全面解析6大3D打印技术工艺原理及优缺点

3D打印技术在汽车业的应用及前景展望

尽管3D打印技术在汽车行业内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轿车、卡车零部件的制造。

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（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）、立体光刻造型（stereolithography）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）。以下为小编整理的技术盘点：

电子束熔融（EBM）

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：

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。

缺点：

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。

熔融沉积造型（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。

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）

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

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：

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。

缺点：

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。 

在这种快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品，如上图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。

LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，除制造模具、模型外，该工艺还能直接制造结构件或功能件。

该快速成型技术的出现，还能较好地迎合了车灯结构与外观开发的需求，上图的零部件就采用了该工艺。

3维打印

类似于传统的二维喷墨打印，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。 

结语

汽车行业已开始涉足上述六大类3D打印制造工艺，旨在打造低成本、个性化的车辆。许多车企还采用了数码技术，用于车辆的原型制作、测试及各类工具、机床夹具（jigs）、固定装置（fixtures）及零部件的生产制作。对车企而言，尽管3D打印技术尚处于初创期，但3D打印技术及其设备将助推汽车行数字化制造变革，其作用无疑是至关重要的。