3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究

2021-11-21李晨

汽车实用技术 2021年10期

李晨

（汕头技师学院，广东汕头 515041）

1 3D打印概述

1.1 3D打印的技术原理

3D打印技术也被称之为增材制造，是一种快速成型的技术，以数字模拟文件作为基础，使用金属粉末、塑料粉末等可黏合材料，通过逐层打印的方式，来满足构造的需求[1]。3D打印技术使用数字技术来控制3D打印机，目前主要使用在工业设计、模具制造等领域当中，航天、航空等高端制造领域也开始应用3D打印。在3D打印的过程中，使用了离散－堆积的思路，会利用一些特殊的添加剂，打印开始时，会利用模型文件的切片细化结果，通过不断调整、增材得到符合实际物质要求的配件。完成对零件的初步加工之后，还可以继续根据需求完善固体的形状，比如抛光、打磨等处理。目前能够利用到3D打印中的材料有很多，并发展出很多成型技术方法，生产工作中可以根据材料要求和技术要求选择合适的技术。

1.2 3D打印的技术特点

3D打印是目前世界上快速发展的高新技术，在工业生产模式上，3D打印技术将工业生产从传统设计与制造分离，带向一体化、信息化的方向，能够最大程度节省人力、时间等方面的打印成本，有效提升了工作的效率。其次，在一些维修的而工作中，3D打印技术融入了信息化技术，因此设计工作不需要大量使用纸张和颜料，有效避免了生态污染和能耗，具有明显的绿色环保属性。作为一种重要的高新技术，3D打印技术在促进了很多行业的发展，对于提升工业生产水平有着非常重要的意义。

从经济、社会的角度来看，3D打印技术降低了制造的门槛，很多零件不需要在工厂完成生产，在家或者一些工作室都可以使用3D打印根据自己的需求和喜好打印出个性化的小物品。而随着技术的成熟，在开源软件和设备的支持下，人们可以自行进行3D打印机的组装，也可以利用扫描获得物品的3D数字建模。

2 3D打印汽车零部件的优势

3D打印技术的核心优势在于能够基于信息化的要求生成各种形状的物体，和传统制造业的建材制造相比，3D打印技术在研发上有着周期更短、研发可视化性能更强、自由拓展能力更强、制造成本低和生产效率高的优势[2]。3D打印技术已经成为目前制造业发展的重要内容和关键方向，结合目前的研发手段，使用3D打印技术可以对汽车零部件进行快速地生产，而且在零部件可行性的验证过程中，也能够进行优化和完善，有利于缩短汽车零部件的研发周期，并大幅度降低生产成本。比如在进行缸盖、同步器开发和塑料部件的生产中，可以保证对重点零部件质量进行快速验证。

另一方面，使用3D打印技术开展相关工作，不需要进行任何模具的加工，很大程度上降低了模具开发、制造过程中的工序，而且能够有效节省对技术研发过程中的工序，降低了工作中设备和人力的投入。从目前的情况上来看，很多零件的模具开发周期都在3个月以上，使用3D打印技术能够在不借助刀具、模具和工夹的情况下，仅用1周就完成高复杂性零件的生产，这就使得3D打印有了明显的高效性。

目前，3D打印技术已经突破了过去单纯使用树脂的局限，能够使用化和塑料、金属材料，成型周期和传统的工业生产方式相差无几。在使用金属材料时，会使用激光或者电子束对金属粉末进行熔化处理，使其能够分层进行金属地堆积，从而形成金属部件。而在汽车零部件制造的应用中，利用3D打印技术能够省去模具开发的步骤，可以进行金属材质零件的直接制造，再加上目前的3D打印精度很高，因此金属零部件的力学指标都能搞达到锻造件的水平。

3 3D打印在汽车制造中的应用

3.1 零部件的制造

汽车制造的过程中，会有很多不同种类的零件，零件的制造周期、成本、消耗都是汽车制造的重要指标，为了能够缩短汽车的开发周期，通过在汽车行业中引进3D打印技术，能够提升零件的制造效率，并且能够大幅度提高零件的生产质量，最终降低零件的生产成本[3]。在使用3D打印进行汽车零件的生产时，可以及时地进行零件设计中的细微偏差进行挖掘，而且可以快速审核部件的工作原理和可行性，从而有效缩短零部件的开发周期。例如在进行橡胶、塑料和缸盖类的辅助零件时，其中不需要使用任何的模具和金属，可以有效简化复杂的模具加工，明显节省制造环节中的人力设备资源，以及降低成本上的投入。

3.2 轻量化零件的高效制造

为了能够推动汽车制造行业的绿色化和可持续化的发展，汽车行业已经提出了更高的标准要求，要求汽车的生产过程能够朝着出节能减排、轻量化操作的方向转化，提升汽车制造的环保节能水平。目前，很多汽车都会降低自身重量减少能量消耗，从而降低汽车内部各种零部件的重量，一些企业根据市场和环保的要求，来对材料、零件采取轻量化的方式进行制造。3D打印是目前能够实现零件轻量化制造和降低质量的位移途径，比如对全尺寸的保险杠制造，就可以使用3D打印进行快速有效加工，所获得的零件和传统生产方式相比质量更轻，并且也能满足质量的要求。

3.3 复杂模具的制造

在汽车行业的发展过程中，汽车的零件并没有朝着简单化发展，相反很多零件要求更加复杂，所以对于模具的制造要求相比以往更高，制造难度也在不断增加。在传统的模式下所制造的零件，如果遇到零件外形复杂、结构不合理这类情况时，模具只能通过拼接、镶嵌的方式制造，导致零件的生产很难保证精确性，而且会严重降低零件的使用寿命，还会增加汽车的生产时间和复杂性。如果使用3D打印技术进行制造，可以使用SLS选区激光烧结技术，能够进行复杂结构模具的加工，可以有效降低制造时间，而且可以更好地加强对制造精度的控制，从而有效提升模具的使用寿命。比如利用3D打印技术可以逐层对材料进行堆积来获得实体模型，并且通过使用3D打印中的SLS选取激光烧结来推动整个模具的分层整合，达到制造融合的目的。

4 3D打印技术在汽车维修领域的应用

4.1 应用前景分析

如前文所述，3D打印技术的优势在汽车零件的制造中优势是明显的，而在进行少量先进车型的零部件维修和更换时，有时可能由于零部件的数量比较小，再进行模具的开发就会导致大量的浪费，从而造成零部件的生产成本明显提升。很多 4S店也不可能保证所有的车型的部件都配齐，尤其是对于一些已经下线的车型，必然会做出库存调整，而不是长时间保留零部件。企业也不可能对零部件的生产工作进行安排，于是就造成了汽车维修的困难，一些车辆会提前报废。目前，很多私家车会连续使用十几年甚至二十几年，但是由于汽车的更新速度比较快，很多汽车生产企业不能持续生产已经下线的汽车零部件，会让汽车的维修变得极为困难。而使用3D打印技术，只需要保留汽车零部件的加工数据、3D数字模型等文件，就可以将零部件打印出来，这样能够避免长时间进行零部件维修带来的影响，从而最大幅度地节约生产成本。

另一方面，目前汽车维修工作会使用很多特殊的工具，但是这些工具的需求量很低，导致生产成本高而且购买困难。而对于从业人员，只需要使用3D打印技术就能解决自己的需要，满足对特殊工具的需求。如果工具存在缺陷，那么通过调整参数就可以进行修改，这也有利于是维修人员经验交流时研究新工具，促进维修人员维修技术的改进和提升。

4.2 生产维修工具的3D打印

使用3D打印技术获得维修工具时，需要考虑原有工具的大小、尺寸、形状等参数能够满足部件的特殊要求，工具数字模型创建时，一般都会是使用三维逆向扫描技术，获得工具的数字模型文件。可以使用高性能复合材料，根据需求调整作业速度、层厚，根据相关的规章完成对工具的打印[4]。比如对维修扳手进行打印时，首先要建立起维修扳手的数字模型，然后使用RorE系统来进行切片处理，然后使用3DP技术来明确扳手的尺寸，之后用融合材料工具进行打印处理，并在打印结束继续后续的打磨等工作。维修技术人员可以根据自身需求来对扳手进行简单地调整，让扳手能够符合标准和使用要求。通过使用3D打印获得工具，可以降低制造周期和缩减生产成本，保证生产工作的效能。

4.3 维修零件的3D打印

由于汽车维修和汽车的生产并不相同，汽车厂商为保护知识产权会限制各种零件数据的分享，因此很难从汽车企业获得数字模型。因此一般都会采用实物扫描的方式获得数字模型。通过使用红外线设备，可以进行实物扫描，获得实物的模型，然后可以进行数字模型的切片，并获得零件的模型。然后就可以利用相关零件的材料进行3D打印，比如使用高分子材料进行打印工作，可以制造汽车的后视镜，有效控制打印成本。载入出现汽缸故障问题，也可以利用3D打印技术进行紧急处理，保证零件可以在短时间之内重复使用，延长汽车零部件的寿命。目前的汽车维修行业当中，通过使用3D打印技术已经能够进行门把手、轮毂、汽缸、变速器的3D打印工作，很多基础部件都能利用3D打印技术制作，从而保证了维修的效率和经济收益。