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摘 要：3D打印技术打破了传统汽车制造对于模具的依赖，使得3D打印技术在汽车制造中的应用更加广泛。文章运用文献综述法、个案分析法探讨了3D打印技术在汽车制造中的应用与局限性，并采用具体实例说明3D打印技术在汽车制造中的应用。
关键词：3D打印;汽车制造;产品分析
中图分类号：F4 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）08-080-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.040
3D打印是一种利用计算机三维软件建模，将所选择的材料以较薄的厚度逐层进行打印的增材制造技术[1]。3D打印的产品具有成型速度快、生产成本低、打印精度高等特点[2]。利用该技术结合三维建模软件，能在几个小时或几天内生成产品的概念模型。由于该技术进行逐一打印的特性，其能生产形状较为复杂、尺寸较小、难度较大的产品及零件。该技术通过对所使用的材料进行选择和对三维模型结构进行优化，能使打印的产品倾向于轻量化，因此被广泛应用于航空航天领域。
3D打印适用于小型化、个性化的产品，但由于3D打印自身受材料的限制以及当下科技的局限性，其在汽车制造方面并没有优势。国内外很多汽车制造品牌都在研究3D打印与汽车制造更多方面的联系[3]。这些品牌之所以研究3D打印技术与汽车制造的联系，是因为3D打印技术能在一定程度上降低产品的生产成本、缩短产品的市场周期、便于用户进行个性化的定制以及产品的轻量化等。
1 产品个案分析
1.1 Urbee
美国Jim Kor团队打造出世界上第一辆由打印机打印而成的汽车Urbee，由于该汽车属于单件生产，没有供应商愿意为该团队提供汽车零部件，团队便产生了使用3D打印进行生成的想法。严格意义上来说，其并不是完全由3D打印而产生的，其部分零部件以及其外壳是使用3D打印生成的，大多数配件仍然采用传统的制造方式生产。由于3D打印对外形的包容度很大，该团队对Urbee外形使用了流线型的椭圆设计，整体上较为圆润，给人一种萌酷的感觉，如图1所示。
在当时，3D打印还处于快速成型、修理改装、外壳打印阶段。很显然，这并不是一辆真正意义上的汽车，更像是大学生竞赛的节能车。近年来，3D打印技术使节能车的开发变得更快，轻量化性能变得更好，然而节能车上的技术积累，与真正的汽车技术相差甚远。
1.2 Strati
Strati是由国外汽车公司采用熔融沉积成型（FDM）方法打造的，材料使用的是ABS塑料，是第一辆3D打印双人电动车。其整体车身都是由3D打印机进行打印的，整体采用扁长型设计，外形较为圆润，无大尖锐的部分。在整个打印过程中，Strati的产品成型一共使用了212层碳纤维增强热塑性塑料。Strati的零部件较少，整个车体只有40个零部件，如图2所示。
Strati汽车速度限制在每小时60公里左右，需要考虑汽车整车的安全问题，这也是目前3D打印汽车所面临的一个较为重要的问题。3D打印这种层叠堆积材料制件的方式，导致制品和传统加工工艺做出来的零件在各项性能上存在差距。
3D打印金属结构件的技术还不成熟，使用塑料类材料相对来说要更成熟，且成本也更低，导致目前3D打印普遍采用塑料材料。使用非金属材料做车身问题不大，但是在底盘结构件强度、刚度、耐疲劳等方面，仍然与金属结构件存在一定的差距。
进行汽车设计时，注塑件的拔模角是限制设计师思维发散的重要因素。表面上不存在特殊皮纹处理的塑料件至少要3°，而如果加了各种形式的皮纹，那么拔模角则有可能达到5°甚至7°。对于格栅、大灯上很多纵深很大的零件来说，如果前端的特征只有2毫米，那么尾端则会因为拔模角张开到超过10毫米，这对于很多比较细节的特征来说是无法接受的，而3D打印就不存在这个问题。理论上来讲，3D打印的零件没有拔模角，便于设计师进行思维发散。
1.3 LESV
由中国人创立的意大利公司XEV，推出了全球首款量产3D打印小型双座智能汽车LESV，如图3所示。LESV的所有内部饰件都是采用3D打印的非结构件，该汽车在3D打印过程中所使用的材料，是利用玉米进行提炼得出的环保材料。由于3D打印技术的灵活性，对物体外形及部分零件的制造接受度较高，较为适合汽车风格与功能的个性化定制。
3D打印从速度上来说，守住已经设计好的安装结构，车身表面的各种特征可以随时修改，修改时间也较短。只要有了数据，就可以直接批量生产。同时，由于3D打印在速度上的优势，3D打印汽车可以做自由度较高的个性化定制，如图4所示。比如，图4中皮卡丘版的耳朵和必胜客版的“帽子”，都可以做到和车身一体化。
汽车领域受到3D打印材料的限制很大。人们对金属和皮革的喜爱一直没减弱过，车身外饰的各种钣金件的弧度、质感等都是用塑料模仿出来的。另外，在内饰中，有一些小装饰、小包边也都要用到金属。如果想追求金属的质感，还是要用传统的方式做部件。目前，皮革仍不能由3D打印，必要的地方还是需要做包裹，否则内饰的廉价感会很强。以XEV展出的LSEV样车的状态来看，内饰的质感还比一款普通车差很远，全方位的“塑料”让人觉得有点硬邦邦的，如图5所示。
1.4 Olli
首款3D打印的自动驾驶巴士“Olli”，如图6所示。配备IBM人工智能“Watson”的12座自动驾驶公交车“Olli”，使用3D打印机直接制造车身的25%，其余25%的零件都使用3D打印技术，3D打印相关部件占总数的50%。
使用3D打印技术，能在一定程度上减少汽车的生产成本，降低汽车产品的开发周期。在多轮环节中，如果某一部分出现错误，便于及时修改设计文件或方案，不用从新开始。3D打印技术使模块化和可定制性成为可能，从而可以轻松地根据顾客的需求更改内部设计。
2 结语
3D打印具有改变一个行业的潜力，增材制造在汽车工业中的使用也越来越多。3D打印技术的进步推动了行业的更新升级，创新设计又降低了产品的成本。然而，传统制造模式大批量生产、产品生产成本低的優势，是3D打印技术目前所不具备的，这也就决定了3D打印目前只能是对传统制造模式的创新和补充。
总的来说，3D打印并不是一项全新的技术，其只是改进了制造工艺，提高了某些环节的效率[4]。其虽能优化传统制造工艺，在目前传统制造所无法实现的部分进行创新，但整体上3D打印还取代不了传统制造的主要地位，3D打印的发展仍然任重道远。
参考文献
[1] 陈鹏.3D打印技术在汽车制造中的应用[J].时代汽车，2018（11）：27-28.
[2] 刘春荣.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[J].时代汽车，2019（11）：127-128.
[3] 王晨.论3D打印技术在汽车制造与维修领域的应用[J].湖北农机化，2020，244（7）：70.
[4] 贾绍勇.3D打印在汽车零部件行业中的应用[J].内燃机与配件，2020，323（23）：103-104.
关键词：3D打印;汽车制造;产品分析
中图分类号：F4 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）08-080-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.040
3D打印是一种利用计算机三维软件建模，将所选择的材料以较薄的厚度逐层进行打印的增材制造技术[1]。3D打印的产品具有成型速度快、生产成本低、打印精度高等特点[2]。利用该技术结合三维建模软件，能在几个小时或几天内生成产品的概念模型。由于该技术进行逐一打印的特性，其能生产形状较为复杂、尺寸较小、难度较大的产品及零件。该技术通过对所使用的材料进行选择和对三维模型结构进行优化，能使打印的产品倾向于轻量化，因此被广泛应用于航空航天领域。
3D打印适用于小型化、个性化的产品，但由于3D打印自身受材料的限制以及当下科技的局限性，其在汽车制造方面并没有优势。国内外很多汽车制造品牌都在研究3D打印与汽车制造更多方面的联系[3]。这些品牌之所以研究3D打印技术与汽车制造的联系，是因为3D打印技术能在一定程度上降低产品的生产成本、缩短产品的市场周期、便于用户进行个性化的定制以及产品的轻量化等。
1 产品个案分析
1.1 Urbee
美国Jim Kor团队打造出世界上第一辆由打印机打印而成的汽车Urbee，由于该汽车属于单件生产，没有供应商愿意为该团队提供汽车零部件，团队便产生了使用3D打印进行生成的想法。严格意义上来说，其并不是完全由3D打印而产生的，其部分零部件以及其外壳是使用3D打印生成的，大多数配件仍然采用传统的制造方式生产。由于3D打印对外形的包容度很大，该团队对Urbee外形使用了流线型的椭圆设计，整体上较为圆润，给人一种萌酷的感觉，如图1所示。
在当时，3D打印还处于快速成型、修理改装、外壳打印阶段。很显然，这并不是一辆真正意义上的汽车，更像是大学生竞赛的节能车。近年来，3D打印技术使节能车的开发变得更快，轻量化性能变得更好，然而节能车上的技术积累，与真正的汽车技术相差甚远。
1.2 Strati
Strati是由国外汽车公司采用熔融沉积成型（FDM）方法打造的，材料使用的是ABS塑料，是第一辆3D打印双人电动车。其整体车身都是由3D打印机进行打印的，整体采用扁长型设计，外形较为圆润，无大尖锐的部分。在整个打印过程中，Strati的产品成型一共使用了212层碳纤维增强热塑性塑料。Strati的零部件较少，整个车体只有40个零部件，如图2所示。
Strati汽车速度限制在每小时60公里左右，需要考虑汽车整车的安全问题，这也是目前3D打印汽车所面临的一个较为重要的问题。3D打印这种层叠堆积材料制件的方式，导致制品和传统加工工艺做出来的零件在各项性能上存在差距。
3D打印金属结构件的技术还不成熟，使用塑料类材料相对来说要更成熟，且成本也更低，导致目前3D打印普遍采用塑料材料。使用非金属材料做车身问题不大，但是在底盘结构件强度、刚度、耐疲劳等方面，仍然与金属结构件存在一定的差距。
进行汽车设计时，注塑件的拔模角是限制设计师思维发散的重要因素。表面上不存在特殊皮纹处理的塑料件至少要3°，而如果加了各种形式的皮纹，那么拔模角则有可能达到5°甚至7°。对于格栅、大灯上很多纵深很大的零件来说，如果前端的特征只有2毫米，那么尾端则会因为拔模角张开到超过10毫米，这对于很多比较细节的特征来说是无法接受的，而3D打印就不存在这个问题。理论上来讲，3D打印的零件没有拔模角，便于设计师进行思维发散。
1.3 LESV
由中国人创立的意大利公司XEV，推出了全球首款量产3D打印小型双座智能汽车LESV，如图3所示。LESV的所有内部饰件都是采用3D打印的非结构件，该汽车在3D打印过程中所使用的材料，是利用玉米进行提炼得出的环保材料。由于3D打印技术的灵活性，对物体外形及部分零件的制造接受度较高，较为适合汽车风格与功能的个性化定制。
3D打印从速度上来说，守住已经设计好的安装结构，车身表面的各种特征可以随时修改，修改时间也较短。只要有了数据，就可以直接批量生产。同时，由于3D打印在速度上的优势，3D打印汽车可以做自由度较高的个性化定制，如图4所示。比如，图4中皮卡丘版的耳朵和必胜客版的“帽子”，都可以做到和车身一体化。
汽车领域受到3D打印材料的限制很大。人们对金属和皮革的喜爱一直没减弱过，车身外饰的各种钣金件的弧度、质感等都是用塑料模仿出来的。另外，在内饰中，有一些小装饰、小包边也都要用到金属。如果想追求金属的质感，还是要用传统的方式做部件。目前，皮革仍不能由3D打印，必要的地方还是需要做包裹，否则内饰的廉价感会很强。以XEV展出的LSEV样车的状态来看，内饰的质感还比一款普通车差很远，全方位的“塑料”让人觉得有点硬邦邦的，如图5所示。
1.4 Olli
首款3D打印的自动驾驶巴士“Olli”，如图6所示。配备IBM人工智能“Watson”的12座自动驾驶公交车“Olli”，使用3D打印机直接制造车身的25%，其余25%的零件都使用3D打印技术，3D打印相关部件占总数的50%。
使用3D打印技术，能在一定程度上减少汽车的生产成本，降低汽车产品的开发周期。在多轮环节中，如果某一部分出现错误，便于及时修改设计文件或方案，不用从新开始。3D打印技术使模块化和可定制性成为可能，从而可以轻松地根据顾客的需求更改内部设计。
2 结语
3D打印具有改变一个行业的潜力，增材制造在汽车工业中的使用也越来越多。3D打印技术的进步推动了行业的更新升级，创新设计又降低了产品的成本。然而，传统制造模式大批量生产、产品生产成本低的優势，是3D打印技术目前所不具备的，这也就决定了3D打印目前只能是对传统制造模式的创新和补充。
总的来说，3D打印并不是一项全新的技术，其只是改进了制造工艺，提高了某些环节的效率[4]。其虽能优化传统制造工艺，在目前传统制造所无法实现的部分进行创新，但整体上3D打印还取代不了传统制造的主要地位，3D打印的发展仍然任重道远。
参考文献
[1] 陈鹏.3D打印技术在汽车制造中的应用[J].时代汽车，2018（11）：27-28.
[2] 刘春荣.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[J].时代汽车，2019（11）：127-128.
[3] 王晨.论3D打印技术在汽车制造与维修领域的应用[J].湖北农机化，2020，244（7）：70.
[4] 贾绍勇.3D打印在汽车零部件行业中的应用[J].内燃机与配件，2020，323（23）：103-104.