３Ｄ打印技術在汽車設計的應用

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摘要：３Ｄ打印技術是現代計算機信息技術快速發展下的創新技術產物，尤其是在汽車設計領域，３Ｄ打印技術的應用解決了傳統汽車設計技術問題，具有廣闊的應用前景。本文通過對３Ｄ打印技術進行概述，在介紹３Ｄ打印技術基礎上，分析該技術在汽車設計中應用的重要價值，同時針對３Ｄ打印技術在汽車外在造型設計、燈具設計、內外車飾設計等方面的具體技術應用途徑進行了探究，從而為推進３Ｄ打印技術在汽車設計中的廣泛應用提供有效參考。

關鍵詞：３Ｄ打印技術；汽車設計；應用

我國是汽車保有量大國，汽車行業發展在我國經濟社會中占據越來越重要的地位?！爸袊圃欤玻埃玻怠睉鹇员尘跋?，汽車行業發展逐步轉向輕量化、智能化。隨著現代網絡化、數字化技術快速普及，在汽車設計與制造領域中，技術發展為其實現更低成本、更高質量、多元形式發展提供了重要支持［１］。其中在汽車設計領域，３Ｄ打印技術的出現促使汽車設計能夠順應行業發展方向，解決傳統汽車設計中面臨的技術問題，不斷優化設計水平，為汽車行業發展奠定堅實的基礎?，F階段，３Ｄ打印技術在汽車設計領域中的應用受到越來越多的關注，加強對技術應用的深入研究，對于促進汽車行業快速穩定發展具有重要意義。

１、３Ｄ打印技術概述

１．１３Ｄ打印技術簡介

３Ｄ打印技術是通過數字模型設計、文件切片處理、逐層打印、后處理等基本流程實現的一種快速成型技術。３Ｄ打印徹底顛覆了傳統打印的概念，實現了對三維物體變革性的增材成型。３Ｄ打印技術將信息、生物以及材料等多學科技術進行交叉融合，實現了在汽車制造、機械制造等多個行業領域的應用，推動了未來制造業生產模式的變革，同時也改變著未來人類的生產生活方式。因此，３Ｄ打印技術是一種革命性的技術手段，其將會對人們設計與制造產品的方式方法產生顛覆式改變?，F階段，比較多見的３Ｄ打印技術有工藝熔融沉積成型技術（ＦＤＭ）、光固化立體成型技術（ＳＬＡ）、立體噴墨打印成型技術（３ＤＰ）以及選擇性激光燒結成型技術（ＳＬＳ）等［２］。

１．２３Ｄ打印技術在設計中的技術優勢

１．有效避免復雜的細節設計。在應用３Ｄ打印技術進行產品設計過程中，設計復雜或簡單的差異大大降低，在滿足技術要求的基礎上，設計人員可以直接將數據輸入設計軟件中，既可以獲得相應的產品設計模型，即使是在非常復雜的產品細節設計中，也一樣采取相同的方法獲得設計樣品，不僅不會對產品設計質量及效果造成不良影響，同時還可以盡可能降低復雜設計造成的成本增加［３］。２．能夠實現材料的自由組合。利用３Ｄ打印技術，可以將各種不同的材料應用到同一種產品的設計制造中，這大大突破了傳統設計中由于制造設備限制而導致設計材料受限的問題，為產品材料集成設計提供了重要技術支持。３．拓寬了產品設計空間。在批量生產要求下，產品設計師的設計思路往往受到生產要求的限制，設計創新程度較低。而利用３Ｄ打印技術進行產品設計，則給予了設計師無限的設計空間，可以幫助其將各種設計創意變為現實，從而推向制造業逐漸向智能化發展［４］。例如，在汽車產品設計中，利用３Ｄ打印技術可以最大限度實現設計優化，進行鏤空設計、夾層設計、異性拓撲結構設計等，不僅提高了產品藝術性、美觀度，同時也能夠有效減輕產品重量，推動汽車設計向輕量化方向發展。

２、３Ｄ打印技術在汽車設計中的具體應用

２．１３Ｄ打印技術在汽車造型設計中的應用

３Ｄ打印技術在汽車造型設計中的應用，是可以實現設計形態創新、數字化創新，將技術與藝術完美融合的技術手段。在傳統的汽車造型設計中，設計人員需要根據設計圖紙制造油泥模型，并需要綜合考慮模型制作及材料影響可能造成的設計參數誤差，進行反復測量修正，才能得到準確合理的設計參數。而３Ｄ打印技術則有效避免了復雜設計過程與設計細節的影響，設計人員只需要在計算機中調整設計參數，就可以獲得精確的設計模型，有效縮短設計周期，提高設計質量和效率。在汽車造型設計中，較多采用工藝熔融沉積成型技術（ＦＤＭ），該技術是通過對絲狀材料進行加熱使之熔化后，在工作臺根據界面輪廓形狀，進行分層打印、冷卻，逐步形成實體模型。其優勢是成型具有較高的精度與強度，并且可以實現彩色成型，但缺點是成型后模型的表面較為粗糙［５］。ＦＤＭ系統模型如圖１。在汽車造型設計模型制作中，ＦＤＭ打印技術根據建立三維實體模型→ＳＴＬ文件數據轉換→分層切片，加入支撐→熔融沉積成型→模型打印→表面處理的工序流程進行。首先，設計人員需要確定選用三維軟件進行模型制作，如采用ＵＧ建模軟件，將汽車造型的三維實體模型制作出來。在建模軟件中，模型圖形格式是ＰＲＴ格式的，因此需要將模型數據格式轉換為ＳＴＬ格式后，才能夠將模型設計參數數據導入到３Ｄ打印機軟件當中。其次，在文件數據轉換并導入完成后，在３Ｄ打印機軟件中進行模型大小、方向的調整，并對模型進行分層，分成多層的二維模型，同時加入支撐。再次，進行熔融沉積成型準備工作，然后實施模型打印。確定打印機設備及模型參數，打印材料選擇ＰＬＡ塑性絲狀材料，根據ＦＤＭ系統工作原理，逐層進行沉積成型。最后，在打印完成后，進行模型去支撐材料，并且由于打印模型表面較為粗糙，因此還需要進行打磨、拋光等，最終獲取３Ｄ打印汽車造型實體模型。

２．２３Ｄ打印技術在汽車燈具設計中的應用

汽車燈具是車身外觀裝飾和汽車照明、信號提示等功能兼具的重要組件，其構成包括燈罩、內燈罩、燈殼、透鏡組等。隨著人們對汽車功能與裝飾要求不斷提升，汽車燈具設計要求充分滿足用戶多樣性、個性化等需求，并且在當前激烈的市場競爭環境下，要求汽車燈具設計不斷縮短開發周期，提高系統性設計。因此，３Ｄ打印技術在汽車燈具設計中的應用發揮著重要作用。在汽車燈具設計中，不同的設計階段對３Ｄ打印技術的應用也具有一定的差異。在概念設計階段，主要是對設計燈具進行外觀評審，確保設計外形與設計理念相符，與整車風格匹配，并能夠體現設計創新，是對ＣＭＦ的真實呈現。在這一階段，主要考慮的因素是設計效果與制作周期。設計技術論證階段，是確保設計產品滿足相應功能要求的重要環節。在汽車燈具設計技術論證中，主要開展的工作包括對光型、結構的論證以及裝配認證。不同技術論證內容的要求不同，在光型論證工作中，需要在確定光源技術下，以光學原理為依據，進行光的反射與折射的論證，以確保設計滿足國家標準及行業規范要求；結構論證工作主要是對結構部件的連接、密封進行分析，結構創新設計分析；裝配認證則是對燈具的部件組合、零件連接以及同整車連接的方式進行檢驗。應用３Ｄ打印技術能夠對燈具部件結構、連接及安裝等各個方面進行實物驗證，大大提高了產品創新設計的可靠性。在汽車燈具設計中，采用３Ｄ打印技術中聚合物噴射技術（ＰｏｌｙＪｅｔ）具有較高的應用優勢，其雖然在實際應用中相較于ＳＬＡ、ＦＤＭ等應用范圍教窄，但是在工藝細分領域具有非常高的地位，該技術同ＦＤＭ具有一定的相似性，是通過擠出機頭分層進行打印，但ＰｏｌｙＪｅｔ是以與２Ｄ噴墨印刷技術更接近的方式進行工作的，擠出機在印刷床中沉積所選光聚合物材料微液滴，并通過紫外光進行固化。此外，支撐材料可以直接徒手剝離，或者用水槍沖洗清除構造復雜實體的支撐材料。ＰｏｌｙＪｅｔ在汽車燈具設計中具有顯著優勢，其可以保證打印模型的精細化和表面平滑，并對復雜的形狀及細節進行處理，最終精致呈現，并且還可以將多彩色與材料集成應用于同一模型中。ＰｏｌｙＪｅｔ工作系統模型如圖２所示。以３Ｄ打印技術在汽車前大燈設計中的應用為例，選擇ＰｏｌｙＪｅｔ進行產品的設計驗證。設計人員首先利用ＵＧ建模軟件根據設計參數完成前大燈三維數據模型，然后進行材料準備，根據前大燈產品設計要求，選用光敏樹脂材料，其可以滿足從類橡膠到透明材料之內的眾多類型材料特性的模擬，并且樹脂材料通過對兩種以上的基本樹脂進行混合，大幅提升了材料的可能性。再次，在轉換文件格式后，將設計參數數據導入到ＰｏｌｙＪｅｔ３Ｄ打印機當中，進行設備尺寸、最大構造尺寸、最高精度、全尺寸模型最大值、橫向打印層厚度等各項參數的設置。最后，在打印過程中，按照前處理、制作、后處理三個階段進行。在前處理階段，通過轉換ＣＡＤ模型為ＳＴＬ格式文件，組合小型的三角面片最大限度接近設計模型，重點在于加強模型精度。在制作階段，首先要確定好模型３Ｄ打印的準確位置，自動完成加入支撐，根據輸入好的設計參數，開始進行模型打印制作。在后處理階段，將打印完成的模型取下，并進行去支撐材料的處理，達到模型精度要求。與傳統的ＣＮＣ與手工相結合的制作方式，３Ｄ打印技術的工序各位簡單，不僅大幅縮短了模型制作的周期，降低了模型制作的難度，同時還可能保證設計圖紙與實體模型的一致性，解決了燈具部件設計連接強度、高低溫耐性等方面的關鍵問題，具有現實的應用優勢。

２．３３Ｄ打印技術在汽車內車飾設計中的應用

隨著汽車制造工藝水平的不斷提升，汽車企業制造技藝方面的差距將會逐步縮小，汽車使用功能性能差異逐漸減弱，人們開始對汽車內飾提出了更高的要求。同時，在激烈的市場競爭環境下，汽車內飾縮短開發周期，降低開發成本越來越成為各大汽車制造廠商關注的重點。３Ｄ打印技術在汽車內車飾設計中的應用，進一步加快了汽車內車飾的研發速度，降低產品開發設計成本，提高產品設計功能與性能匹配度。選擇性激光燒結技術（ＳＬＳ）是３Ｄ打印技術中應用較為廣泛的一種，在汽車內車飾設計中的應用優勢顯著。ＳＬＳ是通過將材料覆蓋于工作臺，形成第一層的成品表面，然后再利用能量輻射，將材料進行燒結，使其同已經成型的部分粘結在一起，依次完成分層打印，最終得到實體模型（如圖３）［６］。該技術可選材料非常廣泛，包括金屬材料、非金屬塑料等，且成型強度高且均勻，整體性強，但是其成型表面粗糙，不能實現彩色成型。圖３ＳＬＳ工作系統模型在汽車內部裝飾中的出風口為例，采用ＳＬＳ－３Ｄ打印技術可實現出風口總成快速成型。汽車內部裝飾中，出風口總成的結構較為復雜，并且對造型設計的要求比較高，部件尺寸較大。利用ＳＬＳ－３Ｄ打印機進行實體模型打印能夠充分滿足構件打印需求，ＳＬＳ－３Ｄ打印機加工精度可以達到０．１ｍｍ，可實現加工的最小壁厚為０．８ｍｍ，對多個零件進行加工的間隙最大是０．４ｍｍ。在對出風口進行ＳＬＳ－３Ｄ打印中，選用材料為ＰＡ２２００，先將材料粉末鋪在打印平臺底層，厚度約為６ｍｍ，然后將出風口文件格式改為ＳＴＬ格式，并導入到建模軟件中，設置出風口３Ｄ數據，零件之間的距離不低于３ｍｍ；然后進行模型打印，先進行切成，并將切層數據導入，對產品設計參數數據進行檢查，避免發生飛邊、重疊等錯誤，以及產品間有沒有存在重疊的情況，檢查無誤之后，進行打印操作，完成出風口總成的快速成型；待溫度冷卻后，從原料槽中取出出風口零部件，并進行清潔，然后進行安裝成型。利用ＳＬＳ－３Ｄ打印機可以在短時間內獲得一次成型的出風口零件模型，避免了制作零件鋼模的時間，節約成本，且最終獲得的零件模型能夠滿足誤差范圍要求，零件可組裝成出風口總成，并且沒有開啟和翻轉的干涉問題，尺寸具有較高的穩定性，在產品的表面可以進行織物或ＰＶＣ表皮包覆、噴漆等。但需要注意的是，采用尼龍材料加工的表面粗糙程度較高，且不能對模型耐高低溫、沖擊性等性能方面的檢驗；而如果選用樹脂材料，其在機械韌性方面尚且不能達到產品實際要求。因此，在ＳＬＳ－３Ｄ打印出風口總成設計模型方面，還需要對適用材料進行進一步研究。

３、結語

在“中國制造２０２５”背景下，我國汽車行業發展必須要不斷加強對新技術、新工藝的應用，才能夠進一步滿足其輕量化、智能化發展的實際要求，在激烈的國際國內市場競爭中獲取優勢。目前，３Ｄ打印技術在汽車行業領域的應用正在逐步擴大并不斷走向成熟。汽車產品設計是汽車行業發展的重要基礎，是提升汽車制造質量的重要前提。３Ｄ打印技術在汽車設計領域的應用，進一步提高了設計質量，拓寬了設計空間，為汽車產品設計的創意性、精細化發展提供了技術支持。３Ｄ打印技術在汽車設計領域應用前景廣闊。但同時，３Ｄ打印技術在汽車設計領域中的應用尚且存在一定的不足，在實際應用中要求設計人員立足實際，不斷探索優化３Ｄ打印技術的應用途徑。

作者：韋學軍 單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司