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應用案例

全面剖析3d打印技術在汽車上的應用案例

      未來3D打印技術將在汽車等各行業中發揮極為重要的作用,未來的制造工廠將會由許多工業級3D打印設備組成。隨著各類3D打印技術的不斷發展,未來汽車制造將隨之發生重大變革。

    3D打印技術在汽車業的應用及前景展望

    盡管3D打印技術在汽車行業內的應用尚處于相對初級的階段,但該技術的應用已在汽車行業掀起一輪新的制造技術革新。2014年,美國洛克汽車公司(Local Motors)利用其打印設備,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,本田發布新版微通勤(Micro-Commuter)電動車,該車型的制造也應用了3D打印技術。隨后,其他車企也紛紛跟進,利用3D打印技術來制造關鍵零部件(key components),旨在保障始終如一的產品品質、可靠的產品性能并積極致力于持續縮短投產準備階段(lead-time)的耗時。

    據一份名為《全球3D打印汽車市場分析與發展趨勢——2025年行業預測(Global 3D Printing Automotive Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025)》的新報告預計,截止至2025年,3D打印設備的應用將增長10%,其中大部分設備將被用于轎車、卡車零部件的制造。

    3D打印技術及優缺點分析

    目前,汽車行業已采用了多種3D打印技術,包括:電子束熔融(electron beam melting,EBM)、熔融沉積造型(fused disposition modeling,FDM)、分層實體制造(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(selective laser sintering,SLS)。以下為小編整理的技術盤點:

    電子束熔融(EBM)

3D打印技術推動汽車制造變革 六大技術全解析

    其簡稱為EBM技術,是一項新興的先進金屬快速成型添加式制造(form additive manufacturing)技術,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:

    先將零件的三維實體模型數據導入EBM設備,然后將一層微細金屬粉末薄層平鋪在EBM設備的工作艙內,利用高能電子束經偏轉聚焦后在焦點所產生的高密度能量,使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區域產生高溫,導致金屬微粒熔融。電子束連續掃描將使一個個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。

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    優點:

    1. 電子束穿透能力強,焊縫深寬比大,可達到50:1。

    2. 焊接速度快,熱影響區小,焊接變形小。

    3. 真空環境利于提高焊縫質量。

    4. 焊接可達性好。

    5. 電子束易受控。

    缺點:

    1. 設備比較復雜,費用比較昂貴。

    2. 焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格,以保證接頭位置準確,間隙小而且均勻。

    3. 真空電子束焊接時,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的干擾,影響焊接質量。

    5. 電子束焊時產生的X射線需要嚴加防護以保證操作人員的健康和安全。

熔融沉積造型(FDM)

    這是一項添加式制造(additive manufacturing,AM)技術,其常用于造型、原型制作(prototyping)及生產應用中。這項3D打印技術由美國學者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,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物。

3D打印技術推動汽車制造變革 六大技術全解析

    工藝原理:

    將低熔點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確運動,擠出半流動的熱塑材料,沉積固化后形成精確的實際部件薄層,覆蓋于已建造的零件之上,并在0.1秒內迅速凝固。每完成一層成型,工作臺便下降一層高度,噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲,如此反復逐層沉積,直到最后一層,這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。

    優點:成型精度更高、成型實物強度更高、可以彩色成型。

    缺點:成型后表面粗糙

    分層實體制造(LOM)

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    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,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域內切割出上下對齊的網格;激光切割完成后,工作臺帶動已成形的工件下降,與帶狀片材(料帶)分離;供料機構轉動收料軸和供料軸,帶動料帶移動,使新層移到加工區域;工作臺上升到加工平面;熱壓輥熱壓,工件的層數增加一層,高度增加一個料厚;再在新層上切割截面輪廓。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完,得到分層制造的實體零件。

    優點:

    1. 成型速度較快。由于只需要使用激光束沿物體的輪廓進行切割,無需掃描整個斷面。因此,成型速度很快,該技術常被用于加工內部結構簡單的大型零件。

    2. 原型精度高,翹曲變形小。

    3. 原型能承受高達200攝氏度的溫度,硬度較高、力學性能較好。

    4. 無需設計和制作支撐結構。

    5. 可進行切削加工。

    6. 廢料易剝離,無需后固化處理。

    7. 可制作尺寸大的原型。

    8. 原材料價格便宜,原型制作成本低。

    缺點:

    1. 不能直接制作塑料原型。

    2. 原型的抗拉強度和彈性不太好。

    3. 原型易吸濕膨脹,因此,成型后應盡快進行表面防潮處理。

    4. 原型表面有臺階紋理,難以構建形狀精細、多曲面的零件。因此,成型后需進行表面打磨。

在這種快速成形機上,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構件或功能件。

3D打印技術推動汽車制造變革 六大技術全解析

    該快速成型技術的出現,還能較好地迎合了車燈結構與外觀開發的需求,上圖的零部件就采用了該工藝。

  

3維打印

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    類似于傳統的二維噴墨打印,可以打印超高精細度的樣件,適用于小型精細零件的快速成型。

工藝原理:

    沿著X軸前后滑動,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所需的后處理過程。每打印完一層,機器內部的成型底盤就會極為精確地下沉,而噴頭繼續一層一層地工作,直到原型件完成。成型時使用了兩種不同的光敏樹脂材料:一種是用來成型實體部件的成型材料,另一種類膠體的用來支撐部件的支撐材料。

3D打印技術推動汽車制造變革 六大技術全解析

    優點:成型精度高,可以彩色成型。缺點:成型表面粗糙,材料強度差,成型后表面細節差。

立體光刻造型

3D打印技術推動汽車制造變革 六大技術全解析

    工藝原理:

    先由軟件把3D的數字模型,“切”成若干個平面,這就形成了很多個剖面,在工作的時候,有一個可以舉升的平臺,這個平臺周圍有一個液體槽,槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體,紫外線激光會從底層做起,固化最底層的,然后平臺下移,固化下一層,如此往復,直到最終成型。

    優點:精度高,可以表現準確的表面和平滑的效果,精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。

    缺點:可以使用的材料有限,并且不能多色成型。

    選擇性激光燒結(SLS)

3D打印技術推動汽車制造變革 六大技術全解析

    工藝原理:

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

    優點:材料的強度非常高,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:成型精度低,成型后表面粗糙,不能彩色成型。

    汽車行業已開始涉足上述六大類3D打印制造工藝,旨在打造低成本、個性化的車輛。許多車企還采用了數碼技術,用于車輛的原型制作、測試及各類工具、機床夾具(jigs)、固定裝置(fixtures)及零部件的生產制作。對車企而言,盡管3D打印技術尚處于初創期,但3D打印技術及其設備將助推汽車行數字化制造變革,其作用無疑是至關重要的。


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