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      3D打印汽車功能性零部件、內外飾及整車的應用

      時間:2019-07-26 來源:汽車工藝與材料 作者:張薇,于洪陽,王昌斌, 本文字數:3680字

        摘    要: 采用3D打印技術制造汽車終端產品, 代替傳統零部件, 在車身、底盤、發動機以及內外飾上直接應用, 可以實現產品創新、性能提升、個性化定制等目標。圍繞3D打印零部件在汽車上的直接應用, 介紹了國外成功的案例, 并且指出了國內相比國外在應用方面存在的差距, 同時提出了推廣3D打印零部件在汽車上應用的對策和建議。

        關鍵詞: 3D打印; 汽車零部件; 應用;

        1、前言

        近幾年, 大量的新品牌、新車型不斷涌入汽車市場, 汽車產品更新換代的速度越來越快;環保法規日益嚴格, 對汽車輕量化提出了更高的要求;千篇一律的汽車外形不再能滿足客戶的消費要求, 個性化定制的需求越來越強烈;這些都對車企提出了新的挑戰。

        3D打印作為一種快速成型技術, 它以數字模型文件為基礎, 利用粉末狀金屬或塑料等一些可以粘合的材料, 通過逐層打印的方式來構造物體, 因此, 3D打印無需開模, 可節省產品開發的成本和時間, 并且不用受到模具的限制, 可構造復雜型面及異形結構, 適合柔性生產, 3D打印與傳統加工工藝比較, 在推動產品快速化、輕量化、定制化方面的優勢給汽車帶來了新的機遇, 借助3D打印技術可以加速產品研發、助力輕量化、實現私人定制。

        3D打印技術源于19世紀80年代中期, 很早就被汽車行業所應用, 主要用來進行原型制造、造型評審、尺寸驗證等, 隨著技術的發展和進步, 目前應用于生產的3D打印應用逐漸占據主要地位, 3D打印零部件不再只作為模型, 而是可以作為最終產品直接在汽車上使用。

        2、 3D打印汽車功能性零部件的應用

        以往, 受到傳統制造業的限制, 汽車設計師在設計產品時, 往往會因為生產因素而犧牲產品性能, 而3D打印技術可以實現自由造型, 為零件設計帶來了更大的發揮空間。

        3D打印可以制造很多傳統工藝無法實現的復雜結構零件, 例如點陣結構、一體化結構、異形拓撲優化結構等, 這些復雜結構不僅降低零件的質量, 還能發揮其他功能性的作用。

      3D打印汽車功能性零部件、內外飾及整車的應用

        美國加利福尼亞州的FIT公司通過選擇性激光熔化3D打印技術制造充滿點陣結構的仿生發動機氣缸蓋 (圖1) , 該氣缸蓋質量減少了66%, 表面面積從823 cm2增加到6 052 cm2, 顯著提高了氣缸蓋的冷卻性能, 從而改善了賽車的發動機性能[1]。

        法拉利668賽車應用了3D打印的鋼合金活塞, 該零件內部添加了復雜的點陣結構 (圖2) , 不僅可以減少材料的使用, 減輕零件質量, 又可以保證高沖擊區域的強度, 使發動機實現更充分地燃燒。

        圖1 3D打印仿生氣缸蓋
      圖1 3D打印仿生氣缸蓋

        圖2 3D打印活塞
      圖2 3D打印活塞

        國內主機廠也開始嘗試通過3D打印制造汽車功能零件, 圖3展示了采用選擇性激光熔化3D打印技術制造的鋁合金汽車輪轂, 中間選用1.5 mm×6 mm晶胞點陣結構, 與同尺寸的傳統鑄鋁車輪相比, 降重13%。

        圖3 3D打印輪轂
      圖3 3D打印輪轂

        3D打印的汽車零件不僅用于功能性測試, 還可以應用于小批量生產, 甚至量產。

        寶馬DTM賽車動力系統安裝的高精度鋁合金水泵輪是通過3D打印制造 (圖4) , 這一技術的采用, 解決了水泵輪幾何槽形加工困難的問題, 并且在惡劣的工作環境下, 驗證了零件卓越的性能。2015年已經完成了500件3D打印水泵輪的裝配, 實現了小批量生產[2]。

        寶馬量產的i8 Roadster敞篷跑車裝上了3D打印的車頂支架 (圖5) , 這個件比常規工藝制造的車頂支架質量輕44%, 剛度增加, 實現軟頂快速升高和降低, 并以鋸齒形配置折疊和展開的功能。

        成本是決定3D打印能否用于量產的一個主要因素, 寶馬公司通過工藝改進, 把這個零件相比壓鑄的成本平衡點提高到了60 000件。也就是說, 產量在60 000件以內, 采用3D打印生產車頂支架, 成本更低。

        圖4 3D打印水泵輪
      圖4 3D打印水泵輪

        圖5 3D打印車頂支架

       圖5 3D打印車頂支架 

        3、 3D打印在汽車內外飾的應用

        汽車外形和內飾風格與消費者的購買決策是息息相關的, 3D打印技術的應用, 可以為汽車提供更舒適的環境或更個性的造型。

        汽車內外飾也開始采用3D打印直接制造, 法國標致曾有一款Fractal的純電動概念車, 該車的內飾件表面具有凹凸不平的結構, 這些結構是將白色尼龍粉末通過選擇性激光燒結3D打印方式制成 (圖6) , 這種內飾不僅可以減少聲波和噪聲水平, 而且會使聲波從一個表面反射到另一個表面, 從而實現對聲音環境的調整[3]。

        圖6 3D打印汽車內飾
      圖6 3D打印汽車內飾

        消費者希望讓自己的車子與眾不同, 3D打印技術可以提供高性價比的解決方案。寶馬Mini已經開始將3D打印運用到了汽車內飾的定制上, 客戶可以在側舷窗以及內飾板兩個零件上, 充分發揮自己的創意, 將彰顯個性的簽名, 圖案、顏色整合到零件的設計中, 然后采用3D打印制造出來, 見圖7。

        圖7 3D打印個性化內飾零件
      圖7 3D打印個性化內飾零件

        豐田子公司大發敞篷車Copen也為客戶提供定制服務, 有15種“外觀皮膚”采用3D打印制造, 可以貼到車前后保險杠上 (圖8) , 客戶還可以自行更改設計, 創作獨一無二的車身皮膚。

        圖8 3D打印車身皮膚
      圖8 3D打印車身皮膚

        為了提升車輛檔次, 很多高端車型都配備了金屬的音響揚聲器罩, 國內某車企采用3D打印的方式制造了音響揚聲器罩 (圖9) , 選用了超級輕質的鎳合金材料, 在彰顯了金屬質感的同時, 還可以重新設計網孔以及添加個性化元素。

        圖9 3D打印揚聲器
      圖9 3D打印揚聲器

        4 、3D打印在整車制造的應用

        3D打印不僅可以直接制造汽車零部件, 甚至可以顛覆傳統的整車設計理念和制造方式, 用于整車制造。

        Blade跑車是一款顛覆傳統設計的全新跑車, 它的底盤和支撐結構是通過將3D打印的鋁合金節點與現成的碳纖維管材連接而成 (圖10) , 整個裝配過程像搭建積木一樣。汽車底盤大約由70個3D打印的鋁節點組成 (圖11) , 這種結構不僅質量減輕90%, 并且可以經受住五星級碰撞, 承受得了在公路上的顛簸[4]。

        圖1 0 鋁節點與碳纖維管搭接
      圖1 0 鋁節點與碳纖維管搭接

        圖1 1 3D打印鋁節點
      圖1 1 3D打印鋁節點

        LSEV是世界第一款即將量產的3D打印電動汽車, 該車除了底盤、輪胎、座椅、方向盤和玻璃以外, 其余的車身及內外飾都采用3D打印制造, 先打印車身零部件, 再打孔進行裝配。整臺車的零件總數由傳統汽車2 000個以上減少至57個, 并且可根據用車場景對車身及內外飾進行定制, 例如為意大利郵政設計的車輛, 為了有更多的空間存放包裹, 將車身加高, 取消副駕駛的座位, 并且在副儀表臺上留出放置票據等物品的空間 (圖12) 。

        圖1 2 3D打印郵政車輛
      圖1 2 3D打印郵政車輛

        5、展望

        3D打印在汽車領域的應用正從簡單的功能原型朝著更多的功能部件方向發展, 寶馬、福特等眾多知名車企都在汽車產品研發以及生產階段大量使用了3D打印技術, 充分利用3D打印的技術優勢, 推進汽車技術朝著更經濟的燃油性能、性能更佳的零部件以及有利于產品差異化的產品特征方向發展[5]。

        國內與國外相比, 在3D打印技術本身以及應用范圍方面還存在較大的差距, 主要還是將3D打印用于產品研發階段的設計驗證、功能測試以及生產過程的工裝夾具制造、質量檢測等領域, 這些往往是采用傳統的理念進行設計的, 通過3D打印進行替換, 確實可以提高效率, 降低成本, 但是尚未充分發揮3D打印技術優勢。

        3D打印的最大價值在于為產品提升高附加值, 在復雜零件、創新產品 (拓撲優化) , 以及個性化定制方面效果顯著。那么應該如何深入挖掘3D打印技術的應用價值, 需要汽車領域設計師足夠重視3D打印技術, 從設計初期, 甚至是產品策劃階段, 就引入這種思維, 以3D打印制造模式來設計產品, 突破傳統觀念的限制, 這樣可以為產品性能帶來更大的提升空間, 甚至為汽車行業帶來更可觀的收益。

        另外推廣3D打印在汽車上的應用, 也可以借鑒戴姆勒公司的經驗, 首先, 戴姆勒公司在龐大的零件數據庫里面找到適用于3D打印的零部件, 其中適合于高分子尼龍打印的零件有300多種, 適合金屬打印的有100多種, 然后是概念驗證階段, 驗證在前一階段篩選出來的零件是否在經濟和技術上可行。最終才是利用3D打印實現數字化的零配件生產。聽上去, 這套方案是為了打印而打印, 但其實在汽車領域, 對材料性能要求苛刻, 成本要壓縮的很低, 只有在部分典型零件上實現了3D打印終端產品生產裝配, 才能夠將這一技術進一步的推廣應用, 事物的接受需要一個過程, GE公司的3D打印之旅也是先從單一零件開始, 再逐步擴展到其它零部件, 目前GE的飛機引擎中包含了多個3D打印零部件。

        目前, 受到3D技術和成本等因素的限制, 大范圍推廣3D打印零部件在汽車上直接應用任重道遠, 但是隨著該技術的進一步發展和整個產業鏈日臻完善, 可以預見未來3D打印將有望應用到某些汽車零件的生產上, 最有希望實現量產的將是汽車金屬支架類零件和內飾零件。

        參考文獻

        [1] FIT America additive manufacturing. ADM-additive design and manufacturing by FIT[EB/OL].[2016-10-15].http://www.fit-america.com.
        [2] BMW Group. Racing technology right from the 3D printer:BMW makes water pump wheel for DTM racecars using additive production method[EB/OL]. (2015-04-29) [2016-11-02]. https://www.press.bmwgroup.com
        [3] Materialise. The Peugeot fractal concept car:3D printing acoustic interiors[EB/OL].[2016-10-15].http://www.materialise.com/en/cases/peugeot-fractal-concept-car-3dprinting-acoustic-interiors.
        [4] Divergent. World’s first 3D-printed supercar aimed at shaking up the auto industry[EB/OL]. (2015-07-10) [2016-12-19]. http://newatlas.com/divergent-microfactories-blade-first-3d-printed-supercar/38201/.
        [5]中國汽車工程學會, 3D科學谷. 3D打印與汽車行業技術發展報告[R], 北京:北京理工大學出版社, 2017.

        張薇,于洪陽,王昌斌,張斌.淺談3D打印零部件在汽車上的應用和展望[J].汽車工藝與材料,2019(07):7-10.
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