3D打印技術(shù)推動(dòng)汽車制造變革 六大技術(shù)全解析

據(jù)外媒報(bào)道，未來將在汽車等各行業(yè)中發(fā)揮極為重要的作用，未來的制造工廠將會(huì)由許多工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備組成。隨著各類3D打印技術(shù)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(shù)在汽車業(yè)的應(yīng)用及前景展望

盡管3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用尚處于相對(duì)初級(jí)的階段，但該技術(shù)的應(yīng)用已在汽車行業(yè)掀起一輪新的制造技術(shù)革新。2014年，美國洛克汽車公司(Local Motors)利用其打印設(shè)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(dòng)車，該車型的制造也應(yīng)用了3D打印技術(shù)。隨后，其他車企也紛紛跟進(jìn)，利用3D打印技術(shù)來制造關(guān)鍵零部件(key components)，旨在保障始終如一的產(chǎn)品品質(zhì)、可靠的產(chǎn)品性能并積極致力于持續(xù)縮短投產(chǎn)準(zhǔn)備階段(lead-time)的耗時(shí)。

據(jù)一份名為《全球市場(chǎng)分析與發(fā)展趨勢(shì)——2025年行業(yè)預(yù)測(cè)(Global 3D Printing Automotive Market Analysis Trends - Industry Forecast to 2025)》的新報(bào)告預(yù)計(jì)，截止至2025年，3D打印設(shè)備的應(yīng)用將增長(zhǎng)10%，其中大部分設(shè)備將被用于轎車、卡車零部件的制造。

3D打印技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)分析

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

電子束熔融(EBM)

其簡(jiǎn)稱為EBM技術(shù)，是一項(xiàng)新興的先進(jìn)金屬添加式制造(form additive manufacturing)技術(shù)，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(shí)體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EBM設(shè)備，然后將一層微細(xì)金屬粉末薄層平鋪在EBM設(shè)備的工作艙內(nèi)，利用高能電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦后在焦點(diǎn)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(dǎo)致金屬微粒熔融。電子束連續(xù)掃描將使一個(gè)個(gè)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(diǎn)：

1. 電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，可達(dá)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(zhì)量。

4. 焊接可達(dá)性好。

5. 電子束易受控。

缺點(diǎn)：

1. 設(shè)備比較復(fù)雜，費(fèi)用比較昂貴。

2. 焊接前對(duì)接頭加工、裝配要求嚴(yán)格，以保證接頭位置準(zhǔn)確，間隙小而且均勻。

3. 真空電子束焊接時(shí)，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(chǎng)的干擾，影響焊接質(zhì)量。

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

熔融沉積造型()

這是一項(xiàng)添加式制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)，其常用于造型、原型制作(prototyping)及生產(chǎn)應(yīng)用中。這項(xiàng)由美國學(xué)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(shí)物。

工藝原理：

將低熔點(diǎn)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(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，擠出半流動(dòng)的熱塑材料，沉積固化后形成精確的實(shí)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(tái)便下降一層高度，噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲，如此反復(fù)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(gè)實(shí)體模型或零件。

優(yōu)點(diǎn)：成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型。

缺點(diǎn)：成型后表面粗糙

分層實(shí)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(shí)，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(duì)齊的網(wǎng)格;激光切割完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工件下降，與帶狀片材(料帶)分離;供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸，帶動(dòng)料帶移動(dòng)，使新層移到加工區(qū)域;工作臺(tái)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(gè)料厚;再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實(shí)體零件。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 成型速度較快。由于只需要使用激光束沿物體的輪廓進(jìn)行切割，無需掃描整個(gè)斷面。因此，成型速度很快，該技術(shù)常被用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dá)200攝氏度的溫度，硬度較高、力學(xué)性能較好。

4. 無需設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)。

5. 可進(jìn)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(jià)格便宜，原型制作成本低。

缺點(diǎn)：

1. 不能直接制作塑料原型。

2. 原型的抗拉強(qiáng)度和彈性不太好。

3. 原型易吸濕膨脹，因此，成型后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處理。

4. 原型表面有臺(tái)階紋理，難以構(gòu)建形狀精細(xì)、多曲面的零件。因此，成型后需進(jìn)行表面打磨。

在這種快速成形機(jī)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(jié)構(gòu)件或功能件。

該的出現(xiàn)，還能較好地迎合了車燈結(jié)構(gòu)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(xì)度的樣件，適用于小型精細(xì)零件的。

工藝原理：

沿著X軸前后滑動(dòng)，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(shù)所需的后處理過程。每打印完一層，機(jī)器內(nèi)部的成型底盤就會(huì)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(shí)使用了兩種不同的光敏樹脂材料：一種是用來成型實(shí)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(diǎn)：成型精度高，可以彩色成型。缺點(diǎn)：成型表面粗糙，材料強(qiáng)度差，成型后表面細(xì)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(gè)平面，這就形成了很多個(gè)剖面，在工作的時(shí)候，有一個(gè)可以舉升的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)周圍有一個(gè)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(huì)從底層做起，固化最底層的，然后平臺(tái)下移，固化下一層，如此往復(fù)，直到最終成型。

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

缺點(diǎn)：可以使用的材料有限，并且不能多色成型。

選擇性激光燒結(jié)(SLS)

工藝原理：

將3D模型薄片化之后，在一個(gè)容器內(nèi)，讓其充滿待燒結(jié)的材料粉末，這些粉末可以做的很細(xì)，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(jié)，然后平臺(tái)下移，材料輥則在已經(jīng)燒結(jié)的部分基礎(chǔ)之上，再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結(jié)，如此往復(fù)，直到整體成型。

優(yōu)點(diǎn)：材料的強(qiáng)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(diǎn)：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制造工藝，旨在打造低成本、個(gè)性化的車輛。許多車企還采用了數(shù)碼技術(shù)，用于車輛的原型制作、測(cè)試及各類工具、機(jī)床夾具(jigs)、固定裝置(fixtures)及零部件的生產(chǎn)制作。對(duì)車企而言，盡管尚處于初創(chuàng)期，但3D打印技術(shù)及其設(shè)備將助推汽車行數(shù)字化制造變革，其作用無疑是至關(guān)重要的。