全面剖析3d打印技術在汽車上的應用案例

據(jù)外媒報道，未來3D打印技術將在汽車等各行業(yè)中發(fā)揮極為重要的作用，未來的制造工廠將會由許多工業(yè)級3D打印設備組成。隨著各類3D打印技術的不斷發(fā)展，未來汽車制造將隨之發(fā)生重大變革。

3D打印技術在汽車業(yè)的應用及前景展望

盡管3D打印技術在汽車行業(yè)內(nèi)的應用尚處于相對初級的階段，但該技術的應用已在汽車行業(yè)掀起一輪新的制造技術革新。2014年，美國洛克汽車公司（Local Motors）利用其打印設備，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）及碳纖維混合物（配比：80/20）為材料，打造了全球首輛3D打印車輛——Strati。

2016年，本田發(fā)布新版微通勤（Micro-Commuter）電動車，該車型的制造也應用了3D打印技術。隨后，其他車企也紛紛跟進，利用3D打印技術來制造關鍵零部件（key components），旨在保障始終如一的產(chǎn)品品質、可靠的產(chǎn)品性能并積極致力于持續(xù)縮短投產(chǎn)準備階段（lead-time）的耗時。

據(jù)一份名為《全球3D打印汽車市場分析與發(fā)展趨勢——2025年行業(yè)預測（Global 3D Printing Automotive Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025）》的新報告預計，截止至2025年，3D打印設備的應用將增長10%，其中大部分設備將被用于轎車、卡車零部件的制造。

3D打印技術及優(yōu)缺點分析

目前，汽車行業(yè)已采用了多種3D打印技術，包括：電子束熔融（electron beam melting，EBM）、熔融沉積造型（fused disposition modeling，F(xiàn)DM）、分層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）、三維打?。╰hree dimensional printing）、立體光刻造型（stereolithography）、選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）。以下為小編整理的技術盤點：

電子束熔融（EBM）

其簡稱為EBM技術，是一項新興的先進金屬快速成型添加式制造（form additive manufacturing）技術，采用電子束替代激光打印頭或熱敏打印頭，電子束熔融工藝常用于制造致密金屬件（incredibly dense metal parts）。

工藝原理：

先將零件的三維實體模型數(shù)據(jù)導入EBM設備，然后將一層微細金屬粉末薄層平鋪在EBM設備的工作艙內(nèi)，利用高能電子束經(jīng)偏轉聚焦后在焦點所產(chǎn)生的高密度能量，使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區(qū)域產(chǎn)生高溫，導致金屬微粒熔融。電子束連續(xù)掃描將使一個個微小的金屬熔池相互融合并凝固，連接后形成線狀和面狀金屬層。

優(yōu)點：

1. 電子束穿透能力強，焊縫深寬比大，可達到50:1。

2. 焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接變形小。

3. 真空環(huán)境利于提高焊縫質量。

4. 焊接可達性好。

5. 電子束易受控。

缺點：

1. 設備比較復雜，費用比較昂貴。

2. 焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格，以保證接頭位置準確，間隙小而且均勻。

3. 真空電子束焊接時，被焊工件尺寸和形狀常常受到真空室的限制。

4. 電子束易受雜散電磁場的干擾，影響焊接質量。

5. 電子束焊時產(chǎn)生的X射線需要嚴加防護以保證操作人員的健康和安全。

熔融沉積造型（FDM）

這是一項添加式制造（additive manufacturing，AM）技術，其常用于造型、原型制作（prototyping）及生產(chǎn)應用中。這項3D打印技術由美國學者Scott Crump于1988年研制成功。FDM通俗來講就是利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過打印頭擠出后固化，最后在立體空間上排列形成立體實物。

工藝原理：

將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，將熔化后的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，擠出半流動的熱塑材料，沉積固化后形成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在0.1秒內(nèi)迅速凝固。每完成一層成型，工作臺便下降一層高度，噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲，如此反復逐層沉積，直到最后一層，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件。

優(yōu)點：成型精度更高、成型實物強度更高、可以彩色成型。

缺點：成型后表面粗糙

分層實體制造（LOM）

又稱層疊法成形，由美國Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。

工藝原理：其采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。事先在片材表面涂覆上一層熱熔膠，加工時，采用熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機構轉動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。

優(yōu)點：

1. 成型速度較快。由于只需要使用激光束沿物體的輪廓進行切割，無需掃描整個斷面。因此，成型速度很快，該技術常被用于加工內(nèi)部結構簡單的大型零件。

2. 原型精度高，翹曲變形小。

3. 原型能承受高達200攝氏度的溫度，硬度較高、力學性能較好。

4. 無需設計和制作支撐結構。

5. 可進行切削加工。

6. 廢料易剝離，無需后固化處理。

7. 可制作尺寸大的原型。

8. 原材料價格便宜，原型制作成本低。

缺點：

1. 不能直接制作塑料原型。

2. 原型的抗拉強度和彈性不太好。

3. 原型易吸濕膨脹，因此，成型后應盡快進行表面防潮處理。

4. 原型表面有臺階紋理，難以構建形狀精細、多曲面的零件。因此，成型后需進行表面打磨。

在這種快速成形機上，截面輪廓被切割和疊合后所成的制品，如上圖所示。其中，所需的工件被廢料小方格包圍，剔除這些小方格之后，便可得到三維工件。

LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，除制造模具、模型外，該工藝還能直接制造結構件或功能件。

該快速成型技術的出現(xiàn)，還能較好地迎合了車燈結構與外觀開發(fā)的需求，上圖的零部件就采用了該工藝。

3維打印

類似于傳統(tǒng)的二維噴墨打印，可以打印超高精細度的樣件，適用于小型精細零件的快速成型。

工藝原理：

沿著X軸前后滑動，在成型室里鋪上一層超薄的光敏樹脂。每鋪完一層后，噴頭架邊上的紫外光球立即發(fā)射紫外光，快速固化和硬化每層光敏樹脂。該步驟減少了使用其他技術所需的后處理過程。每打印完一層，機器內(nèi)部的成型底盤就會極為精確地下沉，而噴頭繼續(xù)一層一層地工作，直到原型件完成。成型時使用了兩種不同的光敏樹脂材料：一種是用來成型實體部件的成型材料，另一種類膠體的用來支撐部件的支撐材料。

優(yōu)點：成型精度高，可以彩色成型。缺點：成型表面粗糙，材料強度差，成型后表面細節(jié)差。

立體光刻造型

工藝原理：

先由軟件把3D的數(shù)字模型，“切”成若干個平面，這就形成了很多個剖面，在工作的時候，有一個可以舉升的平臺，這個平臺周圍有一個液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體，紫外線激光會從底層做起，固化最底層的，然后平臺下移，固化下一層，如此往復，直到最終成型。

優(yōu)點：精度高，可以表現(xiàn)準確的表面和平滑的效果，精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。

缺點：可以使用的材料有限，并且不能多色成型。

選擇性激光燒結（SLS）

工藝原理：

將3D模型薄片化之后，在一個容器內(nèi)，讓其充滿待燒結的材料粉末，這些粉末可以做的很細，然后由大功率的二氧化碳激光，選擇最底層的3D切片形狀開始燒結，然后平臺下移，材料輥則在已經(jīng)燒結的部分基礎之上，再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結，如此往復，直到整體成型。

優(yōu)點：材料的強度非常高，可選材料從金屬到聚苯乙烯等等，可選材料范圍非常廣泛。

缺點：成型精度低，成型后表面粗糙，不能彩色成型。

汽車行業(yè)已開始涉足上述六大類3D打印制造工藝，旨在打造低成本、個性化的車輛。許多車企還采用了數(shù)碼技術，用于車輛的原型制作、測試及各類工具、機床夾具（jigs）、固定裝置（fixtures）及零部件的生產(chǎn)制作。對車企而言，盡管3D打印技術尚處于初創(chuàng)期，但3D打印技術及其設備將助推汽車行數(shù)字化制造變革，其作用無疑是至關重要的。