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        各類3D打印成型技術在汽車研發中的對比分析

        來源:奧蘭電子科技 時間:2019-05-07 10:50:49 瀏覽量:
        隨著世界第一臺3D打印汽車問世,3D打印技術在汽車制造領域得到了廣泛的應用?;诖?,首先在查閱相關文獻、專家訪談的基礎上,確定各類3D打印快速成型技術的基本原理,為每一種成型技術的研發對比提供基礎。其次,通過案例收集與實地調研3D打印汽車研發公司,搜集相關的數據資料,進行各種成型技術在汽車研發中的優缺點對比,重點對比每一種成型技術所需要的原材料、生產所需的環境條件、生產流程以及最后生產出來的產品。最后,得出最高效、最能實現利益最大化的成型技術,降低成本,提高效率,這對于汽車研發行業具有重要的應用價值。
         
        1 3D打印快速成型技術原理
        3D打印技術是一種利用數學模型,采用快速打印的方式把粉末類金屬、塑料材料粘合在一起,生成目標物品的技術。它的核心技術就是快速成型技術,主要是通過計算機的控制,根據使用材料的性質和內部結構快速成型目標物品,這就利用到了3D打印快速成型技術,目前這一技術大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝(SLA)、絲狀材料選擇性熔覆工藝(FDM)和粉末材料選擇性燒結工藝(SLS)三種。具體如下幾點。

        1.1 光敏樹脂選擇性固化工藝
         
         
        1.2 絲狀材料選擇性熔覆工藝
        針對FDM工藝,是一種相對成熟、應用廣的3D打印技術,其原理主要是融化絲狀材料再組合的過程,進而生成固體物品的過程,示意圖如圖2所示:
        (1)首先將絲狀材料放入絲輪中進行融化;
        (2)然后再使用噴頭擠壓,并在工作臺反復運動,逐漸實現液體固化,并形成計算機預設的形狀,最終形成固體物品。FDM 工藝的優點是:使用的絲狀材料多是廢物利用,既能廢物利用也能保護環境。另外,FDM 工藝對儀器的精度要求很低,能節省很多生產成本。SLA工藝的缺點是:打印誤差大,只能打印出體積大、低精度的目標物品,特別適合打印大型零部件。
         
        1.3 粉末材料選擇性燒結工藝

        針對SLS工藝,是融合了SLA工藝和FDM 工藝的優缺點的一種3D打印技術,尤其在汽車制造業領域的適應性最廣。其原理主要是將粉末狀材料熔化再凝結的過程,進而生成固體物品的過程,示意圖如圖3所示:(1)首先將粉末狀材料放入粉料缸中進行熔化;(2)然后使用光纖激光器掃描液體材料,并在工作臺反復運動,逐漸實現液體固化,并形成計算機預設的形狀,最終形成固體物品。SLS工藝的優點是:適合中小部件的生產。使用的粉末材料環保,且可使用的粉末材料很多,節省了成本。另外,SLS工藝的結果精度也較高,能夠快速成型。而且SLS工藝的可能加功能很多種混合粉末材料,能產生新的工件。SLS工藝的缺點是:粉末狀顆粒會干擾目標物品表明的光滑度,形成很多小孔,材料還需要后期加工。
         
        2 3D打印技術在汽車研發中的應用案例

        目前,3D打印技術在汽車制造業領域的應用已十分廣泛,本文將通過案例收集與實地調研3D打印汽車研發公司,搜集相關的數據資料,進行各種成型技術在汽車研發中的優缺點對比,重點對比每一種成型技術所需要的原材料、生產所需的環境條件、生產流程以及最后生產出來的產品。

        2.1 3D打印車
        2010年,世界第一輛純3D 打印車Ubree誕生。全車的所有部件都是采用3D打印技術打印出來的,工人只需要將這些零部件組合起來就可以了,遠遠縮短了汽車制造中的零部件生產周期。隨后,改進的Urbee2全車只有50個打印的零部件,進一步縮短了汽車制造中的零部件組裝時間。
         
        2.2 3D打印賽車
        2012年,由比利時的多名設計師也通過3D打印技術制造了世界上第一輛3D打印賽車,并完成了賽道測試,令人驚訝的是,整個車市的打印時間只需要3周,遠遠高于傳統汽車的制造工藝。另外,該賽車的能在4秒內提高時速至每小時96公里,最高時速能達到每小時141公里。
         

        3D打印賽車的缺點:技術要求高、在3D打印過程中還需要用到生物合成材料,提高了制造成本。

        2.3 3D打印發動機
        2004年,由德國奧迪公司的設計師為電影《機械公敵》設計的概念汽車便運用了3D打印技術,其中的發動力是采用了3D打印技術中的SLS工藝,并實現了真正的行駛。
         
        3 結論與展望
        本文通過案例收集與實地調研3D打印汽車研發公司,搜集相關的數據資料,進行各種成型技術在汽車研發中的優缺點對比,重點對比每一種成型技術所需要的原材料、生產所需的環境條件、生產流程以及最后生產出來的產品。本文是分析結果有利于得出最高效、最能實現利益最大化的成型技術,降低成本,提高效率,這對于汽車研發行業具有重要的應用價值。但是從已有的3D打印快速成型技術和3D打印汽車產品來看,3D打印技術還存在很大的進步空間,具體有:

        第一,3D打印技術的成本相對較高,更別說3D打印汽車的制造成本,應用性有限。未來需要繼續突破技術壁壘,設計出“平民化”的產品,讓更多的消費者可以享受到自己設計汽車外形的全新體驗。

        第二,繼續研究“綠色”3D打印技術,實現廢物利用、可回收、對環境無害等特點,真正實現綠色制造。目前使用的很多材料雖然可獲取、無毒,但很難降解,也會給環境帶來嚴重的負擔。

        來源:工程管理與技術
        作者:尉勝男、趙方真
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