各类3D打印成型技术在汽车研发中的对比分析
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。
关键词：3D打印；汽车研发；成型技术；对比分析
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。早在20世纪80年代末，Charles Hull就发明了第一台3D打印机，而在十多年后，也就是2010年世界第一台3D打印汽车问世，预示着3D打印汽车时代的到来。目前，近年来中国汽车使用量大幅度增加，各汽车厂商为占据市场份额，纷纷加快新车型的研发，传统汽车开发需要较长时间的研究和测试，模具制造也需要相当长的一个周期，不仅浪费人力财力物力，而且导致原材料的大量浪费。因此，3D打印技术在汽车制造领域得到了广泛的应用。鉴于此，我们需要充分利用 3D 打印技术可以直接从计算机建立好的数学模型生成各种零部件的优势，以其无需模具和增材制造的特点，生产出所需的零部件，通过对比在汽车研发中各类3D打印成型技术的优缺点，得到最高效、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）和粉末材料選择性烧结工艺（SLS）三种。具体如下几点。
1.1 光敏树脂选择性固化工艺
针对SLA工艺，是出现最早的3D打印技术，其原理和雕塑的原理想通，主要是运用光束对液体材料进行扫描，进而生成固体物品的过程，示意图如图1所示：（1）首先将液态材料放入树脂槽中，但不能完全填满树脂槽；（2）然后用激光光束扫描液体树脂材料，将液体固化，并形成计算机预设的形状，最终形成固体物品。SLA工艺的优点是：打印误差小，可以打印出体积小、复杂度高的目标物品，特别适合打印小型零部件和小型工艺品。SLA工艺的缺点是：使用的树脂材料不易保存，且会造成污染环境，不符合绿色制造的理念。另外，SLA工艺对仪器的精度要求很高，提高了生产成本。
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。
Urbee 车的制造过程：（1）首先利用计算机对车身结构进行建模，（2）做成成比例的油泥模型，（3）计算机扫描油泥模型扫描并录入，（4）使用FDM工艺，进入3D打印环节：通过3D打印机的喷头塑造出成型产品。
Urbee车的优点有：（1）全车轻盈、稳定、体积小，而且最高时速可以达到每小时112千米。（2）Urbee车的具有节能环保性能，汽车本身的生产材料具有可回收、可获取的特点，汽车后期的出行具有低能耗、长距离的特点，降低了对燃料的使用，也推进了人类的环保事业。（3）在生产过程中，设计师为了增加材料的安全性能，将车身的内部填充材料用多种丝状材料融合，形成了一种全新的材料，具有坚硬和韧性的双重特点。
Urbee车的缺点有：Urbee车的初始设置理念是生产出一辆和计算机模型一模一样的汽车产品，其主要目的是快速成型，而没有过多的关注到汽车外观的设计，所以外形较为简陋。尽管后期改进版的Urbee2车对汽车的结构、性能都做了改进，但受限于技术的壁垒，汽车外观仍较为简单。
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打印赛车的制造过程：（1）设计师设计图纸；（2）设计师将设计图纸转化为计算机语言；（3）借用3D快速成型打印技术中的FDM工艺，进入3D打印环节：通过3D打印机的喷头塑造出成型产品。
3D打印賽车的优点：（1）克服了传统车体零部件结合问题，解决了车身接头、连接等问题；（2）克服了传统汽车制造技术中的冷却系统壁垒，提高了赛车的机械性能；（3）安装了通风窗口，实现了汽车在低速情况下的空气流通问题；（4）在造型方面比Urbee 车更美观，具有视觉冲击力；（5）U3D打印赛车也具有节能环保性能，汽车本身的生产材料具有可回收、可获取的特点，汽车后期的出行具有低能耗、长距离的特点，降低了对燃料的使用，也推进了人类的环保事业。
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。
3D打印发动机的制造过程：（1）设计师设计图纸；（2）设计师将设计图纸转化为计算机语言；（3）借用3D快速成型打印技术中的SLS工艺，进入3D打印环节：通过3D打印机的喷头塑造出成型产品。
3D打印发动机的优点：（1）设计的前挡风玻璃与车顶的连接，开阔了驾驶员的视野；（2）使用3D打印技
术使得整个车身的重量减少了30%，提高车身的轻便型、灵活性；（3）在造型方面，通过3D打印可以提高车身的美感和线条，更具有视觉冲击力；（4）使用了3D打印技术中的SLS工艺，能够打印出大型的汽车零部件，减少了工艺步骤。
3D打印发动机的缺点：技术要求高，该技术还停留在3D打印技术在汽车研发中的概念应用阶段。
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。
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