孙相龙，徐澳门

金属3D打印在试制车身上的应用分析

孙相龙，徐澳门

（上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

金属3D打印技术具有无需开模、成型复杂零件、成型精度高、周期短、轻量化和定制化的优势。金属3D打印技术为汽车车身零件提供了新的制造工艺，极大推动了汽车行业车身制造的技术变革。文章从试制车身实际造车应用的角度，利用金属3D打印技术制作试制车身零部件，研究了零件打印成型、强度、硬度、致密度、粗糙度、焊接性能、成本对比等，并针对金属3D打印零件性能特点，分析了各自应用特点及应用场景，进一步讨论了金属3D打印技术在试制车身上的应用可行性。

金属3D打印；试制车身；连接性能；制造工艺

近年来汽车行业的飞速发展，越来越多的新车型不断涌现，同时新材料、新技术在汽车上应用也越来越广泛。通常一款车型的研发制造周期需要3～5年，较长的研发制造周期制约着各大车企尽快推出新产品来应对市场激烈竞争，这其中缩短汽车零部件的长制造周期成为行业内重要研究方向[1]。

金属3D打印技术的快速发展给汽车制造业的蓬勃发展带来新的科技助力，行业内已有金属3D打印零部件在试制或量产阶段的应用案例。在整车研发制造环节中，汽车试制具有小批量、变化多、周期短、响应快等特点。金属3D打印与传统制造工艺相比，具有无需开模、推动产品快速化、轻量化、定制化的优势，通过金属3D打印车身零部件，可节省产品开发的成本和时间，快速响应产品变更验证，以更好地满足产品试制需求。

本文利用金属3D打印制作试制白车身零部件，通过零件自身性能分析及连接性能评估，进一步讨论了金属3D打印技术在试制车身上的应用可行性。

1 金属3D打印技术

金属3D 打印技术是将激光束（或电子束等）直接作用于金属粉末，利用高能能量源快速熔化金属粉末形成高温熔池，并通过快速移动冷却形成搭接相连的固态熔道，在形成的金属加工平面上不断累积完成加工[2]。目前常用的金属3D打印技术主要包括：激光选区熔化技术（Selective Laser Melting, SLM）、激光选区烧结技术（Selective Laser Sintering, SLS）、直接金属激光烧结技术（Direct Metal Laser-Sintering,DMLS）以及电子束选区熔化技术（Electron Beam Selective Melting, EBSM）等[3]。其中SLM技术具有成型致密度高、机械性能良好、零件制造精度较高等特点，主要应用在纯钛、钴铬合金、不锈钢等大多数金属材料的打印。

2 金属3D打印车身零件

按照主要元素组成区分，金属3D打印粉末材料通常包括316L不锈钢等铁基材料、镍基材料、钛基材料、钴基材料、铝基材料等，本文以传统冲压件材质及力学性能为选取依据，最终选用316L不锈钢粉末作为打印材料，其主要特性详如表1所示。

表1 316L不锈钢粉末特性

牌号物理特性成型件性能 粉末球径/μm松装密度/(g/cm3)抗拉强度/MPa屈服强度/MPa 316L15～533.9>560>480

金属3D打印工艺流程通常包括原材料准备、数据模型处理、激光打印、打磨去支撑、热处理、抛光等，本文采用华曙高科金属3D打印机利用SLM技术完成车身零件打印制作（图1）。

(a) 某车型翼子板安装支架　　　(b) 某车型后地板支架

3 金属3D打印零件应用可行性分析

3.1 零件强度性能分析

为进一步分析金属3D打印零件和传统冲压件的室温力学性能，利用万能拉伸试验机进行室温拉伸试验，获得316L不锈钢试样在金属3D打印态和锻态条件下的力学性能数据（图2）。通过数据比对发现，金属3D打印态试样因其微观结构更精细，抗拉强度优于锻态试样，但伸长率略低，可能是由于金属3D打印零件内部存在未融合粉末、气孔等缺陷以及残余应力未完全消除。通过上述分析，金属3D打印零件可用于车身强度支撑区域，但不推荐应用到车身吸能缓冲区域。

图2 零件室温拉伸性能对比（金属3D打印态和锻态）

3.2 零件硬度分析

硬度也是衡量材料综合力学性能优劣的关键指标，一般硬度越高，材料的耐磨性能就越优异[4]。本文利用维氏硬度试验原理（试验载荷98 N）测试了金属3D打印零件和传统冲压零件的硬度值（图3），以验证比较金属3D打印零件的耐磨性能。通过对比，金属3D打印零件的表面硬度显著高于传统冲压零件，约是冲压零件的2.3倍。这主要是因为激光熔化金属粉末后快速冷却成型，材料内部晶粒组织更为细小，依据Hall-Petch关系式，硬度则相对更高。基于此分析，金属3D打印零件可用于车身耐磨区域、工装夹具耐磨区域以及模具制造等。

图3 零件维氏硬度对比（金属3D打印态和冲压态）

3.3 零件致密度分析

在SLM打印成型过程中，由于316L不锈钢金属粉末的熔化、堆积、凝固、冷却等过程速度极快，容易在成型后在零件内部产生未熔合粉末颗粒、气孔等微观缺陷，这也是制约金属3D打印零件疲劳性能提高的主要因素[5]。为此，本文利用工业CT法无损检测金属3D打印零件和传统冲压零件的致密度（图4）。结果表明，金属3D打印零件致密度99.9%。其中100 µm以上缺陷176个，最大缺陷尺寸775 µm；传统冲压件因经过锻造、冲压等工序，内部组织均匀未见缺陷，致密度可达100%。金属3D打印零件内部缺陷对零件塑性、疲劳性能有不利影响，需要借助成型工艺优化及后续热处理进行改善。经评估分析，现阶段金属3D打印零件不适用于动态循环载荷要求较高的车身区域，容易引起疲劳开裂。

图4 工业CT探伤结果对比（金属3D打印态和冲压态）

3.4 零件表面粗糙度分析

在汽车车身制造领域，通常要求车身外覆盖件等零件的表面粗糙度Ra<3.2 μm，但金属3D打印技术因其特殊的制作工艺，零件表面粗糙度通常为Ra=10～15 μm，必须通过进一步优化成型工艺和表面处理以满足车身零件的使用性能及表面质量要求[6]。比较常用的表面处理方法包括手工抛光、机械喷砂、数控（Computer Numerical Control, CNC）磨削、激光抛光、化学抛光等，同时表面质量要求越高，零件后处理成本也越高。本文也对比了金属3D打印零件和传统冲压零件的表面粗糙度（图5），从成本及实际使用效果方面进行综合考量，车身外覆盖面等区域并不适合应用金属3D打印零件。

图5 金属3D打印零件和传统冲压零件粗糙度对比

3.5 零件焊接性能分析

金属3D打印零件之间的实际焊接效果以及金属3D打印零件与传统冲压零件之间的实际焊接效果，都将影响到实际应用效果。本文以车身制造常用钢点焊为例，重点研究了金属3D打印零件与常规冲压件之间的可焊接性。采用车身手工焊枪将金属3D零件（厚度1.2 mm）与冷轧钢板（厚度1.2 mm）进行点焊（图6(a)，焊接参数依据普碳钢车身焊接参数选取规则），焊接后目视检查焊点无气孔、裂纹等质量缺陷（图6(a)），对焊点区域进一步进行金相表征（图6(b)），焊点金相结果显示出直径6.1 mm的焊接熔核（标准不小于5.0 mm），减薄率为27.46%（标准小于30%），这表明金属3D打印零件具有良好的可焊性，可满足车身焊接应用。

图6 金属3D打印零件可焊性验证

3.6 金属3D打印零件与冲压件成本对比

从应用经济性角度，本文进一步对比了金属3D打印零件与试制软模冲压件的成本（表2）。以打印普碳钢支架类零件为例，假设打印重量70 g的车身钣金件，当制作数量不大于15套时，选用金属3D打印技术成本更低，反之，则推荐选用软模冲压方式。由此可见，金属3D打印零件单件成本较高，小批量应用更能凸显经济价值。

表2 金属3D打印零件与试制软模冲压件成本对比

普碳钢支架类零件判断条件数量/套 金属3D打印费用≤支架软模总费用≤15 金属3D打印费用＞支架软模总费用＞15 备注1）金属3D打印费用：打印单价（不锈钢6元/g）×重量（70 g）×数量；2）软模总费用：零件单价（30元）×数量+模具费（6 000元）

4 总结

和传统制造工艺相比，金属3D打印技术具有无可比拟的领先优势，将成为引领今后工业生产方式变革的关键技术。随着金属3D打印技术成型工艺的不断优化，以及零件内部微观组织调控突破，金属3D打印零件在试制车身上的应用将取得新的拓展突破。本文从试制车身制造应用角度，分析金属3D打印零件的各项性能，同时对比了金属3D打印零件与试制冲压件的成本，为金属3D打印在试制车身上的应用提供了数据支撑。当然还有一些应用限制问题需进一步探讨，比如金属3D打印零件应用到试制车身上的材料认证；金属3D打印零件的冷连接（如表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）、CO2焊接、冷金属过渡技术（Cold Metal Transfer, CMT）焊接、激光焊接等）性能研究等。

[1] 黎志勇,杨斌,王鹏程,等.金属3D打印技术研究现状及其趋势[J].新技术新工艺,2017(4):25-28.

[2] 张春雨,陈贤帅,孙学通.金属3D打印制造技术的发展[J].激光技术,2020,44(3):393-398.

[3] 杨永强,刘洋,宋长辉.金属零件3D打印技术现状及研究进展[J].机电工程技术,2013,42(4):1-8.

[4] 杨金伟,孔令华,付洪波,等.激光诱导击穿光谱表征3D打印18Ni300模具钢表面硬度[J].激光与红外,2020, 50(6):668-674.

[5] 王沛,黄正华,戚文军,等.基于SLM技术的3D打印工艺参数对316不锈钢组织缺陷的影响[J].机械制造文摘(焊接分册),2016(2):2-7.

[6] 金鑫源,兰亮,何博,等.选区激光熔化成形金属零件表面粗糙度研究进展[J].材料导报,2021,35(3):3168- 3175.

The Application Analysis of Metal 3D Printing in Pre-production Body

SUN Xianglong, XU Aomen

( SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 201206, China )

The metal 3D printing technology has the advantages of no mold, forming complex parts, high precision, short cycle, lightweight and customization. The metal 3D printing technology provides a new manufacturing process for automobile body parts and greatly promotes the technological change of automobile industrybody manufacturing. From the perspective of actual manufacturing application, we uses metal 3D printing technology to produce pre-production body parts, and study the strength, hardness, density, roughness, welding performance and cost for the 3D printing parts, and further discusses the application feasibility of metal 3D printing technology in pre-production body parts.

Metal 3D printing; Pre-production body; Connecting performance; Manufacturing process

U466

A

1671-7988(2023)10-168-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.034

孙相龙（1992—），男，硕士，工程师，研究方向为汽车制造技术，E-mail:sxlouc@sina.com。