3D打印是三维打印的一种。它是利用三维模型及材料的性质将待印刷的制品直接印刷成三维形式。ChalesHull在1984年提出3D打印这一概念并于1986年对这一技术进行专利申请。近几年汽车保有量急剧上升。国内外车企纷纷将我国视为全球最大的市场,车企竞争越来越激烈。所以,想要在汽车市场上占有更大的份额,就要在汽车技术,外观以及成本控制上领先一步,3D技术所特有的优势很适合汽车行业甚至是汽车零部件上的使用与维护。当前3D打印中,桌面级小范围打印,一般使用FDM打印或者堆叠技术。设计3D模型和打印机组合由计算机完成。待打印模型是利用材料的属性打印出来的。10万以上打印一般采用3D激光技术(如SLA、SLS等)。采用这种印刷方式,印刷效果比覆膜技术印刷高,成型率高,精度好。当然,由于对产品的需求不同,3D打印机的精度和体积也会有所不同。目前,一般工业级3D打印机打印出来的小产品成本在几十万左右。

3D打印技术属于高速成型(又称增材制造)技术。数字模型文件,图层模型文件,分层打印形成物体,用粘性材质(例如粉末金属或者塑料)制作。3D打印一般由数字技术材料打印机来完成,模型制作一般应用于模具制作和工业设计中。在材料科学不断发展的今天,人们已经逐步采用3D打印技术来直接制造具体产品,而打印出来的零件也采用该技术。该技术在航空航天技术,汽车研发,医疗模式,电子工业和建筑住宅方面都会得到运用。

3.1建立3D数字模型

3D打印技术是一种按需建立3D数字模型的技术,一般采用扫描成型与软件设计2种建立方法。当现有对象存在时,通过三维扫描仪把对象三维信息转换成直观数字信号进行快速逆向3D数字建模即扫描建模。借助3D设计软件实现的3D数字建模,叫做软件设计。汽车行业中,经常使用的3D设计软件主要包括Catia,Pro/e,UG等。

3.2 切片处理

在获得3D数字模型之后,启动数字模型切片流程,即沿着某一轴线将3D模型切分为一系列二维平面数据,如图1。常用切片软件主要包括cura,s3d和Repetie Host三种。与此同时,各大3D打印机厂商纷纷拥有了自己开发的切片软件。

3.3 打印成型技术

作印3D打印技术的主要目标之一,打印成型对于打印的最终质量极为重要。一方面,常用的3D打印技术包括SLA(液态照明设备)、SLS(选择性准分子激光高温烧结)、FDM(熔融尿酸盐晶体的快速形成)、3DP(三维白色粉末键合)和DMLS(然后是非金属准分子激光高温烧结)等5种。以FDM为例,熔融尿酸盐结晶(FDM) 3D打印技术是将需要的片状材料加热到一定的室温使其熔化,然后用压缩空气挤出。随后是新的编程增量。熔融尿酸盐结晶印刷工艺通常在几乎全部印刷之前采用。一般来说,FDM 3D打印机使用ABS工程塑料、柔性材料所需材料、金属质感所需材料、尼龙材料所需材料等。

3.4 打印后处理

采用FDM技术印刷的物品较为粗糙且表面纹理清晰,需进行后期加工。一般是通过去除支撑结构,打磨抛光和表面处理以改善制品机械性能,让制品更具有美学悦目感。FDM技术具有简便,成本低等优点。

5.1 D打印材料及其强度

当前,主流3D打印材料包括金属,树脂,塑料等。有些材料尚处在研究阶段,要想广泛地应用于更多的领域,就必须研制出更多的产品。尽管目前能印刷某些金属零件,但对某些要求高强度和高韧性的金属材料来说,仍然存在着技术上的困难。由于3D打印采用增材制造的方式,各层原料间的关系相互叠加,层间的衔接没有铸造,锻造和焊接等传统加工方式好。与帘布层垂直方向拉伸与压缩强度亦劣于传统方法,较多情况下由于零件表面质量与精度较低,所印零件仅能做原型。

5.2 3D打印机速度

3D打印机速度由于分层生产方式的应用,当前3D打印机在速度上无法适应大批量生产要求。零件打印量的多少,将对材料量,成本,打印时间等产生直接的影响。比如打印体积为3倍的部件,耗时及费用都会比原件高出27倍,而且体积越大部件所需时间越长。

5.3 3D打印的价格

三维打印用材料和已有材料有很大区别。在经济上并不具备明显优势。在3D打印产业化还未全面形成时,原材料价格较高。在工业生产方面,3D打印核心设备价格昂贵。这就决定了3D打印机投入大,耗材多。对于企业而言,前期的巨额投入,也使得印刷零部件价格居高不下。

6.1在生产领域应用

世界上第一辆3D打印汽车于2010年登陆美国,是一款由电池和汽油驱动的三轮混合动力汽车。打印整辆汽车需要2500小时,工人只需要组装所有零件。它的生产周期比传统汽车生产快得多,而且不需要模具、机器、流水线等。在更新新车型的过程中,设计师可以调整相关的3D模型,修改相应的参数,获得现有汽车生产无法实现的新车型。将3D打印应用到汽车外观上,可以摆脱高端奢华的个人定制,设计师可以摆脱传统机械制造工艺的想象,摆脱汽车外观的束缚,一切想象中的想法都能成为现实。

6.2 在零部件生产应用

汽车零部件样机开发量非常大,常规样机开发周期已无法适应现代汽车飞速发展的要求。3D打印既缩短了打印开发周期又减少了打印成本。尤其是在科技不断发展的今天,各部件的外形及结构日趋复杂,增加了模具研制及生产难度。3D打印技术能够较好的克服这一难题。而从材质上看,并不局限于树脂或者工程塑料,金属材料同样能迅速成形。目前我国有很多企业采用3D打印技术来制造气缸,传动齿轮以及其他常用的零部件,如图3。

6.3 在维修领域应用

3D打印对于汽车维修技术,备件库存等方面都有较大影响。在替换和修理的备件不足的情况下,研制有关模具是浪费、费资金和时间的。技术人员可直接利用3D打印对伤口进行修补,也可打印供不应求的部件以延长关键结构寿命。在大型、不可动现场作业机械发生故障后,可带3D打印机到场检修。另外,汽车维修常用的专用工具或者品牌专用工具有的需求并不是很高,购买起来也比较困难。3D打印能够直接解决这一难题。

6.4 在个汽性车化设定计制与汽制车

在个汽性车化设定计制与汽制车造中,设计师需要综合考虑人机工程学对汽车座椅高度,仪表板布置,后视镜尺寸进行设置。人机工程学以多数顾客数据为基础进行测量与统计,筛选出最佳设计方案,无法考虑每一位顾客的要求。每一位顾客所购车辆均由生产线批量生产。一点都不个性化。在自己看不惯或者不适合自己的外观与配置面前,也只有被动地接受。若顾客在传统生产方式中提出个性化需求,则会支付极高的经济代价。

3D打印技术应运而生,为用户量身打造爱车提供了可能。消费者可根据自己的条件,性别和行为习惯对厂商提出个性化的需求,比如对车辆外观的改变,对色彩的需求,后座的改变以及仪表板的布置等等。如此,生产成本并没有

6.5 在汽车研发阶段的应用

在在汽汽车车保研有发量阶急段剧的增应加用的今天,汽车行业竞争也越来越激烈。成本控制是汽车企业研发阶段的主要问题。研发的速度和成本息息相关。传统汽车研发过程中,部件只有经过模具的制作才有可能完成。但一般汽车零部件制造商一般都要三个多月才能研制生产和使用模具,造成了巨大的资源浪费。

随着材料科学的飞速发展,越来越多的材料可以用于3D打印,可以满足大部分汽车零部件的性能要求,而且打印技术生产的产品比传统方法生产的产品更加精密、零件更好。同时,3D打印技术可以减轻汽车零部件的重量,减轻汽车的重量,降低汽车的油耗,上摆臂用3D打印后比原有零部件轻30%以上,如图4,符合国家有关部门的绿色发展理念。