3D打印技术在汽车工业发展中的应用

■ 宋彬，及晓阳，任瑞，李雨

3D打印增材制造技术已在工业造型、机械制造、军事、航空航天等领域都得到了广泛应用。被誉为推动“工业4.0”和“工业制造2025”关键性技术，推动汽车行业发展革命性技术，其将同机器人技术、互联网技术共同改变人类生产生活方式。

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造或增材制造技术。3D打印技术原理如图1所示。

3D打印增材制造技术在汽车行业应用已十分广泛，汽车所有部件几乎都能采用3D打印直接或间接实现，无需采用传统模具制造方法。

一、汽车制造业常用的3D打印技术

汽车主要由大量的金属和非金属零件组成，生产这些零件用到的3D打印技术主要有：选择性激光烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、激光选区光固化（SLA）、粘合剂喷射（3DP）、熔融沉积（FDM）等，下面对这些打印技术、功能和最终产品实现方法进行介绍。

1. 选择性激光烧结（SLS）

S L S打印材料是粉末。激光的能量使高温粉末与相邻的粉末发生烧结反应而连接在一起。通过层叠和选区烧结的过程实现复杂产品的成形。主要材料有尼龙、PS、EPS、石蜡、覆模砂芯、覆膜金属、覆膜陶瓷及复合粉末，分层厚度为0.02～0.05mm，尺寸精度为（100±0.2）mm，最大一次成形800mm×600mm×500mm。

打印汽车零部件主要通过直接打印和间接打印完成，直接打印主要是尼龙件（如汽车后视镜框、仪表盘、外装饰、空调模型及行李箱零件等塑料件），间接打印主要是PS、EPS、石蜡、覆膜砂型/芯，通过打印与传统铸造相配合实现复杂金属零件毛坯的快速制造。PS、EPS、石蜡主要用于熔模精密铸造（硅溶胶、石膏型配低压、差压、真空浇注），覆膜砂型/芯主要用于砂型铸造（具体与3DP相似）。3D打印配合熔模精密铸造方案如图2所示，离合器壳体PS模和石膏型熔模铸件如图3所示。

图1 3D打印技术原理

2. 激光选区熔化（SLM）

SLM是利用金属粉末在激光束（500～1000W光纤激光器）的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成形的一种技术。成形材料主要是金属及合金，如钛合金、钴铬合金、不锈钢及铝合金，分层厚度为0.02～0.05mm，精度为（100±0.15）mm，表面粗糙度为Ra=5.0μm，直接打印零件如图4所示。

3. 激光选区光固化（SLA）

SLA是用激光选择性地让需要成形的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，通过层叠和选区烧结的过程实现复杂产品的成形。主要材料是光敏树脂。

4. 粘合剂喷射（3DP）

3DP与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘合剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。3DP打印离合器壳体砂型组装如图5所示，主要材料是树脂砂、石膏、热塑性塑料、陶瓷及金属。3DP打印汽车排气管砂型和复杂型芯如图6所示。

5. 熔融沉积（FDM）

FDM是一种不依靠激光作为成形能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成形的方法。表面粗糙度和尺寸精度较差，价格低。主要材料是热塑性材料，如PLA、蜡、ABS及尼龙等。

图2 3D打印配合熔模精密铸造方案

图3 离合器壳体PS模和石膏型熔模铸件

图4 SLM直接打印的零件

图5 3DP打印离合器壳体砂型组装

图6 3DP打印汽车排气管复杂型芯

二、3D打印在汽车行业的应用

3D打印在汽车行业研制生产中起到十分重要的作用，几乎所有的汽车零件都可以采用3D打印直接或间接完成，主要用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证，以及制作模具原型或直接打印模具和产品。

1. 新产品开发过程中的设计验证与功能验证

快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想，以及产品结构的合理性、可装配性和美观性，发现设计中的问题并及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长，费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的经济损失。

2. 单件、小批量和特殊复杂金属零件的生产

对于汽车零部件如发动机缸体、缸盖、排气管及离合器壳体等复杂零件，通过传统方式生产存在周期长、精度低、成本高等问题，而采用3D打印+铸造的方法快速生产则具有很大优势。3D打印蜡模+石膏型真空增压铸造汽车部件如图7所示。

3. 用快速成形树脂模代替铸造木模或铸造模具

用3D打印技术制作的树脂模代替木模及金属模，不仅大幅缩短了制模时间，而且强度和尺寸稳定性优于木模，成本低于金属模，特别是对于难以加工、需要多种组合的木模用快速成形的优点就更为突出。最有价值是3D打印SLM可以实现金属模具的复杂水冷管道的一次成形，大幅延长了金属型或模具的使用寿命。汽车树脂模如图8所示，内设复杂冷却水道的汽车轮胎模具如图9所示。

4. 汽车整车研制生产

用于可制造性、可装配性检验和供货寻价及市场宣传，对有限空间的复杂系统，用快速成型方法进行检验和设计，将大幅降低此类系统的设计与制造难度。

图7 3D打印蜡模+石膏型真空增压铸造汽车部件

图9 内设复杂冷却水道的汽车轮胎模具

三、结语

3D打印技术从塑料到金属，从单一零部件到整车打印装配，充分展示了3D打印对汽车行业发展所起到的作用。通过汽车行业3D打印技术应用，充分认识其具有的突出优势和明显不足。一方面，需要3D打印技术自身完善；另一方面，需要与铸造、机加工等传统制造技术，以及互联网、机器人等先进的产业进行融合。3D打印技术将在汽车等各行业中发挥极为重要的作用，未来的制造工厂将会由许多工业级3D打印设备组成。我们相信，3D打印将改变我们的工业生产方式。

[1] 李庆春. 铸件形成理论基础[M]. 北京：机械工业出版社，1982.

[2] 李魁盛.铸造工艺及原理[M]. 北京：机械工业出版社，1988.

[3] 范英俊. 铸造手册之特种铸造[M]. 北京：机械工业出版社，2003年.

[4] 柳百成，等. 铸造工程的模拟仿真与质量控制[M]. 北京：机械工业出版社， 2001.