鹿芳芳 朱峰 陈晓旭 李露 孙杨

摘 要：3D打印是一种增材制造的新型工艺方式，它以材料层层堆积的形式加工零部件，提高了材料利用率，节省了模具费用，适用于小批量复杂零件的生产加工。3D打印在汽车行业主要应用在底盘、总成及内外饰件，如仪表板、护板等，除此之外，还可以打印工装夹具、检具，或用作设计验证、造型评审用件。

关键词：3D打印;增材制造;小批量;复杂零件

中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-152-03

Abstract： 3D printing is a new method of additive manufacturing that processing parts in the form of material stacking. This new method improves material utilization and saves mold costs and it is suitable for the production and processing of small batch complex parts.In the automotive industry， 3D printing is mainly used in automotive chassis， powertrain accessories and automotive trim context， such as instrument panel， fender， etc. In addition， it can also be used to fixture manufacturing， design verification， modeling review.In addition， it can also be used to fixture manufacturing， design verification， modeling review.

Keywords： 3D printing; Additive manufacturing; Small batch; Complex parts

CLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-152-03

前言

3D打印是工业制造领域的又一次技术飞跃，它颠覆了我们传统意义上的减材制造工艺技术，而是以材料层层堆积的形式，开启了增材制造工艺的新时代。

工信部制定的《国家增材制造产业行动计划（2017-2020年）》中也包了括“3D打印+”应用推广行动。

从设计角度，3D打印为设计者们提供了一种新的思维模式。由于3D打印制造工艺对制品的复杂程度并不敏感，这就使人们可以更多地从使用的便捷性、人机性、结构轻量化等方面进行零件设计，而适当减少工艺可行性的顾虑。并且3D打印不需要图纸，可以基于三维数据，直接制造出成品，大大减少了设计耗时。除此之外，还能优化结构、减轻重量。

从制造角度，3D打印能完美解决小批量复杂零部件的制造需求。它不需要模具，能直接节省几十万甚至上百万的模具费，同时也能节约好几个月的模具制造周期。

3D打印，就像创客工厂的基本元素，它能把你的想法，快速变成实物。

1 3D打印在汽车行业的应用

在汽车行业，由于可以免除模具制造，3D打印通常应用在研发阶段的造型评审、设计验证、原型制作、零件试制、概念车、工装夹具、检具、个性化定制、包覆验证、小批量备件等。

3D打印可加工许多种类的汽车零件，如金属类的有支架、壳体、罩盖等， 非金属的有仪表板、立柱护板、门护板、字标、装饰板等。

国际汽车知名生产商如奔驰、宝马、奥迪、捷豹、丰田、福特等已经在汽车的研发阶段大量使用3D打印技术。

据统计，3D打印在汽车行业的应用，占了整个应用行业的31.7%。

2 3D打印工艺简介

2.1 金属3D打印

2.1.1 金属3D打印简介

金属3D打印目前有激光熔融（SLM）、激光金属沉积（LDM）、电子束融化（EBM）、激光烧结（SLS）、纳米打印（NPJ）等几种形式。

以常见的激光熔融（SLM）为例，这种工艺方式的原理是通过激光扫描，快速熔化预置的金属粉末，从而直接获得任意形状零件，其致密度可达99%以上。

激光熔融（SLM）的方式可打印铝合金或不锈钢类的零件，精度可以达到±0.05mm/100mm。

金属3D打印的零件静态强度高，动态强度低，可制造结构复杂、冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平通常用作结构功能件。

但金属3D打印通常不用于外观件。因为相对普通机械加工的零件来说，金属3D打印的零件致密度还是相对低，打印的零件内部有气泡，导致外观质量有一定的缺陷。而此类缺陷无法通过打磨修正，电镀以及阳极氧化等表面处理工艺反而会放大缺陷，影响零件的表面质量。

2.1.2 金属3D打印测试

基于激光熔融（SLM）的打印方式，我们打印了一批不锈钢316L的测试样块进行检测，棒材在90度角方向的抗拉强度大约在550Mpa以上，大于普通铸件的平均抗拉强度480Mpa左右，屈服强度也可达到400Mpa以上，远高于普通铸件平均屈服强度200Mpa，板材类似。

经过对比分析，我们可以得出如下结论：

（1）材料性能优于铸件性能;

（2）表面刨光效果較好;

（3）刨光后电镀，出现表面缺陷，是由打印件内部气泡造成的，电镀后缺陷放大。

2.2 非金属3D打印

非金属3D打印有熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结成型（SLS）、光固化成型（SLA/POLYJET）、射流熔融成型（LJP）、粉末粘结成型（3DP）等。

2.2.1 熔融沉积成型（FDM）

熔融沉积成型（FDM）就是将热塑性丝状材料加热熔化，沿零件截面轮廓和填充轨迹挤出，材料迅速凝固与周围的材料凝结成型。简而言之就是丝材层层堆积成型的工艺过程。

这种工艺方式环保而清洁，原材料易于更换和保存，后处理方式也相对简单，只要去除支撑材料即可。

但FDM的成型精度稍低，为±0.2mm/100mm，且打印速度慢，这两点是FDM的主要限制因素。

FDM可打印的主要材料有ABS、PA12、PC/ABS、PLA等，通常用于打印单件、大尺寸结构件和覆盖件等。

上文说到的支撑材料，指的是打印过程中，对成型材料悬空部位起到支撑作用的材料，通常是水溶的，耐高温，且和成型材料不浸润，以达到易于剥离的效果。

2.2.2 选择性激光烧结成型（SLS）

选择性激光烧结（SLS）的打印精度比FDM高，可达到±0.1mm/100mm，且打印速度快，不需要支撑材料，未烧结的原材料可重复利用，故其材料利用率高。

SLS可打印的材料有PA12、PA12+GF、PA6等，其原理为通过激光扫描，使非金属粉末颗粒在高温烧结下半融化，非金属颗粒紧密结合成整体，通过一层一层的烧结堆积，最终成型。

SLS打印的零件致密度低，强度低，并且比量产的尼龙材料软。而尼龙有吸水性，所以不能打印水管接头之类与水接触的零件。它通常用于打印结构功能件。

2.2.3 光固化成型（SLA）

光固化成型的原料为液态的光敏树脂，打印速度快，打印出的零件表面质量好，精度高，可达到全尺寸公差±0.1mm。

光固化成型的原理是在打印平面喷射液态光敏树脂，通过紫外光进行固化。此种工艺方式灵活多变，可以同时喷射多种不同机械特性的树脂材料，故可以将复杂的由多种材料构成的零件一次性成型。

SLA通常用在打印造型评审样件和个性化定制样件的打印。

2.2.4 非金属3D打印测试

对于非金属3D打印件与传统工艺零件的互换性，我们也针对PC/ABS进行了各方面的测试，经检测，在耐热、耐寒方面，零件均无变形等异常现象，且燃烧特性和气味要求也都在国标允许的范围内。经试验认可，非金属3D打印零件可满足内饰素材类零件性能要求。

3 3D打印在汽车试制领域的实际应用

无论是金属3D打印还是非金属3D打印，大部分材料都能满足汽车零件的性能需求，这就给汽车行业的研发和试制以及商品车的个性化订制提供了更多可能。从母型到零件，从辅具到检具，从成本到周期，都為汽车的生产和研发带来了质的飞跃。

3.1 打印硅胶膜母型

在汽车零部件试制阶段，小批量试制较大的塑料件时，综合考虑硅胶模为最优选择，但原型通常都是CNC制作的，费用非常昂贵，所以现在许多的零部件供应商也都纷纷引入3D打印设备，通过3D打印的方式制作原型，既快又省，大大提高了生产效率。

3.2 试制样件

在设计研发阶段，3D打印可以进行设计验证零件和造型评审零件的加工，远远节省了制造成本和研发周期。

在工程样车装配过程中，可能由于个别零件无法赶上装配进度，此时为满足试验要求，就需要打印相应的零件装车。但由于3D打印零件的强度稍弱，还需要将零件进行加厚或增加加强筋，以满足需求。

在平台样车装配阶段，局部车身变更时，相应的内外饰零件或风道也需要随之变更。我们通常的做法就是在原有零件的基础上进行切割、粘接等，但难免会出现漏风、露钣金等现象，影响试验员的体验和整车的美观。

而现在我们则可以根据更改后的车身数据，利用3D打印的方式，小批量制作非正式的护板类零件，可以更好地为试制的用户——试验提供最优的服务。

3.3 试制检具

在对OTS零件进行入库检查时，以及分析零部件的匹配问题时，我们需要知道某些零部件是否符合图纸的尺寸要求，而有些尺寸无法直接测量得到，在量产的工装检具未完成时，可以设计打印简易的检具，快速满足某些尺寸的检测要求。

3.4 试制工装

在整车试制阶段，车身精度还不稳定，而有些零部件又需要用工装夹具进行装配。此时无法用试制车身调试量产夹具，所以试制可能面临手工装配的尴尬处境，装配精度很容易不满足试验要求。

此时利用3D打印，可以临时快速制作简易的工装夹具，既降低了装配难度，又能满足试验需求。

4 结语

在不久的将来，将会有越来越多的制造企业建立3D打印创新中心，汽车行业也会在3D打印工艺支撑下飞速发展。

参考文献

[1] 姚栋嘉，陈智勇，吕磊等.3D打印技术[M].上海.机械工业出版社， 2018.9.

[2] 王晓燕，朱琳.3D打印与工业制造[M].北京.机械工业出版社， 2019.1.

[3] [英]Christopher Barnatt.3D打印：正在到来的工业革命（第2版）[M].北京.人民邮电出版社.2016.6.