汽车机械制造领域中3D打印技术的应用分析

蒋佳浩

摘 要：近些年中国汽车保有量快速上，对车辆的要求也趋向于多元化、智能化、网络化，行业竞争日益激烈。在此背景下，3D打印技术传入我国后，直接颠覆了传统的机械制造。在零件和部件的加工和制造过程中发挥着十分重要的作用。更加有效的提高了生产率与生产质量。3D打印技术以其生产过程无需模具、加工过程更加简单化，快速进入人们的视线。因此在当前机械设计与制造领域中，也是广大企业推广应用的重要技术手段之一。

关键词：3D打印技术 机械制造 应用

1 引言

自21世纪以后，3D打印技术传入我国之后，就在航空航天产品，医疗器械以及汽车生产中得到了普及应用促进了机械制造技术改革，也使机械制造越来越智能化、自动化，在结合各项汽车机械制造领域中，来调整3D打印技术的使用方式。必须根据使用效果以及反馈出来的问题对3D打印技术的完善与优化。切实提升机械制造质量与效率，推动汽车机械制造领域的稳定发展。

2 3D打印技术的基本概念

3D打印技术作为快速成型技术。3D打印技术采用分层加工叠加成型，将数字化模型进行分层切片，本质上是将连续的表面分解为微小单元，是数学层面上微分的操作。3D打印广泛用于军事，医疗，机械等领域，在不断发展中，结合了数据分析、BIM技术相结合，促进了机械制造技术改革。在3D打印机有金属、陶瓷、塑料等不同的打印材料。在实际打印过程以不同层为基础构建，部件主要的打印，在打印过程中，通过选择性热烧结、电子束熔化成型、光聚合等多重模式实现对材料的精细化、个性化打印。促使汽车机械制造越来越智能化和自动化，解决了在实际生产中产品结构的制约的问题，在保证生产质量和效率的基础上，还降低了生产成本。因此3D打印技术凭借自身的优势，在汽车机械制造领域有广阔的应用空间。

3 汽车机械制造领域中3D打印技术的现状

3.1 3D打印技术国内发展现状

3D打印机技术在医疗、军工、航天、精密制造领域中有广泛应用。所以各企业尤其是技术开发能力比较高的企业都在降低成本，缩短研发周期，简化复杂结构化产品的生产过程中，采用了3D打印技术。3D打印技术不仅能代替生产线完成生产的工作，还可以依托先进的数字化技术，不需要借助模型来进行复杂的结构化生产，可缩短产品的研发周期。目前我国已在3D打印技术领域取得了较高的成绩。3D打印技术不仅用于我国的航天实验，还用于各类的医疗器械生产以及汽车行业当中。

到目前为止，许多大学，都开展了3D打印技术的研发。3D打印技术是多种技术的组合，包含设备研发、3D扫描、虚拟成型等不同领域的技术。打印产品后处理等一系列研究。3D打印技术在航天、汽车、医疗等行业有突出的表现。因此国家和相关企业加大资金投入，加强对3D打印技术的研发与创新，使3D打印技术为机械制造创造更大的价值。

3.2 3D打印技术在机械制造领域的现状

目前3D打印技术用于奇瑞汽车，长安福特，东风汽车，神龙汽车等我国汽车企业内部的研发以及零部件的生产。

在近几年3D打印技术被大多数人所认知，主要是3D打印技术对于汽车生产企业以及汽车制造企业和汽车零件配件生产企业，起到了至关重要的作用。同时也是对老生产基础的一种变革。同时3D打印技术，对于概念车开发，帮助企业减少研发时间，节约研发成本。利用三维数字化技术，使机械产品的设计过程更加智能化，简单化，极大简化了传统产品的设计步骤。同时3D打印技术也可以满足客户的私人定制需求，也能满足了个性化的产品定制。3D打印技术不仅实现了对产品的优化，在对实物的模型进行构建时也起到了至关重要的作用。在对物体的再造升级过程中，3D打印技术不仅节约了研发的成本，同时缩短了车辆更换配件的时间，降低了维修人员的工作压力，促进车辆下游行业良性发展。

但是对于一些进口车而言，不仅维修费用高，而且等待维修的时间很长。像宝马公司在国内已经建立了许多零部件配送中心。保障在24小时内提供零部件，但大多数进口车维修依然存在的诸多问题，尤其是零件供给问题，当一些核心零部件出现问题之后，经销商仍需从厂家聘请专家，整体的维修成本价增高，最终维修成本会直接、间接转嫁到消费者身上。

4 汽车机械制造领域中3D打印技术遇到的问题

3D打印技术与生产制造的关系是紧密相关的。在3D打印技术的应用下，不仅为企业降低了生产成本，进一步的提高了生产效益，在该项技术的支持下，生产过程更加简单化。不仅简化了生产流程，还降低各种人力，财力，物力等资源的投入。但是在实际的生产制造過程中，依然存在一系列的问题需要解决。

4.1 打印机的价格

虽然3D打印技术节约了人工成本问题，提高了企业的生产制造能力使生产更加智能化，简单化。但是3D打印机价格相对而言比较昂贵，尤其是一些性能较好的打印机，它是一些中小企业无法负担的。这也导致了这项技术无法面向全国拓展的重要原因之一。与此同时，在实际打印过程，打印机经常需要对一些金属和塑料陶瓷进行打印。相对而言，材料本身的硬度较强，容易造成出口堵塞后续运营维护的成本比较大。

4.2 劳动力以及技术性人才

近些年来劳动力资源是我国制造产业中不可或缺的一部分。随着3D打印技术的应用，虽然生产过程与其机械制造过程会逐渐走向信息化，智能化的时代。但一些单纯体力型的劳动资源正在慢慢降低。传统制造中对于流水线的生产大多数是依靠劳动力来实现的。很可能出现市场劳动力过剩的情况。但是在长期以来，我国普遍缺乏高技术人员，3D打印技术在器械制造的工艺环节以及工序方面虽然缩短了人力成本。但对于高技术型人才还是比较少。从而受到了一定的限制。

5 汽车机械制造领域中3D打印技术的应用分析

5.1 解决现阶段的问题

未来的发展过程当中，我们需要不断的去研发，3D打印机的水平。达到降低其成本的愿望，使得中小型企业也能承担打印机的价格。从而实现该项技术全方位的普及及应用。使汽车机械制造领域充分应用3D打印技术，从而有效弥补传统机械制造过程中所存在的弊端。使生产过程更加简单化，提高生产效率，降低作业强度。在汽车零件制造过程中涉及到橡胶，钢材，陶瓷等不同种的材料，因此在3D打印过程中应该合理选择打印材料，明确打印过程中存在的问题，采用三重喷射技术提高打印的准确性，通过引入自动化开发流程，借助集成化工具实现专用化生产，完成整体的车载标定工作，有效弥补人工的不足，实现由大到强的稳步发展。满足用户的多样化需求。

例如在打印刚性不透明材料时，一般干净不透明材料包括检查仪表和卡具，精密度较高，在实际打印过程中要合理调整参数，要根据明确材料的硬度，调节喷头与X轴、Y轴、Z轴相对应的关系。在打印专用材料时，应该尽量使用生物相容性的材料进行打印，借助辅助设备避免热液体和气流的影响，在打印过程中可以选择聚丙烯材料，提高材料的热稳定性。实际打印过程中要借助CAD软件，首先创建3D模型，通过自上而下的逐层打印，确保打印的准确性

随着现代技术的持续发展，机械制造也逐渐走向了信息化，智能化的时代，在此阶段我们更应该储备大量的高端技术人才，从而使得3D打印技术不断的完善及发展。如今我国3D打印设备的科学水平在某种程度上已处于国际化先进水平，然而在对控制机械制造的整体精度稳定等层面上，距离国际尖端水平依然存在着差距，还需要提高。在此阶段应该做到精益求精的研发使得3D打印技术追上国际化的水平。同时也应引进大量的人才，做好人才储备以及人才规划，使人才不向外流出。从而形成一个良性的发展环节。

5.2 应用前景

3D打印技术的优势可以充分体现在定制零部件上，少量复杂先进的车型，在进行维修或更换零部件时，由于生产商较少，大多数是国外进口，物流成本较多，一旦开模会造成一定的资源浪费，提高整体的作业成本，导致零部件换件难的问题。如今对于机械制造行业，3D打印技术就是一个突破口。而在应用3D打印技术之后，可以快速调取源文件，得到模型的3D数字模型，在明确基础材料之后，直接进行打印调取，有效控制成本，提高整体的维修效率，节省大量的时间成本以及材料成本，提高顾客的满意度

例如，更换零部件是汽车维修行业中的基本手段，现在实际汽车生产制造中，对于一些非标准和非通用零件本身的备件较少，购买困难，等待周期长，在应用3D打印技术后，可以快速读取数字模型，3D打印机可以进行实物扫描，借助红外线快速建模，直接在CAD模型上读取三维数字模型，适应多元化的工作路径，为软件的灵活性提供了保障。根据量化的行为规范，全过程监管，在规定时间内通过机器的操作习惯，计算出最小单元的平均完成时间，实现多层次、立体化的数据管理。同时可以对参数进行更，当时维修人员能够跟设计人员进行交流，降低后续的维护成本，3D打印技术不仅结合了现在的实际情况。

5.3 汽车机械制造领域中3D打印技术的应用

5.3.1 数字设计建模

3D打印机的数据来源主要包括数据库的原始模型、实物扫描两种方法，在原始数据调用过程中各个参数较为准确，一般适用于原有模型的构建，可以在基础上直接进行参数修改、材料转换。第二种则是对于实物进行扫描，在实物扫描过程中可能出现细节问题，内部结构无法有效扫描，因此在使用时一般都是采取手工建模、实物扫描相配合的方式 利用特定的网络形状进行等效的计算，减少工作步骤。考虑零件的弹性系数，拟合建立等效方程，并采用系统方程求解的方法。保证汽车零部件机械制造设备能够适应不同的作业环境，通过快速更改参数实现，形成多样化的管理模式。在算法设计过程中要基于AUTOSAR模拟数据信息，在实际软件设计过程中，要快速收集离线仿真和实车装载中的各项信息数据，对软件信息进行验证，并对此过程中出现的问题进行修改与优化。加强整体的仿真模拟导入控制算法与仿真模型，通过Vector CANalyzer实现有效的互交，分散不同工况中存在的风险。构建不同状况下驾驶平衡体系，以多重参数的动态化管理形式，辅以标准化的管理机制，保证驾驶员在正常行驶中的安全性、稳定性。

例如，3D打印技术设计过程中常用的商业设计软件有通用性和行业性两种汽车设计制造企业在汽车制造使用工业软件也有不同。国内的大多数都是以CAD使用的较多。2009年开始最早的一批3D打印相关专利录取失效，给诸多企业接触到3D打印的核心技术机会，给3D打印技术改进和发展带来巨大的动力，3D打印技术在汽车各个行业领域里占据了重要地位。

5.3.2 切片处理

所谓切片就是将3D数字模型离散化。沿一个轴的方向离散为一系列的二维层面，从而得到一系列的二维平面信息，使3D打印能以平面方式根据不同工艺要求有序连续加工出每个薄面。在借助计算机前台控制系统对数字化模型进行切片处理。如果数据分成出现问题，会直接影响打印的产品质量。数字模型完成后，需要对模型进行分层切片处理，使打印机按层工作。在打印过程中，要强化参数控制，形成技术闭环控制，实现参数的动态调整，完成全自动化的启动、关闭，控制整体的生产流程，降低工作难度。在实际打印过程中要通过对主命令进行分析，以启动和停止两种信号为核心内容，储存工作中的信号，将储存后的数据传递的缓冲区，完成对汽车零部件机械制造设备单元工作状态的调整和检验。

例如，现在切片软件的分层算法主要明确材料几何特征分类的，合理配置分层算法。配置DTO阵列，启动 DAQ-DTO 对应的模式一秒刷新一次，能够更好的观测报文数据，显示电机扭矩的变换趋势。采用CVS进行测试资源的配置管理。引入MaxQ和WebInject对B/S结构的应用系统进行功能测试，完成数据的整体管理，基于几何信息提取的分层算法，建立分组矩阵。

5.3.3 工装夹具的应用

汽车在日常作业过程中面临的工况，车面复杂的曲面构成，整体的造型较为复杂。一般汽车的外板为薄板件，需要对曲面进行定位。在曲面加工过程中作业时间较长，加工成本较高，一旦出现问题时无法更改，需要进行返工处理。因此可以将3D打印技术应用到工装夹具与造型评审中，首先对于复杂曲面的微分化，先采用3D打印出臨时的工装样件，借助样件进行调试，待调试完成后再继续生产，有效缩短了整体的调试时间，以SV61车型为代表进行分析，基本的只需要进行两次更改，在实际调试之后可以安装铝合金，控制整体的铸造成本。

6 汽车机械制造领域中3D打印技术的应用建议

3D打印技术给汽车机械领域注入了新活力。为了更好的促进3D打印技术应用，改善传统机械制造高消耗、低产值的问题，推动机械制造业的可持续发展。应鼓励高校和相关企业持续进行3D打印技术的研发与创新，加大3D打印技术研发资金的投入。同时要积极培养人才。在人才培养过程中，要坚持走出去和引进来相结合的战略。对内要完善人才培养模式，其对于软件工程师、3D打印是给予一定的资金扶持，对外要积极开展科研合作，密切关注高校的科研进度。定期交流在生产制造中存在的问题，加强信息供共享。

3D打印机是一个包括光电，计算机，原材料，液压等不同元件，共同组成的电子模块。不仅包括三维电子模型，可以通过参数赋值的方式来设定模型的形状和各个尺寸。3D打印技术在未来发展过程中有广阔的空间。作为汽车生产制造企业应该合理应用3D打印技术，降低整体零部件生产制造成本，缩短零部件的生产制造周期，给予客户更好的体验。作为政府要积极发挥自身的引导作用。推动产学研结合。高校要开设专业的3D打印课程和数字建模课程，创建实训基地和高新技术孵化项目，推动科研成果转化，实现3D技术、物联网、大数据技术的有机结合，构建3D共享平台促进信息的融合

7 结语

当下是汽车机械制造领域中3D打印技术的发展的重要阶段。本文从3D打印机在汽车机械制造领域强调重要性与必要性，同时分析了汽车在机械制造领域中应用的可行性、有效性，并提出了控制性技术应用方案，在实际应用过程中对方案进行不断的优化，从此来发挥3D打印技术在汽车制造领域中发挥最大的效用。

参考文献：

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