3D 打印在汽车零部件制造和维修领域的应用

2023-12-26郭秋华张承伟金龙娥中国汽车工程研究院股份有限公司

锻造与冲压 2023年23期

文／郭秋华，张承伟，金龙娥·中国汽车工程研究院股份有限公司

随着人们对汽车产品个性化、定制化需求的提高以及部分传统复杂工艺零件制造和维修的时间长，成本居高不下等难点，3D 打印技术越来越受车企、零部件和售后服务供应商等的高度青睐。

众所周知，汽车工业是一个典型的资本技术密集型产业，同时新车研发投入也是非常大的。因此车企、零部件和售后服务供应商等积极探索新技术以求降低材料成本和提升效率。3D 打印技术遂开始在汽车零件领域进行探索与应用，尤其是在汽车制造和维修方面已经越来越成熟。

3D 打印技术有很多的优势，比如能够打印制造复杂的产品、能够实现无模具无模块化生产和能够实现高端化产品的订制，这些都能够降低成本和减少制造时间，实现个性化生产。与传统加工工艺相比，能够实现产品定制化、快速化、轻量化的3D 打印技术与汽车领域的结合必将产生新的火花。

本文将重点介绍3D 打印技术及其优缺点，并就其如何在汽车制造和维修领域更好地应用作出分析。

3D 打印技术

3D 打印技术的定义

3D 打印技术作为快速成形技术之一，又名增材制造技术。其原理：以三维CAD 模型为主(一般采用STL 格式)，使用粉末、丝状或液态等材料，通过“分层制造、逐层叠加”的方式直接打印出三维实体。3D 打印技术的关键环节为：数字设计建模、切片处理、打印成形技术(或逐层打印)、打印后处理，如图1所示。

图1 3D 打印技术的关键环节

3D 打印技术的优点

3D 打印技术具有非常多的优点，近些年越来越受车企、零部件和售后服务供应商等的高度重视。

⑴降低零部件生产成本。

传统的机械加工方式属于“减材加工”，比如车削加工、铣削加工、刨削加工和磨削加工等；而3D打印技术与之相反，属于“增材加工”，提高材料利用率，从而能降低零部件生产成本以及增加零部件企业的经济效益。

⑵缩短研发周期。

采用3D 打印技术，无需模具制造、工具夹装，可将概念模型的制作周期缩短至几小时或几天内，提升车企和零部件服务商优化效率，并快速推动产品概念验证，拥有更快的研发速度。即有效缩短研发周期，提高生产效率。

⑶简便生产复杂结构的产品。

与铸造、锻造零件不同，3D 打印技术依托计算机工具构建产品模型，通过打印技术直接获取产品。

因此，结构较为复杂繁琐的产品零件借助具备高效率、个性化生产优势的3D 打印技术，可直接进行小批量的生产试制，使其工艺流程变得更简便。

⑷拓宽产品设计空间。

过去，基于传统生产工艺以及需要满足大批量生产的要求，产品设计师的很多创新和设计思路很大程度上会被限制。而在3D 打印技术的加持下，产品设计能够更多元化也更便捷，设计创新程度更高，以前很多受限于生产工艺的设计或造型，变得更容易实现，从而拓宽了产品的设计空间。比如，随着3D 打印技术的发展，使得汽车产品的中空夹层设计、镂空点阵设计、一体化结构乃至空间异性拓扑结构设计都成为可能，这样不仅能够实现汽车产品的轻量化，同时也提升了产品的美观度甚至艺术性，从而更有利于对产品进行减重降本。

3D 打印技术的缺点

与此同时，3D 打印技术也有一定缺点，亟需解决。

⑴3D 打印耗材价格高昂。

一方面适用于3D 打印的材料种类有限，另一方面3D 打印原材料供应还不成规模，综合造成3D 打印耗材价格高昂。比如金属3D 打印中，常用的材料是钛粉、铝合金粉和不锈钢粉，其成本一般是普通金属材料的10 倍之多。有数据表明，3D 打印产品中金属粉末占总成本20%～30%，而传统制造原材料占产品的5%～10%。

⑵3D 打印的产品精度不高。

3D 打印产品成形精度无法与传统加工手段相媲美。3D 打印产品的精度主要取决于3D 打印机自身的精度、耗材类型以及分层厚度、喷嘴温度和喷嘴直径等工艺参数。比如对于分层厚度这种原理性误差来说，要完全消除是不可能的，只能通过设定较小的分层厚度来减小误差，故3D 打印的构件很难直接打印出高精度的零件表面。对于要求较高的零件表面或者装配面，基本都需要进一步的表面后处理。

⑶3D 打印速度较慢。

3D 打印技术的成形速度不会很快，尤其是打印超大产品的时候，这是因为3D 打印必须通过逐层堆积才能成形，而且分层厚度又不能太厚。因此，3D打印不适合规模化的大批量生产，只适用于小批量定制化生产。

⑷3D 打印的产品性能普遍较低。

3D 打印的产品在材料性能方面比传统加工产品普遍都低，主要体现在刚度、硬度、强度、机械加工性能和化学性能等方面。

3D 打印技术在汽车制造领域的应用

3D 打印技术萌发于20 世纪90 年代中期，近十几年以来才在汽车行业得以蓬勃发展。2011 年，第一辆名为Urbee 的3D 打印汽车诞生，如图2 所示；2015 年，产自美国旧金山DM 公司的世界上第一辆3D 打印超级跑车“刀锋”横空出世，如图3 所示；2018 年，XEV 公司设计的首款量产3D 打印电动汽车YOYO 问世，如图4 所示。由此后，3D 打印技术在汽车产业内受到热烈追捧，世界上越来越多的车企陆续发布自己的3D 打印概念汽车。

图2 3D 打印汽车Urbee

图3 3D 打印首款超级跑车“刀锋”

图4 3D 打印量产电动汽车YOYO

3D 打印技术的应用，不仅在汽车设计阶段降低了设计成本、提高了研发效率，而且在制造阶段也有很多成功的应用案例，比如3D 打印动力总成、底盘零部件和汽车内外饰等。3D 打印技术可在保证结构部件的性能前提下，实现汽车零部件的集成设计和制造，为汽车零部件制造提供更多可能。因此，其在汽车的定制化、轻量化、电动化和智能化方面的技术优势是得到公认的。

3D 打印动力总成

汽车工程师借助3D 打印技术，可在产品的研发早期生产出汽车设计师设计的功能性原型或概念模型，并能加快验证及优化迭代流程。与传统模式比较，3D 打印技术可极大地提升验证效率，减少设计验证时间，并使设计错误成本最小化。兰博基尼作为著名欧洲跑车制造商，曾利用3D 打印打造了跑车发动机引擎管道，复杂几何结构在极短的周期内完成了创建。2020 年保时捷依托3D 打印技术制造了第一个完整的电动动力总成壳体，使其更轻、更牢固、更紧凑，如图5 所示。使用激光熔融工艺生产的发动机与变速箱部件顺利地通过了质量和压力测试，证明该技术对传统消费类产品是具备可安装性和替代性的。

3D 打印底盘部件

德国大众布加迪在2017 年采用3D 打印技术制造的钛合金制动钳(图6)，通过了强度测试，在整个卡钳的重量仅为2.9kg 的同时，呈现了每毫米承受125kg 高压的优异性能，具有强度大重量又轻的优点。这种钛合金材料卡钳的成功制造案例在汽车零部件领域的3D 打印应用史上具有里程碑的意义。

图6 布加迪3D 打印钛合金制动钳

3D 打印汽车内饰

通用汽车利用Autodesk 技术于2018 年开发的3D打印不锈钢座椅，支架强度增加了20%，而重量减轻了40%，并且将原有的8 个零件集成简化为1 个零件。2020 年，保时捷为旗下跑车设计了3D 打印的座椅，这种新型的“3D 打印汽车全桶式座椅”，如图7 所示，其基础支撑采用夹层结构，在外观造型、布局及重量方面和赛车座椅相似；相比以往的座椅，提供了更强的支撑刚性和包裹性，内部结构更独特，重量也更轻，实际的驾乘体验更优异。

图7 保时捷3D 打印汽车座椅

3D 打印汽车外饰

3D 打印技术在汽车外饰的设计生产制造领域，同样具有降低生产成本、简化生产工序、提高生产效率等优势，较成熟的应用包括汽车灯具、挡泥板、汽车车标和前后保险杠等汽车外饰件。以某车型汽车大灯(图8)为例，通过选用光敏树脂材料3D 打印技术Polyjet进行打印实践，从实践验证角度出发验证了：一体化成形的3D 打印优于传统模型制作。灯具模型的3D 打印，主要解决了传统模型制作的工序繁琐、招工难等问题，但同时存在螺纹连接强度低、模型耐高低温性能差等痛点。

图8 某车型3D 打印汽车大灯

3D 打印技术在汽车维修领域的应用

由于3D 打印技术能够很好地满足汽车用户的个性定制化需求，在汽车维修领域也得到了广泛应用，比如限量版或绝版零部件的定制和修复、汽车维修过程中要使用的“特殊”工具。很多基础部件或工具，比如汽车大灯、汽车座椅、车轮轮毂、发动机气缸、制动卡钳、发动机引擎管道、变速器和维修用工具等都能采用3D 打印技术进行快速制作，从而保证售后服务供应商的维修效率和经济效益。

3D 打印维修零件

一方面汽车种类繁多，涉及的汽车零部件更是不计其数；另一方面，限量版车型或高端车型的零部件库存极少，甚至还有绝版零件，这些对汽车售后服务商来说是极具挑战的，而3D 打印技术能够定制零部件正好解决这个问题。例如通过3D 打印技术对著名经典车型大众甲壳虫(Volkswagen Beetle)，如图9 所示1960 款的很多绝版零件进行复刻，为满足多样化、稀缺化车型的零部件缺失的补件及维修提供重要保障，同时能够显著降低购买此类零部件的费用以及缩短维修时间，避免汽车行业的“垄断”现象。

图9 1960 款大众甲壳虫

3D 打印汽车维修工具

在汽车维修领域，3D 打印技术除了在打印维修零部件方面发挥重要作用，在打印汽车维修工具方面同样具有商业价值。针对易损耗工具、价格昂贵但使用频次低又必须的工具和需要定制的维修工具，汽车售后服务商利用3D 打印技术不需要大量囤积购买，就可避免无“合适”工具可用的情况，能够有效降低维修成本以及缩短维修工期。比如基于FDM 的3D 打印技术打印的扳手，如图10 所示。