3D打印技术在汽车设计中的应用与前景分析

发布时间：2021-01-27

　　【摘要】伴随着社会经济的不断发展，当前我国汽车行业呈现蒸蒸日上的发展态势，这也使得越来越多厂家在汽车技术研发应用上投入更多精力，逐渐突破长期以来遇到的技术瓶颈。3D打印技术如今已广泛应用在汽车设计的工作环境，其巨大的优势也为该行业的发展奠定基础，因此有着远大的发展前景。本文结合笔者多年的研究与实践，对3D打印技术在汽车设计中的应用进行探讨，并分析该技术在该领域的发展前景，以供参考。

　　【关键词】3D打印技术;汽车设计;实践应用;发展前景

　　随着我国“制造2025”计划的提出与逐步实施，在汽车行业中轻量化、智能化逐渐得到越来越多人的重视，并成为未来促进发展的方向。与此同时，我国国民生活水平大幅度提升，对汽车等交通工具的需求量逐渐增大，这也很大程度上促使汽车设计必须在技术上突破难关，冲破瓶颈，取得发展。3D打印技术属于近些年新兴逐渐成型与成熟的技术，有助于促进复杂结构件的制造，实现个性化快速无模生产的目标，在应用3D打印技术的情况下，汽车整车重量才能得以降低，燃油的利用率则能提高。

　　1.3D打印技术简述

　　3D打印技术也可称之为增材制造，具有高速成型的特点，在数字化技术的支撑下针对规则或不规则三维固体物品有高效的处理能力，使其快速成型。因此，3D打印技术在本质上就是借助计算机形成的一种辅助软件，针对特定加工模样作数字化切片处理，从而使实体模型转变为数字化模型，有助于工作人员结合模型图片尺寸再作后续粘合处理[1]。此外，3D打印技术还能将不同形态金属粉或有很高可塑性的材料作分层次加工处理，对其再进行叠加，逐层融合薄型层面，使其变成一个真实存在且立体化的固态形物体。完成打印后，还需重视后续的工作，比如抽离、固态化、打磨、维护修理等等。与过去传统的手工艺技术相比，3D打印技术很大程度上缩短了工程周期，而生产时的松散粉末还能成为新的原材料为下次所用，确保资源价值得到最大程度发挥，并节约成本[2]。若是一些结构上较为复杂的物品，应用传统的方法效率相对偏低，但在复杂结构的制作任务下，整体的成本就大大增加。而3D打印技术本身在机械设备与模具应用的要求不算高，应用下有助于对产品进行更新与升级，且应用的工序步骤较为简单，那么对应的生产周期相对较短，可以生产种类丰富的物品，实现个性化的处理目标。

　　2.3D打印技术在汽车设计中的实践应用

　　3D打印技术最早应用于汽车设计领域可追溯到2010年，当年美国发布第一款全3D打印汽车，由电池与汽油形成三轮混合的能源动力汽车，而当时整个车体零件花费的时间为2500小时，而工作人员拼装零部件的过程也较为简单，生产速度非常快，生产过程也不需要应用机械设备与模具[3]。若要更换车模型，也只是更改3D模型和相关的参数，就能获取新的车型。

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　　在汽车设计中，零部件的开发工作量较大，工作过程较为繁重，过去传统的开发速度已然无法满足当前人们的需求，而应用3D打印技术则很好地缩短了40%左右的周期，还能节省20%左右的成本。在对零部件结构要求更高的情况下，3D打印技术也规避了模具开发难度的问题，所以目前国内不少企业无论在左变速器齿轮构件，还是气缸生产工作时，均首先应用3D打印技术。

　　在这些年的实践中发现[4]，3D打印技术也确给我国汽车的设计维修工作带来了巨大的便捷，零部件的存储更有利，尤其是面向一些急需零部件又无库存的客户，只要对其中一个软件进行打印处理，就能延长结构使用周期与整体的应用质量。若是一些体型庞大且不宜移动的野外作业设备故障机械，则可随身携带3D打印机，就能辅助完成现场的检查和维护工作，相对比传统的处理方式简单而快捷。另外，在汽车的维修方面，经常需要应用较为特殊的工具设备，但平时对这些工具设备的需求不大，因此市面上的样品不多，购买难度较大，应用3D打印技术则不会受到上述因素的影响。

　　以下对几种技术的应用进行探讨：(1)光敏树脂选择性固化技术。该技术的工作原理为为液态光敏树脂的光聚合原理，即液态材料随着一定波长与强度紫外光照射的影响，进而发生光聚合反应，于是从液态转变为固态。应用时刻在设备储液槽中盛放液态光敏树脂，利用激光器发出紫外光束并通过控制系统根据零件分层截面信息在光敏树脂下做逐点的扫描，对应的扫描点就会产生光聚合反应固化，成为汽车零件的薄面层，完成以后可下移层厚距离，而液态树脂则在样件上再进行敷设，通过刮板将黏度较大的树脂液面刮平，可进行下一个扫描加工，这样逐层完成制造零件，形成实体样件。(2)粉末材料选择性激光烧结。该技术应用的是粉末材料通过激光照射烧结原理以及计算机的控制，在层层堆积中成型。操作中首先应用铺粉辊在底层平铺粉末材料，进行加热后确保其略低于粉末烧结点温度，随后利用控制系统激光束对零件分层信息的粉层作扫描处理，升温后烧结，循环一次后再铺上均匀粉末，这样就形成新的截面烧结，完成样件的制作。(3)熔融沉积技术。其应用原理为热塑性丝状材料的加热融化，在零件截面的填充轨迹下挤出后快速凝固，与周围材料凝结成型。丝状热熔性材料主动辊和导向套进入喷头，对其加热后融化，再在微细喷嘴中喷出，于是挤出的材料和前一层固化面进行熔结，根据数据分层信息再成型，一层层沉积，最终完成一个样件。(4)喷射打印技术。3D打印材料以超薄层被喷射在构件托盘中，采用紫外线固化后可喷射不同机械特性材料，该技术支持多种材料的打印，并在单个建造工作中打印不同机械与物理特性的材料零部件，动态制作复合材料，这样就很好地简化了模拟的过程，对于新产品的研发工作具有重大的意义。

　　3.3D打印技术在汽车设计中的应用前景

　　在社会不断发展和科技创新的背景下，3D打印技术也更为完善，伴随普及面的增大及推广力度的加大，3D打印技术对推动汽车行业发展的作用将被越来越多业内人士获知，并会投入更大的动力与更新鲜的血液。在未来的汽车行业发展中，品牌化、设计个性化将逐渐成为重点目标。从工业设计的角度来看，3D打印技术与汽车外形结构、内部装修设计可进行深度融合，探索合理的设计思路，应用多元化的美学理论指导设计，确保汽车的形象得到更多样化的表露。在汽车生产过程的零部件生产环节中，3D打印技术也将发挥更重要的作用，就目前的情况来看，该技术虽然无法在短时间内完全覆盖传统的汽车生产方式，但凭借自2017年来逐年28%的递增速度，该技术的研发力度也将增大，在与汽车生产模式逐渐融合的过程中，更适应社会的发展和人工智能化的需求，进而逐渐取代传统的汽车设计生产模式。

　　4.结束语

　　综上所述，本文结合笔者多年的研究实践，对3D打印技术在汽车设计中的应用与前景进行了探讨与分析。结合我国当前自主汽车品牌的发展现状来看，只有不断取得技术上的突破，通过引进和研发更优化的3D打印技术，才能突破长期以来汽车设计制造工作上遇到的瓶颈，确保汽车行业进一步发展，这也是我国汽车行业将来的发展目标与方向，可预测3D打印技术将持续发挥巨大的作用价值。汽车的自主品牌发展需要不断的创新，而设计的创新离不开技术上的支持，因此相关的从业人员应积极将3D打印技术作为推动汽车品牌创新与行业发展的重要支点和桥梁，在汽车行业的机构布局设计中重视3D打印技术的发展潜力，确保我国汽车行业的发展迈入新的台阶。——论文作者：朱贤朋