各类3D打印成型技术在汽车研发中的对比分析

作者：尉胜男、赵方真

随着世界第一台3D打印汽车问世，3D打印技术在汽车制造领域得到了广泛的应用。基于此，首先在查阅相关文献、专家访谈的基础上，确定各类3D打印快速成型技术的基本原理，为每一种成型技术的研发对比提供基础。其次，通过案例收集与实地调研3D打印汽车研发公司，搜集相关的数据资料，进行各种成型技术在汽车研发中的优缺点对比，重点对比每一种成型技术所需要的原材料、生产所需的环境条件、生产流程以及最后生产出来的产品。最后，得出最高效、最能实现利益最大化的成型技术，降低成本，提高效率，这对于汽车研发行业具有重要的应用价值。

1 3D打印快速成型技术原理
3D打印技术是一种利用数学模型，采用快速打印的方式把粉末类金属、塑料材料粘合在一起，生成目标物品的技术。它的核心技术就是快速成型技术，主要是通过计算机的控制，根据使用材料的性质和内部结构快速成型目标物品，这就利用到了3D打印快速成型技术，目前这一技术大致可分为光敏树脂选择性固化工艺（SLA）、丝状材料选择性熔覆工艺（FDM）和粉末材料选择性烧结工艺（SLS）三种。具体如下几点。

1.1 光敏树脂选择性固化工艺

1.2 丝状材料选择性熔覆工艺
针对FDM工艺，是一种相对成熟、应用广的3D打印技术，其原理主要是融化丝状材料再组合的过程，进而生成固体物品的过程，示意图如图2所示：
（1）首先将丝状材料放入丝轮中进行融化；
（2）然后再使用喷头挤压，并在工作台反复运动，逐渐实现液体固化，并形成计算机预设的形状，最终形成固体物品。FDM 工艺的优点是：使用的丝状材料多是废物利用，既能废物利用也能保护环境。另外，FDM 工艺对仪器的精度要求很低，能节省很多生产成本。SLA工艺的缺点是：打印误差大，只能打印出体积大、低精度的目标物品，特别适合打印大型零部件。

1.3 粉末材料选择性烧结工艺

针对SLS工艺，是融合了SLA工艺和FDM 工艺的优缺点的一种3D打印技术，尤其在汽车制造业领域的适应性最广。其原理主要是将粉末状材料熔化再凝结的过程，进而生成固体物品的过程，示意图如图3所示：（1）首先将粉末状材料放入粉料缸中进行熔化；（2）然后使用光纤激光器扫描液体材料，并在工作台反复运动，逐渐实现液体固化，并形成计算机预设的形状，最终形成固体物品。SLS工艺的优点是：适合中小部件的生产。使用的粉末材料环保，且可使用的粉末材料很多，节省了成本。另外，SLS工艺的结果精度也较高，能够快速成型。而且SLS工艺的可能加功能很多种混合粉末材料，能产生新的工件。SLS工艺的缺点是：粉末状颗粒会干扰目标物品表明的光滑度，形成很多小孔，材料还需要后期加工。

2 3D打印技术在汽车研发中的应用案例

目前，3D打印技术在汽车制造业领域的应用已十分广泛，本文将通过案例收集与实地调研3D打印汽车研发公司，搜集相关的数据资料，进行各种成型技术在汽车研发中的优缺点对比，重点对比每一种成型技术所需要的原材料、生产所需的环境条件、生产流程以及最后生产出来的产品。

2.1 3D打印车
2010年，世界第一辆纯3D 打印车Ubree诞生。全车的所有部件都是采用3D打印技术打印出来的，工人只需要将这些零部件组合起来就可以了，远远缩短了汽车制造中的零部件生产周期。随后，改进的Urbee2全车只有50个打印的零部件，进一步缩短了汽车制造中的零部件组装时间。

2.2 3D打印赛车
2012年，由比利时的多名设计师也通过3D打印技术制造了世界上第一辆3D打印赛车，并完成了赛道测试，令人惊讶的是，整个车市的打印时间只需要3周，远远高于传统汽车的制造工艺。另外，该赛车的能在4秒内提高时速至每小时96公里，最高时速能达到每小时141公里。

3D打印赛车的缺点：技术要求高、在3D打印过程中还需要用到生物合成材料，提高了制造成本。

2.3 3D打印发动机
2004年，由德国奥迪公司的设计师为电影《机械公敌》设计的概念汽车便运用了3D打印技术，其中的发动力是采用了3D打印技术中的SLS工艺，并实现了真正的行驶。

3 结论与展望
本文通过案例收集与实地调研3D打印汽车研发公司，搜集相关的数据资料，进行各种成型技术在汽车研发中的优缺点对比，重点对比每一种成型技术所需要的原材料、生产所需的环境条件、生产流程以及最后生产出来的产品。本文是分析结果有利于得出最高效、最能实现利益最大化的成型技术，降低成本，提高效率，这对于汽车研发行业具有重要的应用价值。但是从已有的3D打印快速成型技术和3D打印汽车产品来看，3D打印技术还存在很大的进步空间，具体有：

第一，3D打印技术的成本相对较高，更别说3D打印汽车的制造成本，应用性有限。未来需要继续突破技术壁垒，设计出“平民化”的产品，让更多的消费者可以享受到自己设计汽车外形的全新体验。

第二，继续研究“绿色”3D打印技术，实现废物利用、可回收、对环境无害等特点，真正实现绿色制造。目前使用的很多材料虽然可获取、无毒，但很难降解，也会给环境带来严重的负担。

来源：工程管理与技术
作者：尉胜男、赵方真

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