３Ｄ打印技术在汽车设计的应用

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摘要：３Ｄ打印技术是现代计算机信息技术快速发展下的创新技术产物，尤其是在汽车设计领域，３Ｄ打印技术的应用解决了传统汽车设计技术问题，具有广阔的应用前景。本文通过对３Ｄ打印技术进行概述，在介绍３Ｄ打印技术基础上，分析该技术在汽车设计中应用的重要价值，同时针对３Ｄ打印技术在汽车外在造型设计、灯具设计、内外车饰设计等方面的具体技术应用途径进行了探究，从而为推进３Ｄ打印技术在汽车设计中的广泛应用提供有效参考。

关键词：３Ｄ打印技术；汽车设计；应用

我国是汽车保有量大国，汽车行业发展在我国经济社会中占据越来越重要的地位。“中国制造２０２５”战略背景下，汽车行业发展逐步转向轻量化、智能化。随着现代网络化、数字化技术快速普及，在汽车设计与制造领域中，技术发展为其实现更低成本、更高质量、多元形式发展提供了重要支持［１］。其中在汽车设计领域，３Ｄ打印技术的出现促使汽车设计能够顺应行业发展方向，解决传统汽车设计中面临的技术问题，不断优化设计水平，为汽车行业发展奠定坚实的基础。现阶段，３Ｄ打印技术在汽车设计领域中的应用受到越来越多的关注，加强对技术应用的深入研究，对于促进汽车行业快速稳定发展具有重要意义。

１、３Ｄ打印技术概述

１．１３Ｄ打印技术简介

３Ｄ打印技术是通过数字模型设计、文件切片处理、逐层打印、后处理等基本流程实现的一种快速成型技术。３Ｄ打印彻底颠覆了传统打印的概念，实现了对三维物体变革性的增材成型。３Ｄ打印技术将信息、生物以及材料等多学科技术进行交叉融合，实现了在汽车制造、机械制造等多个行业领域的应用，推动了未来制造业生产模式的变革，同时也改变着未来人类的生产生活方式。因此，３Ｄ打印技术是一种革命性的技术手段，其将会对人们设计与制造产品的方式方法产生颠覆式改变。现阶段，比较多见的３Ｄ打印技术有工艺熔融沉积成型技术（ＦＤＭ）、光固化立体成型技术（ＳＬＡ）、立体喷墨打印成型技术（３ＤＰ）以及选择性激光烧结成型技术（ＳＬＳ）等［２］。

１．２３Ｄ打印技术在设计中的技术优势

１．有效避免复杂的细节设计。在应用３Ｄ打印技术进行产品设计过程中，设计复杂或简单的差异大大降低，在满足技术要求的基础上，设计人员可以直接将数据输入设计软件中，既可以获得相应的产品设计模型，即使是在非常复杂的产品细节设计中，也一样采取相同的方法获得设计样品，不仅不会对产品设计质量及效果造成不良影响，同时还可以尽可能降低复杂设计造成的成本增加［３］。２．能够实现材料的自由组合。利用３Ｄ打印技术，可以将各种不同的材料应用到同一种产品的设计制造中，这大大突破了传统设计中由于制造设备限制而导致设计材料受限的问题，为产品材料集成设计提供了重要技术支持。３．拓宽了产品设计空间。在批量生产要求下，产品设计师的设计思路往往受到生产要求的限制，设计创新程度较低。而利用３Ｄ打印技术进行产品设计，则给予了设计师无限的设计空间，可以帮助其将各种设计创意变为现实，从而推向制造业逐渐向智能化发展［４］。例如，在汽车产品设计中，利用３Ｄ打印技术可以最大限度实现设计优化，进行镂空设计、夹层设计、异性拓扑结构设计等，不仅提高了产品艺术性、美观度，同时也能够有效减轻产品重量，推动汽车设计向轻量化方向发展。

２、３Ｄ打印技术在汽车设计中的具体应用

２．１３Ｄ打印技术在汽车造型设计中的应用

３Ｄ打印技术在汽车造型设计中的应用，是可以实现设计形态创新、数字化创新，将技术与艺术完美融合的技术手段。在传统的汽车造型设计中，设计人员需要根据设计图纸制造油泥模型，并需要综合考虑模型制作及材料影响可能造成的设计参数误差，进行反复测量修正，才能得到准确合理的设计参数。而３Ｄ打印技术则有效避免了复杂设计过程与设计细节的影响，设计人员只需要在计算机中调整设计参数，就可以获得精确的设计模型，有效缩短设计周期，提高设计质量和效率。在汽车造型设计中，较多采用工艺熔融沉积成型技术（ＦＤＭ），该技术是通过对丝状材料进行加热使之熔化后，在工作台根据界面轮廓形状，进行分层打印、冷却，逐步形成实体模型。其优势是成型具有较高的精度与强度，并且可以实现彩色成型，但缺点是成型后模型的表面较为粗糙［５］。ＦＤＭ系统模型如图１。在汽车造型设计模型制作中，ＦＤＭ打印技术根据建立三维实体模型→ＳＴＬ文件数据转换→分层切片，加入支撑→熔融沉积成型→模型打印→表面处理的工序流程进行。首先，设计人员需要确定选用三维软件进行模型制作，如采用ＵＧ建模软件，将汽车造型的三维实体模型制作出来。在建模软件中，模型图形格式是ＰＲＴ格式的，因此需要将模型数据格式转换为ＳＴＬ格式后，才能够将模型设计参数数据导入到３Ｄ打印机软件当中。其次，在文件数据转换并导入完成后，在３Ｄ打印机软件中进行模型大小、方向的调整，并对模型进行分层，分成多层的二维模型，同时加入支撑。再次，进行熔融沉积成型准备工作，然后实施模型打印。确定打印机设备及模型参数，打印材料选择ＰＬＡ塑性丝状材料，根据ＦＤＭ系统工作原理，逐层进行沉积成型。最后，在打印完成后，进行模型去支撑材料，并且由于打印模型表面较为粗糙，因此还需要进行打磨、抛光等，最终获取３Ｄ打印汽车造型实体模型。

２．２３Ｄ打印技术在汽车灯具设计中的应用

汽车灯具是车身外观装饰和汽车照明、信号提示等功能兼具的重要组件，其构成包括灯罩、内灯罩、灯壳、透镜组等。随着人们对汽车功能与装饰要求不断提升，汽车灯具设计要求充分满足用户多样性、个性化等需求，并且在当前激烈的市场竞争环境下，要求汽车灯具设计不断缩短开发周期，提高系统性设计。因此，３Ｄ打印技术在汽车灯具设计中的应用发挥着重要作用。在汽车灯具设计中，不同的设计阶段对３Ｄ打印技术的应用也具有一定的差异。在概念设计阶段，主要是对设计灯具进行外观评审，确保设计外形与设计理念相符，与整车风格匹配，并能够体现设计创新，是对ＣＭＦ的真实呈现。在这一阶段，主要考虑的因素是设计效果与制作周期。设计技术论证阶段，是确保设计产品满足相应功能要求的重要环节。在汽车灯具设计技术论证中，主要开展的工作包括对光型、结构的论证以及装配认证。不同技术论证内容的要求不同，在光型论证工作中，需要在确定光源技术下，以光学原理为依据，进行光的反射与折射的论证，以确保设计满足国家标准及行业规范要求；结构论证工作主要是对结构部件的连接、密封进行分析，结构创新设计分析；装配认证则是对灯具的部件组合、零件连接以及同整车连接的方式进行检验。应用３Ｄ打印技术能够对灯具部件结构、连接及安装等各个方面进行实物验证，大大提高了产品创新设计的可靠性。在汽车灯具设计中，采用３Ｄ打印技术中聚合物喷射技术（ＰｏｌｙＪｅｔ）具有较高的应用优势，其虽然在实际应用中相较于ＳＬＡ、ＦＤＭ等应用范围教窄，但是在工艺细分领域具有非常高的地位，该技术同ＦＤＭ具有一定的相似性，是通过挤出机头分层进行打印，但ＰｏｌｙＪｅｔ是以与２Ｄ喷墨印刷技术更接近的方式进行工作的，挤出机在印刷床中沉积所选光聚合物材料微液滴，并通过紫外光进行固化。此外，支撑材料可以直接徒手剥离，或者用水枪冲洗清除构造复杂实体的支撑材料。ＰｏｌｙＪｅｔ在汽车灯具设计中具有显著优势，其可以保证打印模型的精细化和表面平滑，并对复杂的形状及细节进行处理，最终精致呈现，并且还可以将多彩色与材料集成应用于同一模型中。ＰｏｌｙＪｅｔ工作系统模型如图２所示。以３Ｄ打印技术在汽车前大灯设计中的应用为例，选择ＰｏｌｙＪｅｔ进行产品的设计验证。设计人员首先利用ＵＧ建模软件根据设计参数完成前大灯三维数据模型，然后进行材料准备，根据前大灯产品设计要求，选用光敏树脂材料，其可以满足从类橡胶到透明材料之内的众多类型材料特性的模拟，并且树脂材料通过对两种以上的基本树脂进行混合，大幅提升了材料的可能性。再次，在转换文件格式后，将设计参数数据导入到ＰｏｌｙＪｅｔ３Ｄ打印机当中，进行设备尺寸、最大构造尺寸、最高精度、全尺寸模型最大值、横向打印层厚度等各项参数的设置。最后，在打印过程中，按照前处理、制作、后处理三个阶段进行。在前处理阶段，通过转换ＣＡＤ模型为ＳＴＬ格式文件，组合小型的三角面片最大限度接近设计模型，重点在于加强模型精度。在制作阶段，首先要确定好模型３Ｄ打印的准确位置，自动完成加入支撑，根据输入好的设计参数，开始进行模型打印制作。在后处理阶段，将打印完成的模型取下，并进行去支撑材料的处理，达到模型精度要求。与传统的ＣＮＣ与手工相结合的制作方式，３Ｄ打印技术的工序各位简单，不仅大幅缩短了模型制作的周期，降低了模型制作的难度，同时还可能保证设计图纸与实体模型的一致性，解决了灯具部件设计连接强度、高低温耐性等方面的关键问题，具有现实的应用优势。

２．３３Ｄ打印技术在汽车内车饰设计中的应用

随着汽车制造工艺水平的不断提升，汽车企业制造技艺方面的差距将会逐步缩小，汽车使用功能性能差异逐渐减弱，人们开始对汽车内饰提出了更高的要求。同时，在激烈的市场竞争环境下，汽车内饰缩短开发周期，降低开发成本越来越成为各大汽车制造厂商关注的重点。３Ｄ打印技术在汽车内车饰设计中的应用，进一步加快了汽车内车饰的研发速度，降低产品开发设计成本，提高产品设计功能与性能匹配度。选择性激光烧结技术（ＳＬＳ）是３Ｄ打印技术中应用较为广泛的一种，在汽车内车饰设计中的应用优势显著。ＳＬＳ是通过将材料覆盖于工作台，形成第一层的成品表面，然后再利用能量辐射，将材料进行烧结，使其同已经成型的部分粘结在一起，依次完成分层打印，最终得到实体模型（如图３）［６］。该技术可选材料非常广泛，包括金属材料、非金属塑料等，且成型强度高且均匀，整体性强，但是其成型表面粗糙，不能实现彩色成型。图３ＳＬＳ工作系统模型在汽车内部装饰中的出风口为例，采用ＳＬＳ－３Ｄ打印技术可实现出风口总成快速成型。汽车内部装饰中，出风口总成的结构较为复杂，并且对造型设计的要求比较高，部件尺寸较大。利用ＳＬＳ－３Ｄ打印机进行实体模型打印能够充分满足构件打印需求，ＳＬＳ－３Ｄ打印机加工精度可以达到０．１ｍｍ，可实现加工的最小壁厚为０．８ｍｍ，对多个零件进行加工的间隙最大是０．４ｍｍ。在对出风口进行ＳＬＳ－３Ｄ打印中，选用材料为ＰＡ２２００，先将材料粉末铺在打印平台底层，厚度约为６ｍｍ，然后将出风口文件格式改为ＳＴＬ格式，并导入到建模软件中，设置出风口３Ｄ数据，零件之间的距离不低于３ｍｍ；然后进行模型打印，先进行切成，并将切层数据导入，对产品设计参数数据进行检查，避免发生飞边、重叠等错误，以及产品间有没有存在重叠的情况，检查无误之后，进行打印操作，完成出风口总成的快速成型；待温度冷却后，从原料槽中取出出风口零部件，并进行清洁，然后进行安装成型。利用ＳＬＳ－３Ｄ打印机可以在短时间内获得一次成型的出风口零件模型，避免了制作零件钢模的时间，节约成本，且最终获得的零件模型能够满足误差范围要求，零件可组装成出风口总成，并且没有开启和翻转的干涉问题，尺寸具有较高的稳定性，在产品的表面可以进行织物或ＰＶＣ表皮包覆、喷漆等。但需要注意的是，采用尼龙材料加工的表面粗糙程度较高，且不能对模型耐高低温、冲击性等性能方面的检验；而如果选用树脂材料，其在机械韧性方面尚且不能达到产品实际要求。因此，在ＳＬＳ－３Ｄ打印出风口总成设计模型方面，还需要对适用材料进行进一步研究。

３、结语

在“中国制造２０２５”背景下，我国汽车行业发展必须要不断加强对新技术、新工艺的应用，才能够进一步满足其轻量化、智能化发展的实际要求，在激烈的国际国内市场竞争中获取优势。目前，３Ｄ打印技术在汽车行业领域的应用正在逐步扩大并不断走向成熟。汽车产品设计是汽车行业发展的重要基础，是提升汽车制造质量的重要前提。３Ｄ打印技术在汽车设计领域的应用，进一步提高了设计质量，拓宽了设计空间，为汽车产品设计的创意性、精细化发展提供了技术支持。３Ｄ打印技术在汽车设计领域应用前景广阔。但同时，３Ｄ打印技术在汽车设计领域中的应用尚且存在一定的不足，在实际应用中要求设计人员立足实际，不断探索优化３Ｄ打印技术的应用途径。

作者：韦学军 单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司