3D打印技術(shù)在汽車業(yè)的應(yīng)用及前景展望
盡管3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用尚處于相對(duì)初級(jí)的階段,但該技術(shù)的應(yīng)用已在汽車行業(yè)掀起一輪新的制造技術(shù)革新。
2014年,美國(guó)洛克汽車公司(Local Motors)利用其打印設(shè)備,以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)及碳纖維混合物(配比:80/20)為材料,打造了全球首輛3D打印車輛——Strati。
2016年,本田發(fā)布新版微通勤(Micro-Commuter)電動(dòng)車,該車型的制造也應(yīng)用了3D打印技術(shù)。隨后,其他車企也紛紛跟進(jìn),利用3D打印技術(shù)來(lái)制造關(guān)鍵零部件(key components),旨在保障始終如一的產(chǎn)品品質(zhì)、可靠的產(chǎn)品性能并積極致力于持續(xù)縮短投產(chǎn)準(zhǔn)備階段(lead-time)的耗時(shí)。
據(jù)一份名為《全球3D打印汽車市場(chǎng)分析與發(fā)展趨勢(shì)——2025年行業(yè)預(yù)測(cè)(Global 3D Printing Automotive Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025)》的新報(bào)告預(yù)計(jì),截止至2025年,3D打印設(shè)備的應(yīng)用將增長(zhǎng)10%,其中大部分設(shè)備將被用于轎車、卡車零部件的制造。
3D打印技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)分析
目前,汽車行業(yè)已采用了多種3D打印技術(shù),包括:電子束熔融(electron beam melting,EBM)、熔融沉積造型(fused disposition modeling,F(xiàn)DM)、分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing,LOM)、三維打?。╰hree dimensional printing)、立體光刻造型(stereolithography)、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)。以下為小編整理的技術(shù)盤點(diǎn):
電子束熔融(EBM)
工藝原理:
先將零件的三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EBM設(shè)備,然后將一層微細(xì)金屬粉末薄層平鋪在EBM設(shè)備的工作艙內(nèi),利用高能電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦后在焦點(diǎn)所產(chǎn)生的高密度能量,使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區(qū)域產(chǎn)生高溫,導(dǎo)致金屬微粒熔融。電子束連續(xù)掃描將使一個(gè)個(gè)微小的金屬熔池相互融合并凝固,連接后形成線狀和面狀金屬層。
1. 電子束穿透能力強(qiáng),焊縫深寬比大,可達(dá)到50:1。
2. 焊接速度快,熱影響區(qū)小,焊接變形小。
3. 真空環(huán)境利于提高焊縫質(zhì)量。
4. 焊接可達(dá)性好。
5. 電子束易受控。
缺點(diǎn):
1. 設(shè)備比較復(fù)雜,費(fèi)用比較昂貴。
2. 焊接前對(duì)接頭加工、裝配要求嚴(yán)格,以保證接頭位置準(zhǔn)確,間隙小而且均勻。
3. 真空電子束焊接時(shí),被焊工件尺寸和形狀常常受到真空室的限制。
4. 電子束易受雜散電磁場(chǎng)的干擾,影響焊接質(zhì)量。
5. 電子束焊時(shí)產(chǎn)生的X射線需要嚴(yán)加防護(hù)以保證操作人員的健康和安全。
熔融沉積造型(FDM)
這是一項(xiàng)添加式制造(additive manufacturing,AM)技術(shù),其常用于造型、原型制作(prototyping)及生產(chǎn)應(yīng)用中。這項(xiàng)3D打印技術(shù)由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。FDM通俗來(lái)講就是利用高溫將材料融化成液態(tài),通過(guò)打印頭擠出后固化,最后在立體空間上排列形成立體實(shí)物。
工藝原理:
將低熔點(diǎn)絲狀材料通過(guò)加熱器的擠壓頭熔化成液體,將熔化后的熱塑材料絲通過(guò)噴頭擠出,擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng),擠出半流動(dòng)的熱塑材料,沉積固化后形成精確的實(shí)際部件薄層,覆蓋于已建造的零件之上,并在0.1秒內(nèi)迅速凝固。每完成一層成型,工作臺(tái)便下降一層高度,噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲,如此反復(fù)逐層沉積,直到最后一層,這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。
優(yōu)點(diǎn):成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型。
缺點(diǎn):成型后表面粗糙
分層實(shí)體制造(LOM)
工藝原理:其采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等。事先在片材表面涂覆上一層熱熔膠,加工時(shí),采用熱壓輥熱壓片材,使之與下面已成形的工件粘接;用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框,并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格;激光切割完成后,工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工件下降,與帶狀片材(料帶)分離;供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸,帶動(dòng)料帶移動(dòng),使新層移到加工區(qū)域;工作臺(tái)上升到加工平面;熱壓輥熱壓,工件的層數(shù)增加一層,高度增加一個(gè)料厚;再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完,得到分層制造的實(shí)體零件。
1. 成型速度較快。由于只需要使用激光束沿物體的輪廓進(jìn)行切割,無(wú)需掃描整個(gè)斷面。因此,成型速度很快,該技術(shù)常被用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大型零件。
2. 原型精度高,翹曲變形小。
3. 原型能承受高達(dá)200攝氏度的溫度,硬度較高、力學(xué)性能較好。
4. 無(wú)需設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)。
5. 可進(jìn)行切削加工。
6. 廢料易剝離,無(wú)需后固化處理。
7. 可制作尺寸大的原型。
8. 原材料價(jià)格便宜,原型制作成本低。
缺點(diǎn):
1. 不能直接制作塑料原型。
2. 原型的抗拉強(qiáng)度和彈性不太好。
3. 原型易吸濕膨脹,因此,成型后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處理。
4. 原型表面有臺(tái)階紋理,難以構(gòu)建形狀精細(xì)、多曲面的零件。因此,成型后需進(jìn)行表面打磨。
在這種快速成形機(jī)上,截面輪廓被切割和疊合后所成的制品,如上圖所示。其中,所需的工件被廢料小方格包圍,剔除這些小方格之后,便可得到三維工件。
LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等,除制造模具、模型外,該工藝還能直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。
3維打印
類似于傳統(tǒng)的二維噴墨打印,可以打印超高精細(xì)度的樣件,適用于小型精細(xì)零件的快速成型。
工藝原理:沿著X軸前后滑動(dòng),在成型室里鋪上一層超薄的光敏樹脂。每鋪完一層后,噴頭架邊上的紫外光球立即發(fā)射紫外光,快速固化和硬化每層光敏樹脂。該步驟減少了使用其他技術(shù)所需的后處理過(guò)程。每打印完一層,機(jī)器內(nèi)部的成型底盤就會(huì)極為精確地下沉,而噴頭繼續(xù)一層一層地工作,直到原型件完成。成型時(shí)使用了兩種不同的光敏樹脂材料:一種是用來(lái)成型實(shí)體部件的成型材料,另一種類膠體的用來(lái)支撐部件的支撐材料。
缺點(diǎn):成型表面粗糙,材料強(qiáng)度差,成型后表面細(xì)節(jié)差。
立體光刻造型
優(yōu)點(diǎn):精度高,可以表現(xiàn)準(zhǔn)確的表面和平滑的效果,精度可以達(dá)到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。
缺點(diǎn):可以使用的材料有限,并且不能多色成型。
選擇性激光燒結(jié)(SLS)
優(yōu)點(diǎn):材料的強(qiáng)度非常高,可選材料從金屬到聚苯乙烯等等,可選材料范圍非常廣泛。
缺點(diǎn):成型精度低,成型后表面粗糙,不能彩色成型。
汽車行業(yè)已開(kāi)始涉足上述六大類3D打印制造工藝,旨在打造低成本、個(gè)性化的車輛。許多車企還采用了數(shù)碼技術(shù),用于車輛的原型制作、測(cè)試及各類工具、機(jī)床夾具(jigs)、固定裝置(fixtures)及零部件的生產(chǎn)制作。對(duì)車企而言,盡管3D打印技術(shù)尚處于初創(chuàng)期,但3D打印技術(shù)及其設(shè)備將助推汽車行數(shù)字化制造變革,其作用無(wú)疑是至關(guān)重要的。
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