3D打印技术在汽车研发试制中的应用与发展趋势

周敏　刘锋　杨才峰　陆奇能

摘 要：本文首先介绍了当下各车企研发阶段所面临的降本提效的挑战以及3D打印技术的发展为汽车研发降本提效带来的机遇。其次对汽车研发试制和汽车领域常用的四种3D打印技术进行的展开介绍。并结合实际经验，对四种3D打印技术在汽车研发试制阶段的不同适用场景进行了总结。最后，对3D打印未来在样车及样件试制领域中大尺寸、材料多元化、规模集约化、低成本化和多工艺融合五个方向的发展趋势进行了归纳。

关键词：汽车试制 3D打印 汽车研发 样车试制 样件试制

1 引言

近年來，在国家政策的支持下，汽车电动化迅速发展。各路造车新势力如雨后春笋般涌现，为汽车制造业带来了生机，同时也带来了更大的挑战。一方面，用户在变化，以往的用户更多地关注汽车的性能，质量，现在的用户更加关注汽车的个性化，智能化等。在满足用户需求上，造车新势力推出一款新产品周期约为2～3年，而传统车企则需要3～5年，周期长，无法满足用户日益变化的，个性化的需求。另一方面，竞争格局在变化，中国汽车市场竞争加剧，以往不被看好的国产车，沿着新能源赛道正逐步实现追赶，甚至实现弯道超车。各车企不得不打价格战，利润空间被极限压缩。如何以更快的速度，更低的成本推出满足中国市场用户的汽车产品，是每个车企当下所面临的挑战。

在汽车研发的V字模型中，试制承担着将设计师想法由虚拟转为现实，提供各类试验载体进行造型验证，功能验证的重要职责。每款车型仅试制阶段约为2年，试制成本占研发费约10%，究其根本，使用试制模具制作小批量样件是试制阶段花费高周期长的原因。如果能改善此方式，则试制降本提效就能实现。

3D打印技术的发展为上述想法提供了一种可能。据左世全《增材制造十年发展及展望》[1]数据显示，在过去十年我国的3D打印制造产业取得了很好的发展，产业规模在2012～2022年间由10亿元增至320亿元。其在航空航天，医疗和汽车领域都有非常好的发展。

3D打印的技术核心在于“降维”。就是将三维数模转化为二维的切片，再通过逐层打印的方式制造零部件。相比其他样件试制工艺，其特点在于：

a．所制造零件不受零件造型和结构限制，可以360°无死角加工；

b．不需要制作模具及夹具，因此制作周期更短，成本更低。

2 汽车研发试制简介

汽车研发试制属于批量开发阶段，使用试制手段呈现设计师想法，是最早见证新产品实物的阶段，其主要业务大致可以分为三类，即样车试制，模型试制和样件试制。

样车试制：主要指概念车，试验车，原型样车，色彩验证车等。其目的在于验证造型设计，色彩定义，零部件、系统或整车功能性能等。

模型试制：主要指内外饰模型，人机工程学模型，色彩模型，风洞模型等。其目的在于验证设计师的想法，人机工程学或风阻系数等是否满足要求。

样件试制：主要指使用真空注塑，低压注塑，CNC铣削等工艺生产汽车相关零部件，如内外饰，底盘范围零件等。其目的在于对零部件的结构验证，或支撑样车及模型的制作。

3 3D打印技术简介

3D打印技术被认为是改变世界的技术。自1984年面世以来，经历了商业化发展（1988-1992）和蓬勃发展期（2006-2014）。国内3D打印行业是在过去十年内得到了迅猛发展。根据3D打印的成型方式，大致可以分为光聚合成型，材料挤压成型，材料/粘合剂喷射成型，粉末床熔化成型，直接能量沉积成型五大类[2]。

尽管3D打印技术百花齐放，实际应用中常见的只有SLA，SLS，FDM和SLM四种。下面就4种工艺及特点进行简要介绍：

SLA：SLA的原材料是光敏树脂，通过控制激光聚焦到液态光敏树脂表面，发生聚合反应，使光敏树脂固化成型。随着升降台逐层下降，光敏树脂逐层固化叠加形成零件。

SLS：SLS的原材料多为粉末，使用激光器逐层将粉末加热熔化并粘结到一起。供料缸上行逐层铺粉，成型缸逐层下移完成烧结。

SLM：SLM为金属3D打印，可使用铝合金，不锈钢，钛镍合金等多种原材料，其成型原理与SLS相同，区别在于激光器的功率更高。

FDM： FDM的原材料为线材。通过加热头将线材熔化，通过设备的机械运动控制材料按零件外形进行逐层涂覆。

各成型工艺材料性能，加工速度和样件质量各有优缺点，与常见的小批量工艺对比如表1所示。

总体而言，相较于其他快速成型工艺，3D打印工艺适用于需求量少，尺寸小且工期紧的应用场景。

4 3D打印技术在汽车试制中的应用

3D打印技术在汽车试制中的应用主要包括：

a．焊装及总装模具及工装辅具

b．零部件造型验证

c．小批量快速样件试验车装车保障

d．硅胶模母件/嵌件制作

e．零部件结构方案优化

在有数模数据的前提下，可以依据3D打印的工艺特点对数据进行加强，简化等优化，使用数据切片软件进行编程打印加工。加工完成的样件无法直接使用，需去掉毛刺，支撑，对表面进行打磨抛光处理才能符合要求。金属打印更为特殊，需要使用CNC进行后处理加工，其表面精度方为最终状态。

a．焊装及总装模具及工装辅具

焊接试制车身时多为手工焊接，无法准确定位焊点和焊柱位置，导致焊接效率和质量低下。这时可使用SLS或SLA工艺制作焊点工装辅具，协助工人迅速完成焊接[3]。

样车总装装配或批量生产线在装配内外饰零部件时，往往需要SLA工艺制作的辅具，来协助装配工人确定装配位置，如字标装配辅具，座椅安装定位辅具等。需注意的一点是，3D打印样件在固化成型阶段存在变形，可用于粗定位，但不建议用于精确定位。

SLM工艺在模具方面也有应用，铂力特使用SLM工艺制作了轮胎模具，成型时间仅为87h，大大缩短了轮胎的制作周期[4]。

b．零部件造型验证

产品概念开发阶段，零部件造型需经过各级评审。通过查看虚拟的数据，无法直观的判断造型方案的优劣。因此，可通过SLA或者FDM工艺快速制作出原型，将方案直观地呈现在评委面前，可协助方案快速通过评审。图5为SLA工艺制作并组装后的水杯架造型展示样件。

针对后装市场或设计师天马星空的想法也可以借助3D打印加工不受限的特点得以实现。

c．小批量快速样件试验车装车保障

批量开发阶段，为验证整车功能和性能，需试装约30～60辆试验车。内外饰及电器控制器类支架以及临时替代零部件等一些小尺寸零件可以通过SLS工艺进行试制。SLS工艺结合尼龙，尼龙及玻纤颗粒等材料所制作的样件强度出众，能满足试验车在未来1～2年内的各种测试。

d．硅胶模母件/嵌件制作

当需试制零件数量在30份左右时，往往会采用硅胶复模工艺进行小批量试制。若采用CNC数控铣削制作母件，投入的材料成本，设备折损等非常高昂。相反，采用SLA或FDM工艺制作母件，速度快，成本低。

而SLS工艺制作的卡扣，软管内部支撑类附件，可以作为嵌件放入硅胶模具中进行一体浇注，减少粘接等后处理工作，强度也更有保障。

e．零部件结构方案优化

电动车的盛行需要各车企极力挖掘整车轻量化潜力。西安铂力特公司就铸造的转向节进行了轻量化处理，并使用SLM金属3D打印一体成型，实现了33%的减重，进度和质量也得到了保障[4]。

5 3D打印技术在汽车试制领域未来发展趋势

随着汽车市场竞争加剧，3D打印技术势必会迎来黄金发展期。但目前3D打印技术仍然存在着诸如原材料种类少，打印尺寸受限，企业方装机量小不成规模等问题。所以，该技术未来在汽车领域的发展必然会向大尺寸，材料多元化，规模集约化，低成本化和多工艺融合方向进行发展。

大尺寸：当前SLS打印工艺的成型尺寸多在400mm上下，SLA和FDM工艺约在600-800mm，SLM工艺约为200-300mm。决定了只能制作小支架，A/B柱盖板级零件。未来3D打印制作保险杠级零件也会成为现实。

材料多元化：常用的原材料包括尼龙，ABS，PA12，PA11，铝合金，不锈钢等。未来随着技术精进，各类合金，复合材料粉末将会被研发并应用于汽车领域。

规模集约化：各主机厂为控制投入产出比，往往限制3D打印装机量，一般为3～5台。数量少或分散在各个部门。而传统试制零部件供应商无法下定决心大量投资打印设备。所以，为弥补装机量小带来的产能不足问题，在各主机厂及零部件供应商内部建设集约化的3D打印中心是未来趋势。

低成本化：当前常见工艺每克约4元，当行业充分竞争，装机量迸发和原材料有多种选择后，3D打印样件的成本会进一步降低。现个别工艺已经降低至0.8元每克。

多工艺融合：3D打印成型快，强度足，但制作大尺寸平面类零件时变形严重。未来在汽车领域，3D打印与真空注塑，低压注塑，CNC铣削等工艺的组合，制作的零部件性能会更优，效率也会更高。

参考文献：

[1]左世全.增材制造十年发展及展望 [R] 增材制造产业年会. 2023.

[2]看制造业新技术如何改变世界.[M]经济学人.

[3]周秀梅，高志剛，张灏辰.3D打印技术在样车试制车身焊接模板中的应用[J]. 时代汽车.2019（20）.

[4]王第伍，铂力特介绍[M]. 2023.10.26.