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應用案例

全面剖析3d打印技术在汽车上的應用案例

      未来3D打印技术将在汽车等各行业中发挥极为重要的作用,未来的制造工厂将会由许多工业级3D打印设备组成。随着各类3D打印技术的不断发展,未来汽车制造将随之发生重大变革。

    3D打印技術在汽車業的應用及前景展望

    尽管3D打印技术在汽车行的的应用尚处于相对初级的阶段,但该技术的应用已在汽车行业掀起一轮新的制造技术革新。2014年,美国洛克汽车公司(Local Motors)利用其打印设备,以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)及碳纤维混合物(配比:80/20)为材料,打造了全球首辆3D打印车辆——Strati。

    2016年,本田发布新版微通勤(Micro-Commuter)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(key components),旨在保障始终如一的产品品质、可靠的产品性能并积极致力于持续缩短投产准备阶段(lead-time)的耗时。

    据一份名为《全球3D打印汽车[Market]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轿车、卡车零部件的制造。

    3D打印技術及優缺點分析

    目前,汽车行业已采用了多种3D打印技术,包括:电子束熔融(electron beam melting,EBM)、熔融沉积造型(fused disposition modeling,FDM)、分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)、三维打印(three dimensional printing)、立體光刻造型(stereolithography)、选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)。以下为小编整理的技术盘点:

    電子束熔融(EBM)

3D打印技术推动汽车制造变革 六大技术全解析

    其简称为EBM技术,是一项新兴的先进金属快速成型添加式制造(form additive manufacturing)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(incredibly dense metal parts)。

    工藝原理:

    先將零件的三維實體模型數據導入EBM設備,然後將一層微細金屬粉末薄層平鋪在EBM設備的工作艙內,利用高能電子束經偏轉聚焦後在焦點所産生的高密度能量,使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區域産生高溫,導致金屬微粒熔融。電子束連續掃描將使一個個微小的金屬熔池相互融合並凝固,連接後形成線狀和面狀金屬層。

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    優點:

    1. 电子束穿透能力强,焊缝深宽比大,可达到50:1。

    2. 焊接速度快,热影响区小,焊接变形小。

    3. 真空环境利于提高焊缝质量。

    4. 焊接可达性好。

    5. 电子束易受控。

    缺點:

    1. 设备比较复杂,费用比较昂贵。

    2. 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。

    3. 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。

    4. 电子束易受杂散电磁场的干扰,影响焊接质量。

    5. 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。

熔融沈積造型(FDM)

    这是一项添加式制造(additive manufacturing,AM)技术,其常用于造型、原型制作(prototyping)及生产应用中。这项3D打印技术由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。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。

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    工藝原理:

    將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體,將熔化後的熱塑材料絲通過噴頭擠出,擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓准確運動,擠出半流動的熱塑材料,沈積固化後形成精確的實際部件薄層,覆蓋于已建造的零件之上,並在0.1秒內迅速凝固。每完成一層成型,工作台便下降一層高度,噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲,如此反複逐層沈積,直到最後一層,這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。

    優點:成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型。

    缺點:成型后表面粗糙

    分層實體制造(LOM)

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    又称层叠法成形,由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。

    工藝原理: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验证手机自动送彩金59蚰谇懈畛錾舷露云的网格;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。

    優點:

    1. 成型速度较快。由于只需要使用激光束沿物体的轮廓进行切割,无需扫描整个断面。因此,成型速度很快,该技术常被用于加工内部结构简单的大型零件。

    2. 原型精度高,翘曲变形小。

    3. 原型能承受高达200摄氏度的温度,硬度较高、力学性能较好。

    4. 无需设计和制作支撑结构。

    5. 可进行切削加工。

    6. 废料易剥离,无需后固化处理。

    7. 可制作尺寸大的原型。

    8. 原材料价格便宜,原型制作成本低。

    缺點:

    1. 不能直接制作塑料原型。

    2. 原型的抗拉强度和弹性不太好。

    3. 原型易吸湿膨胀,因此,成型后应尽快进行表面防潮处理。

    4. 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。

在這種快速成形機上,截面輪廓被切割和疊合後所成的制品,如上圖所示。其中,所需的工件被廢料小方格包圍,剔除這些小方格之後,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構件或功能件。

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    該快速成型技術的出現,還能較好地迎合了車燈結構與外觀開發的需求,上圖的零部件就采用了該工藝。

  

3維打印

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    類似于傳統的二維噴墨打印,可以打印超高精細度的樣件,適用于小型精細零件的快速成型。

工藝原理:

    沿著X軸前後滑動,在成型室裏鋪上一層超薄的光敏樹脂。每鋪完一層後,噴頭架邊上的紫外光球立即發射紫外光,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所需的後處理過程。每打印完一層,機器內部的成型底盤就會極爲精確地下沈,而噴頭繼續一層一層地工作,直到原型件完成。成型時使用了兩種不同的光敏樹脂材料:一種是用來成型實體部件的成型材料,另一種類膠體的用來支撐部件的支撐材料。

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    優點: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。

立體光刻造型

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    工藝原理:

    先由軟件把3D的數字模型,“切”成若幹個平面,這就形成了很多個剖面,在工作的時候,有一個可以舉升的平台,這個平台周圍有一個液體槽,槽裏面充滿了可以紫外線照射固化的液體,紫外線激光會從底層做起,固化最底層的,然後平台下移,固化下一層,如此往複,直到最終成型。

    優點: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。

    缺點:可以使用的材料有限,并且不能多色成型。

    選擇性激光燒結(SLS)

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    工藝原理:

    將3D模型薄片化之後,在一個容器內,讓其充滿待燒結的材料粉末,這些粉末可以做的很細,然後由大功率的二氧化碳激光,選擇最底層的3D切片形狀開始燒結,然後平台下移,材料輥則在已經燒結的部分基礎之上,再鋪上薄薄的一層材料粉末燒結,如此往複,直到整體成型。

    優點:材料验证手机自动送彩金59慷确浅8,可选材料从金属到聚苯乙烯等等,可选材料范围非常广泛。

    缺點:成型精度低,成型后表面粗糙,不能彩色成型。

    汽車行業已開始涉足上述六大類3D打印制造工藝,旨在打造低成本、個性化的車輛。許多車企還采用了數碼技術,用于車輛的原型制作、測試及各類工具、機床夾具(jigs)、固定裝置(fixtures)及零部件的生産制作。對車企而言,盡管3D打印技術尚處于初創期,但3D打印技術及其設備將助推汽車行數字化制造變革,其作用無疑是至關重要的。


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