3D打印汽車功能性零部件、內外飾及整車的應用,機械工程論文摘要：采用3D打印技術制造汽車終端產品,代替傳統零部件,在車身、底盤、發動機以及內外飾上直接應用,能夠實現產品創新、性能提升、個性化定制等目的。圍繞3D打印零部件在汽車上的直接應用,介紹了國外成功的案例,并且指出了國內相比國外在應用方面存在的差距,同時提出了推廣3D打印零部件在汽車上應用的對策和建議。本文關鍵詞語：3D打印;汽車零部件;應用;1、前言最近幾年,大量的新品牌、新車型不斷涌入汽車市場,汽車產品更新換代的速度越來越快;環保法規日益嚴格,對汽車輕量化提出了更高層次的要求;千篇一律的汽車外形不再能知足客戶的消費要求,個性化定制的需求越來越強烈;這些都對車企提出了新的挑戰。3D打印作為一種快速成型技術,它以數字模型文件為基礎,利用粉末狀金屬或塑料等一些能夠粘合的材料,通過逐層打印的方式來構造物體,因而,3D打印無需開模,可節省產品開發的成本和時間,并且不用遭到模具的限制,可構造復雜型面及異形構造,合適柔性生產,3D打印與傳統加工工藝比擬,在推動產品快速化、輕量化、定制化方面的優勢給汽車帶來了新的機遇,借助3D打印技術能夠加速產品研發、助力輕量化、實現私人定制。3D打印技術源于19世紀80年代中期,很早就被汽車行業所應用,主要用來進行原型制造、造型評審、尺寸驗證等,隨著技術的發展和進步,當前應用于生產的3D打印應用逐步占據主要地位,3D打印零部件不再只作為模型,而是能夠作為最終產品直接在汽車上使用。2、3D打印汽車功能性零部件的應用以往,遭到傳統制造業的限制,汽車設計師在設計產品時,往往會由于生產因素而犧牲產品性能,而3D打印技術能夠實現自由造型,為零件設計帶來了更大的發揮空間。3D打印能夠制造很多傳統工藝無法實現的復雜構造零件,例如點陣構造、一體化構造、異形拓撲優化構造等,這些復雜構造不僅降低零件的質量,還能發揮其他功能性的作用。美國加利福尼亞州的FIT公司通過選擇性激光熔化3D打印技術制造充滿點陣構造的仿生發動機氣缸蓋(圖1),該氣缸蓋質量減少了66%,外表面積從823cm2增加到6052cm2,顯著提高了氣缸蓋的冷卻性能,進而改善了賽車的發動機性能[1]。法拉利668賽車應用了3D打印的鋼合金活塞,該零件內部添加了復雜的點陣構造(圖2),不僅能夠減少材料的使用,減輕零件質量,又能夠保證高沖擊區域的強度,使發動機實現更充分地燃燒。圖13D打印仿生氣缸蓋圖23D打印活塞國內主機廠也開場嘗試通過3D打印制造汽車功能零件,圖3展示了采用選擇性激光熔化3D打印技術制造的鋁合金汽車輪轂,中間選用1.5mm6mm晶胞點陣構造,與同尺寸的傳統鑄鋁車輪相比,降重13%。圖33D打印輪轂3D打印的汽車零件不僅用于功能性測試,還能夠應用于小批量生產,甚至量產。寶馬DTM賽車動力系統安裝的高精度鋁合金水泵輪是通過3D打印制造(圖4),這一技術的采用,解決了水泵輪幾何槽形加工困難的問題,并且在惡劣的工作環境下,驗證了零件卓越的性能。2021年已經完成了500件3D打印水泵輪的裝配,實現了小批量生產[2]。寶馬量產的i8Roadster敞篷跑車裝上了3D打印的車頂支架(圖5),這個件比常規工藝制造的車頂支架質量輕44%,剛度增加,實現軟頂快速升高和降低,并以鋸齒形配置折疊和展開的功能。成本是決定3D打印能否用于量產的一個主要因素,寶馬公司通過工藝改良,把這個零件相比壓鑄的成本平衡點提高到了60000件。也就是講,產量在60000件以內,采用3D打印生產車頂支架,成本更低。圖43D打印水泵輪圖53D打印車頂支架3、3D打印在汽車內外飾的應用汽車外形和內飾風格與消費者的購買決策是息息相關的,3D打印技術的應用,能夠為汽車提供更舒適的環境或更個性的造型。汽車內外飾也開場采用3D打印直接制造,法國標致曾有一款Fractal的純電動概念車,該車的內飾件外表具有凹凸不平的構造,這些構造是將白色尼龍粉末通過選擇性激光燒結3D打印方式制成(圖6),這種內飾不僅能夠減少聲波和噪聲水平,而且會使聲波從一個外表反射到另一個外表,進而實現對聲音環境的調整[3]。圖63D打印汽車內飾消費者希望讓自個的車子與眾不同,3D打印技術能夠提供高性價比的解決方案。寶馬Mini已經開場將3D打印運用到了汽車內飾的定制上,客戶能夠在側舷窗以及內飾板兩個零件上,充分發揮自個的創意,將彰顯個性的簽名,圖案、顏色整合到零件的設計中,然后采用3D打印制造出來,見圖7。圖73D打印個性化內飾零件豐田子公司大發敞篷車Copen也為客戶提供定制服務,有15種外觀皮膚采用3D打印制造,能夠貼到車前后保險杠上(圖8),客戶還能夠自行更改設計,創作唯一無二的車身皮膚。圖83D打印車身皮膚為了提升車輛檔次,很多高端車型都配備了金屬的音響揚聲器罩,國內某車企采用3D打印的方式制造了音響揚聲器罩(圖9),選用了超級輕質的鎳合金材料,在彰顯了金屬質感的同時,還能夠重新設計網孔以及添加個性化元素。圖93D打印揚聲器4、3D打印在整車制造的應用3D打印不僅能夠直接制造汽車零部件,甚至能夠顛覆傳統的整車設計理念和制造方式,用于整車制造。Blade跑車是一款顛覆傳統設計的全新跑車,它的底盤和支撐構造是通過將3D打印的鋁合金節點與現成的碳纖維管材連接而成(圖10),整個裝配經過像搭建積木一樣。汽車底盤大約由70個3D打印的鋁節點組成(圖11),這種構造不僅質量減輕90%,并且能夠經受住五星級碰撞,承受得了在公路上的顛簸[4]。圖10鋁節點與碳纖維管搭接圖113D打印鋁節點LSEV是世界第一款即將量產的3D打印電動汽車,該車除了底盤、輪胎、座椅、方向盤和玻璃以外,其余的車身及內外飾都采用3D打印制造,先打印車身零部件,再打孔進行裝配。整臺車的零件總數由傳統汽車2000個以上減少至57個,并且可根據用車場景對車身及內外飾進行定制,例如為意大利郵政設計的車輛,為了有更多的空間存放包裹,將車身加高,取消副駕駛的座位,并且在副儀表臺上留出放置票據等物品的空間(圖12)。圖123D打印郵政車輛5、瞻望3D打印在汽車領域的應用正從簡單的功能原型朝著更多的功能部件方向發展,寶馬、福特等諸多知名車企都在汽車產品研發以及生產階段大量使用了3D打印技術,充分利用3D打印的技術優勢,推進汽車技術朝著更經濟的燃油性能、性能更佳的零部件以及有利于產品差異化的產品特征方向發展[5]。國內與國外相比,在3D打印技術本身以及應用范圍方面還存在較大的差距,主要還是將3D打印用于產品研發階段的設計驗證、功能測試以及生產經過的工裝夾具制造、質量檢測等領域,這些往往是采用傳統的理念進行設計的,通過3D打印進行替換,確實能夠提高效率,降低成本,但是尚未充分發揮3D打印技術優勢。3D打印的最大價值在于為產品提升高附加值,在復雜零件、創新產品(拓撲優化),以及個性化定制方面效果顯著。那么應該怎樣深切進入挖掘3D打印技術的應用價值,需要汽車領域設計師足夠重視3D打印技術,從設計初期,甚至是產品策劃階段,就引入這種思維,以3D打印制造形式來設計產品,突破傳統觀念的限制,這樣能夠為產品性能帶來更大的提升空間,甚至為汽車行業帶來更可觀的收益。另外推廣3D打印在汽車上的應用,可以以借鑒戴姆勒公司的經歷體驗,首先,戴姆勒公司在龐大的零件數據庫里面找到適用于3D打印的零部件,華而不實合適于高分子尼龍打印的零件有300多種,合適金屬打印的有100多種,然后是概念驗證階段,驗證在前一階段挑選出來的零件能否在經濟和技術上可行。最終才是利用3D打印實現數字化的零配件生產。聽上去,這套方案是為了打印而打印,但其實在汽車領域,對材料性能要求苛刻,成本要壓縮的很低,只要在部分典型零件上實現了3D打印終端產品生產裝配,才能夠將這一技術進一步的推廣應用,事物的接受需要一個經過,GE公司的3D打印之旅也是先從單一零件開場,再逐步擴展到其它零部件,當前GE的飛機引擎中包含了多個3D打印零部件。當前,遭到3D技術和成本等因素的限制,大范圍推廣3D打印零部件在汽車上直接應用任重道遠,但是隨著該技術的進一步發展和整個產業鏈日臻完善,能夠預見將來3D打印將有望應用到某些汽車零件的生產上,最有希望實現量產的將是汽車金屬支架類零件和內飾零件。以下為參考文獻[1]FITAmericaadditivemanufacturing.ADM-additivedesignandmanufacturingbyFIT[EB/OL].[2021-10-15]..[2]BMWGroup.Racingtechnologyrightfromthe3Dprinter:BMWmakeswaterpumpwheelforDTMracecarsusingadditiveproductionmethod[EB/OL].(2021-04-29)[2021-11-02].[3]Materialise.ThePeugeotfractalconceptcar:3Dprintingacousticinteriors[EB/OL].[2021-10-15]./en/cases/peugeot-fractal-concept-car-3dp