,，具體有：

第一,，3D打印技術的成本相對較高，更別說3D打印汽車的制造成本,，應用性有限,。未來需要繼續(xù)突破技術壁壘，設計出“平民化”的產(chǎn)品,，讓更多的消費者可以享受到自己設計汽車外形的全新體驗,。

第二，繼續(xù)研究“綠色”3D打印技術,，實現(xiàn)廢物利用,、可回收,、對環(huán)境無害等特點，真正實現(xiàn)綠色制造,。目前使用的很多材料雖然可獲取,、無毒，但很難降解,，也會給環(huán)境帶來嚴重的負擔,。

來源：工程管理與技術
作者：尉勝男、趙方真

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