各類3D打印成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的對(duì)比分析
魔猴君 行業(yè)資訊 2001天前
隨著世界第一臺(tái)3D打印汽車問世，3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。基于此，首先在查閱相關(guān)文獻(xiàn)、專家訪談的基礎(chǔ)上，確定各類3D打印快速成型技術(shù)的基本原理，為每一種成型技術(shù)的研發(fā)對(duì)比提供基礎(chǔ)。其次，通過案例收集與實(shí)地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。最后，得出最高效、最能實(shí)現(xiàn)利益最大化的成型技術(shù)，降低成本，提高效率，這對(duì)于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
1 3D打印快速成型技術(shù)原理
3D打印技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)模型，采用快速打印的方式把粉末類金屬、塑料材料粘合在一起，生成目標(biāo)物品的技術(shù)。它的核心技術(shù)就是快速成型技術(shù)，主要是通過計(jì)算機(jī)的控制，根據(jù)使用材料的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速成型目標(biāo)物品，這就利用到了3D打印快速成型技術(shù)，目前這一技術(shù)大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）、絲狀材料選擇性熔覆工藝（FDM）和粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）三種。
1.1 光敏樹脂選擇性固化工藝
1.2 絲狀材料選擇性熔覆工藝
針對(duì)FDM工藝，是一種相對(duì)成熟、應(yīng)用廣的3D打印技術(shù)，其原理主要是融化絲狀材料再組合的過程，進(jìn)而生成固體物品的過程，示意圖如圖2所示：
（1）首先將絲狀材料放入絲輪中進(jìn)行融化；
（2）然后再使用噴頭擠壓，并在工作臺(tái)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，逐漸實(shí)現(xiàn)液體固化，并形成計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。FDM 工藝的優(yōu)點(diǎn)是：使用的絲狀材料多是廢物利用，既能廢物利用也能保護(hù)環(huán)境。另外，F(xiàn)DM 工藝對(duì)儀器的精度要求很低，能節(jié)省很多生產(chǎn)成本。SLA工藝的缺點(diǎn)是：打印誤差大，只能打印出體積大、低精度的目標(biāo)物品，特別適合打印大型零部件。
1.3 粉末材料選擇性燒結(jié)工藝
針對(duì)SLS工藝，是融合了SLA工藝和FDM 工藝的優(yōu)缺點(diǎn)的一種3D打印技術(shù)，尤其在汽車制造業(yè)領(lǐng)域的適應(yīng)性最廣。其原理主要是將粉末狀材料熔化再凝結(jié)的過程，進(jìn)而生成固體物品的過程，示意圖如圖3所示：（1）首先將粉末狀材料放入粉料缸中進(jìn)行熔化；（2）然后使用光纖激光器掃描液體材料，并在工作臺(tái)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，逐漸實(shí)現(xiàn)液體固化，并形成計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)是：適合中小部件的生產(chǎn)。使用的粉末材料環(huán)保，且可使用的粉末材料很多，節(jié)省了成本。另外，SLS工藝的結(jié)果精度也較高，能夠快速成型。而且SLS工藝的可能加功能很多種混合粉末材料，能產(chǎn)生新的工件。SLS工藝的缺點(diǎn)是：粉末狀顆粒會(huì)干擾目標(biāo)物品表明的光滑度，形成很多小孔，材料還需要后期加工。
2 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用案例
目前，3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已十分廣泛，本文將通過案例收集與實(shí)地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。
2.1 3D打印車
2010年，世界第一輛純3D 打印車Ubree誕生。全車的所有部件都是采用3D打印技術(shù)打印出來的，工人只需要將這些零部件組合起來就可以了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短了汽車制造中的零部件生產(chǎn)周期。隨后，改進(jìn)的Urbee2全車只有50個(gè)打印的零部件，進(jìn)一步縮短了汽車制造中的零部件組裝時(shí)間。
2.2 3D打印賽車
2012年，由比利時(shí)的多名設(shè)計(jì)師也通過3D打印技術(shù)制造了世界上第一輛3D打印賽車，并完成了賽道測(cè)試，令人驚訝的是，整個(gè)車市的打印時(shí)間只需要3周，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車的制造工藝。另外，該賽車的能在4秒內(nèi)提高時(shí)速至每小時(shí)96公里，最高時(shí)速能達(dá)到每小時(shí)141公里。
2.3 3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)
2004年，由德國(guó)奧迪公司的設(shè)計(jì)師為電影《機(jī)械公敵》設(shè)計(jì)的概念汽車便運(yùn)用了3D打印技術(shù)，其中的發(fā)動(dòng)力是采用了3D打印技術(shù)中的SLS工藝，并實(shí)現(xiàn)了真正的行駛。
3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)的制作過程：
3 結(jié)論與展望
本文通過案例收集與實(shí)地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。本文是分析結(jié)果有利于得出最高效、最能實(shí)現(xiàn)利益最大化的成型技術(shù)，降低成本，提高效率，這對(duì)于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是從已有的3D打印快速成型技術(shù)和3D打印汽車產(chǎn)品來看，3D打印技術(shù)還存在很大的進(jìn)步空間，具體有：
第一，3D打印技術(shù)的成本相對(duì)較高，更別說3D打印汽車的制造成本，應(yīng)用性有限。未來需要繼續(xù)突破技術(shù)壁壘，設(shè)計(jì)出“平民化”的產(chǎn)品，讓更多的消費(fèi)者可以享受到自己設(shè)計(jì)汽車外形的全新體驗(yàn)。
第二，繼續(xù)研究“綠色”3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢物利用、可回收、對(duì)環(huán)境無(wú)害等特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)綠色制造。目前使用的很多材料雖然可獲取、無(wú)毒，但很難降解，也會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。
