3D打印技术在汽车业的应用及前景

2014年，美国洛克汽车公司（Local Motors）打造了全球首辆3D打印车辆。2016年，本田发布新版微通勤电动车，该车型的制造也应用了3D打印技术。随后，其他车企也纷纷跟进，利用3D打印技术来制造关键零部件。

据一份名为《全球3D打印汽车市场分析与发展趋势——2025年行业预测（Global 3D Printing Automotive Market Analysis & Trends - Industry Forecast to 2025）》的新报告预计，截止至2025年，3D打印设备的应用将增长10%，其中大部分设备将被用于汽车零部件的制造。

3D打印技术及优缺点分析

目前，汽车行业已采用了多种3D打印技术，包括：电子束熔融（EBM）、熔融沉积造型（FDM）、分层实体制造（LOM）、三维打印、立体光刻造型、选择性激光烧结（SLS）。下面具体分析一下这六大3D打印技术的工艺原理及优缺点。

电子束熔融（EBM）

电子束熔融（EBM）技术，采用电子束替代激光打印头或热敏打印头，电子束熔融工艺常用于制造致密金属件，是一项新兴的先进金属快速成型添加式制造技术。

工艺原理：先将零件的三维实体模型数据导入EBM设备，然后将一层微细金属粉末薄层平铺在EBM设备的工作舱内，利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量，使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融。电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接后形成线状和面状金属层。

优点：电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，可达到50:1；焊接速度快，热影响区小，焊接变形小；真空环境利于提高焊缝质量；焊接可达性好；电子束易受控。

缺点：设备比较复杂，费用比较昂贵；焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确，间隙小而且均匀；真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到真空室的限制；电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量；电子束焊时产生的X射线需要严加防护以保证操作人员的健康和安全。

熔融沉积造型（FDM）

是一项添加式制造技术，其常用于造型、原型制作及生产应用中。FDM通俗来讲就是利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。

工艺原理：将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，将熔化后的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料，沉积固化后形成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在0.1秒内迅速凝固。每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

优点：成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型。

缺点：成型后表面粗糙。

分层实体制造（LOM）

工艺原理：其采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。事先在片材表面涂覆上一层热熔胶，加工时，采用热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。

优点：成型速度较快；原型精度高，翘曲变形小；原型能承受高达200摄氏度的温度，硬度较高、力学性能较好；无需设计和制作支撑结构；可进行切削加工；废料易剥离，无需后固化处理；可制作尺寸大的原型；原材料价格便宜，原型制作成本低。

缺点：不能直接制作塑料原型；原型的抗拉强度和弹性不太好；原型易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理；原型表面有台阶纹理，难以构建形状精细、多曲面的零件。因此，成型后需进行表面打磨；

三维打印

和传统的二维喷墨打印技术类似，可以打印超高精细度的样件，适用于小型精细零件的快速成型。

工艺原理：沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。该步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程。每打印完一层，机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作，直到原型件完成。成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料。

优点：成型精度高，可以彩色成型。

缺点：成型表面粗糙，材料强度差，成型后表面细节差。

立体光刻造型

工艺原理：先由软件把3D的数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。

优点：精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米。

缺点：可以使用的材料有限，并且不能多色成型。

选择性激光烧结（SLS）

工艺原理：将3D模型薄片化之后，在一个容器内，让其充满待烧结的材料粉末，这些粉末可以做的很细，然后由大功率的二氧化碳激光，选择最底层的3D切片形状开始烧结，然后平台下移，材料辊则在已经烧结的部分基础之上，再铺上薄薄的一层材料粉末烧结，如此往复，直到整体成型。

优点：材料的强度非常高，可选材料从金属到聚苯乙烯等等，可选材料范围非常广泛。

缺点：成型精度低，成型后表面粗糙，不能彩色成型。