3D打印技术及其对汽车行业的影响

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摘 要：与传统加工方式不同，3D打印技术是一种添加制造技术，其工作原理和传统加工方法也不一样。3D打印技术常见的有七类，着重介绍了选择性激光烧结、熔融沉积成型、直接金属激光烧结、光敏树脂选择性固化工艺四种的技术说明、优点、缺点。在汽车行业中，3D打印也有着广泛的应用，重点说明了汽车整车打印、汽车外形设计、个性化定制汽车等在汽车行业中的应用。作为新型的加工方式，3D打印也存在很多不足之处：打印材料及其强度、打印机速度、打印的价格。

关键词：3D打印技术；汽车行业；影响

与传统的“去除材料”加工方法不同，被称为“具有工业革命意义”的3D打印（3D Printing）是一种“添加制造”（Additive Manufacturing）技术。与传统技术相反，“添加制造”技术是采用层叠方式制造零件的方法。[1]

经过数十年的发展，3D打印技术已经逐步成熟，价格有所下降，应用在多种学科领域上，例如：外科医生打印器官；产品设计人员将设计的三维模型打印出来，做原型测试等。3D打印行业连续第二年增长达10亿美元，总市值在2015年已经接近51.65亿美元。[2]

1 3D打印原理

3D打印的步骤通常分为以下四步，如图1所示。各个步骤的详细说明如表1所示。[3]

2 常见打印方法

常见的商品化的3D打印机有七类，其中以SLA、SLS、FDM 和DMLS等四类为主[4-5]。这四类打印技术常见的信息如表2所示。根据打印零件的材料、结构、使用条件选择合适的打印方法。

3 3D打印在汽车产业上的应用

3D打印具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等特点[1]，在汽车领域有着很广泛的应用，本文从汽车整车打印、汽车外形设计、个性化定制汽车等方面来说明3D打印在汽车行业的应用。

3.1 汽车整车3D打印

近些年，已有多个公司采用3D打印技术制造汽车整车。表3列举了汽车整3D打印的历史，3D打印厂商与汽车厂商的合作越来越紧密，这一合作势必会推动汽车业的发展。汽车整车打印历史如表3所示。

3.2 汽车外形设计

在进行一款汽车设计的初期，需要设计汽车的外形。汽车的外形对汽车销量有着很大的影响，在设计时需要考虑到美学、空气动力学、汽车的车型、材料工艺、价格成本等。图3为传统汽车造型设计流程。

在这个流程中，着重介绍油泥模型。油泥模型就是在数据模型的基础上，用油泥、泡沫等材料做出实物来。在设计前期做小比例油泥模型，设计后期做1：1的全尺寸油泥模型。全尺寸实物油泥模型，主要作用有两个：（1）直观展现出设计师的设计，可以在实物上直接修改。在油泥模型上进行修改是比较容易了，可以直接用刮刀调整汽车造型曲面。（2）对车身外部进行风洞试验。汽车在行驶过程中，会受到空气阻力的作用，而且车速越大阻力越大。在设计阶段做风洞试验，就是模拟汽车在高速行驶的情况下，检测受到的阻力、升力等数据，以便设计人员对车身进行优化。[5]

引入3D打印后，汽车的外形设计流程大大简化，如图4所示。

在使用3D打印技术后，不仅仅是设计流程大大简化，更是节省了大量时间和金钱。如果车型需要修改，只需修改三维模型，打印3D样车，新车的外形设计就可以完成。在汽车更新换代非常快的今天，采用这种方式设计的汽车厂商，会具有更快的设计周期，更多的产品类型。

3.3 个性化定制汽车

汽车在设计和生产的过程中，设计师要考虑人机工程学来设置汽车座椅高低、仪表盘布置、后视镜大小等。人机工程学是根据大部分客户的数据进行测量和统计的，选取最佳的设计方案，无法兼顾每个客户的需求。每个客户买的车都是从生产流水线上批量生产，毫无个性化可言，面对自己不喜欢或者是不合适的外形、配置等只能被动的接受。如果客户在传统生产方式下要求个性化，则会付出极高的经济代价。

3D打印技术的出现，让客户有了个性化定制汽车的可能。消费者可根据自身条件、性别、动作习惯对厂家提出个性化要求，比如汽车外观的改变、颜色要求、后排座椅变更、仪表盘排布等。在这种方式下，生产成本不会大幅提高，却可以给客户提供个性定制化独一无二的汽车。

4 目前3D打印技术存在的问题

3D打印技术经过多年的发展，已经有了很大的进步，但是在很多方面和传统加工方法相比依然存在不足，有以下几方面问题：

4.1 3D打印材料及其强度

目前3D打印材料主流的是金属、树脂、塑料，其他的材料还在研究阶段，需要研发出更多的材料才能在更多领域的大规模使用。根据所需零件的要求开发新的材料，并建立材料性能参数、打印方法、打印零件测试方法的数据库。即便是现在能够打印出一些金属零件，但是对于有些零件要求的高强度高韧性金属材料，现在依然存在技术难点。

3D打印由于采用添加制造的制造，原材料每层之间是叠加的关系，层与层之间的连接不如传统的铸锻焊等加工方法。在垂直层方向上的受拉受压强度也不如传统方法。比较多的时候，打印零件只能用做原型，其原因是因为零件表面质量和精度不高。

4.2 3D 打印機速度

3D打印机由于层叠的生产方式，其速度目前还不能满足大规模生产的需要。零件的打印体积会直接影响材料数量、成本、打印时间比如：如果要打印三倍体积的零件，花费的时间和成本将是原来的27倍，越大的零件将花费更多的时间。

4.3 3D打印的价格。

3D打印采用材料与传统材料不一样，单单从经济的角度考虑，没有明显优势。在3D打印产业化没有完全形成时，原材料的价格比较高。对于工业生产，3D打印核心设备贵，即3D打印机的投资大，耗材贵。对于企业而言，前期投入非常大，也会造成打印零件价格高。

5 结束语

“具有工业革命意义”的3D打印技术在汽车行业中有着广泛的应用，汽车整车打印、汽车外形设计、个性化定制汽车等应用已经比较成熟。但3D打印还是存在不少的问题，其打印的材料和强度、打印速度、打印价格有待进一步提高。可以肯定的是在未来汽车行业中，随着3D打印技术的发展，使用范围会更加广阔。

参考文献

[1]李小丽.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014（1）：1-5.

[2]黄健.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013（1）：62-67.

[3]程美.3D打印技术及其对汽车设计的影响[J].汽车工程师，2015（10）：13-15.

[4]王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].吉林大学，2014.

[5]赵婧.3D打印技术在汽车设计中的应用研究与前景展望[D].太原理工大学，2014.

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