申超　全斌义　雷振华

摘 要：3D打印技术在汽车行业有着十分重要的作用，它可以极大的缩短汽车研发周期，同时也能够节约汽车生产的成本，摆脱了传统汽车制造对模具的依赖。这些优点让3D打印技术在汽车制造行业的应用越发的广泛。本文通过介绍3D打印技术在汽车零部件研发、制造、模具和材料中应用来阐述3D打印技术对汽车零部件领域的重要作用。

关键词：3D打印；汽车零部件；材料

1 引言

汽车的研发周期一般需要3-5年，但是面对汽车市场的激烈竞争，这么长的时间可能会对汽车制造企业造成巨大的危害。因此，各大车企都在想方设法缩短汽车研发周期。汽车的研发周期长，其根本原因在于汽车零部件的加工制造周期较长，且汽车零部件前期的设计开发成本高昂。这些不足都限制了汽车工业的发展[1]。

作为工业4.0时代的一大标志，3D打印技术的快速发展必将为汽车制造业的发展提供更好的助力。当前，3D打印技术在汽车行业中的应用已经不再局限于简单的概念模型设计，正朝着更多的功能零部件方向发展，渗透到汽车零部件的各个领域。例如汽车格栅、汽车仪表盘、空调管路、进气歧管、发动机罩、装饰件、车灯等都已经采用3D打印技术制作样件或量产件。

2 3D打印在汽车零部件中的应用

2.1 3D打印在汽车零部件研发过程中的应用

汽车零部件的研发往往需要长时间的验证工作。传统的流程是先进行零部件设计，然后开发制作模具，再制造出零部件的实体并对零部件实体进行测试以确定是否能够达到产品设计要求，如不满足要求还需对设计或模具进行修正。这一流程耗时长、成本高。将3D打印技术应用到汽车零部件研发过程中则可快速对复杂零部件的工作原理和可行性进行验证，不但省去了模具开发的工序，还可减少时间和资金的投入。传统汽车零部件的研发周期通常在45天以上，而3D打印只要1-7天即可完成零部件的开发验证过程，可大大提高新产品的研发效率。而且3D打印开发零部件的流程中不需要模具，可节约大量的成本。传统零件开发流程和3D打印零件开发流程如图1所示。

2.2 3D打印在汽车零部件制造中的应用

随着人们对汽车轻量化、个性化、智能化的需求不断提升，汽车零部件中出现越来越多的特殊设计。这些特殊设计对制造工艺的要求更高，因传统制造工艺的局限性，这些特殊设计较难成型，而3D打印技术的出现则可以有效的解决这些问题。

3D打印技术在汽车零部件制造中的应用主要包括：（1）制造结构复杂的零件，传统工艺制造复杂零部件时需要分块加工后再组装，其尺寸精度和强度都会受到一定的影响，而且由于零部件结构复杂，需要的制造工序更多，这导致成本和加工周期提升，而3D打印则可以不受零部件结构的限制，可快速制造出复杂的汽车零部件。（2）多材料复合零件，3D打印技术的一个突出优势是可以进行多材料、多颜色一体成型，实现零部件的不同部位对材料性能和颜色的不同要求，如奥迪采用Stratasys J750全彩多材质3D打印机打印出完全透明的多色车尾灯灯罩，进而避免之前繁杂加工程序，凭借50多万种颜色组合，奥迪团队可以打印多色多种材质的零部件，可以加速设计验证过程，预计可节省至少50%的时间，如图2所示。（3）轻量化结构零件，3D打印可以根据计算机仿真结果对零部件的结构进行最优设计，如采用镂空结构在保证性能要求的前提下实现汽车轻量化。（5）个性化定制零件，布加迪汽车采用3D打印技术制备钛合金制动钳，不仅外观酷炫，还经久耐用，整个工艺过程历时45小时[2]，如图2所示。（6）小批量零件，戴姆勒采用3D打印技术，为经典车型提供3D打印备用件，该技术可实现部件的小批量生产，由于批量小，先期投入成本与报废件成本都不会很大，最新款3D打印部件包括天窗滑动轮、车内后视镜基座、火花塞支座[3]，如图2所示。（7）应急零部件，当车辆因为特殊情况（例如处于战场、荒芜的野外、太空等）而无法及时找到备用零部件时，采用3D打印技术实时制造零部件能够有效解决此类问题[4]。

2.3 3D打印在汽车零部件模具中的应用

汽车行业竞争的日益激烈要求了汽车零部件的快速升级换代，但由于传统的零部件制备工艺中长达数月的模具研制周期以及模具使用的高损耗，都在一定程度上阻碍了汽车的更新换代速度。

近年来，3D打印技术开始运用于汽车零部件模具中，以期改善模具制造过程中存在的操作复杂、成本高、耗时长等问题。3D打印技术在汽车零部件模具中的应用主要包括：零部件模具的快速成型、复杂零部件模具的一体化成型以及模具内部结构的最优化设计与制造（例如随形冷却流道）[5]。例如雷凯云等[6]采用3D打印技术制备了汽车发动机连杆，用时不到5小时即可加工成型，经过测试，该连杆的力学性能满足连杆制造要求。采用3D打印技术，不但可以缩短汽车零部件模具的开发周期，还能够制造复杂结构的精密模具，例如成泽邦[7]采用3D打印技术制造含有随形冷却流道的汽车方向盘模具，该模具冷却效果好，可有效减少零件因自身结构导致的变形，提高了产品的质量。

2.4 3D打印在汽车材料中的应用

3D打印技术的出现也为新材料的发展提供了一种新的思路，他可以通过对材料的微观结构进行可控设计以实现材料新的功能，这是以往的材料制备工艺所不能实现的。近年来，多个团队将3D打印技术应用到新材料的制备中，以期通过3D打印技术建立复合材料的新机制。例如宝马汽车与麻省理工自我装配实验室合作，开发出了一种可充气的3D 打印材料，特点是可以根据指令而改变其形状和硬度，这项技术能够被运用到高度可定制和多功能汽车内饰中，可以提升乘坐的舒适度。萨里大学的科学家与巴尔的摩约翰霍普金斯大学和加利福尼亚大学的研究人员合作开发了一种具有高刚度和阻尼的新型3D打印材料。科学家表示，这种新材料虽然像金属一样坚硬但却有足够柔韧，可以承受强烈的振动，汽车产业将迎来新一轮的更新，让客户在旅途中几乎不会受到任何振动，如图3所示。卡内基梅隆大学与美国密苏里科技大学的研究人员研发了一款3D打印电池电极，该电极拥有3D微晶格结构，可实现可控孔隙率，如图4所示。研究人员指出，该微晶格结构可大幅提升锂离子电池的容量及充放电速率，还可利用3D打印设备，制作形状复杂的3D电池架构，有助于优化电化学储能的配置，相较于实心电极，其比容量提升4倍、实際容量提升两倍，这将极大的提升新能源汽车的续航里程。

3 结语

3D打印技术作为数字信息化时代最为重要的一项技术发明，必将对汽车工业发展产生巨大的推动作用。本文通过介绍3D打印技术在汽车零部件研发、制造、模具和材料中应用情况进行分析，充分了解到3D打印技术在汽车零部件中的应用已经非常广泛，相对于传统的工业化生产3D打印技术具有可缩短开发周期、可实现个性化制造、可设计新型车用材料以及可节约成本等特点。我们应该抓住3D打印技术发展契机，紧跟时代发展步伐。

参考文献：

[1]杨振英，于博.3D打印在汽车塑料件设计中的应用与研究进展[J].塑料工业，2017，45（5），11-15.

[2]http：//www.12365auto.com/xcdg/

20181226/370480.shtml

[3]http：//www.qichecailiao.com/news/show-20584.html

[4]纪培彬、李慧梅，杨明，唐彦峰.3D打印技术在车辆装备战场抢修中的应用[J].军事交通学院学报，2017，19（10），29-32.

[5]范兴平.3D打印在模具制造中的应用展望[J].粉末冶金工业，2018，28（6），69-73.

[6]雷凯云，秦训鹏、徐昀，刘华明，胡泽启.汽车发动机连杆激光3-D打印工艺研究[J].激光技术，2018，42（1），136-140.

[7]成泽邦.基于Moldflow的汽车方向盘内饰件注射模设计[J].模具工业，2018，44（12），51-55.