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用3D打印技术制造汽车零部件原型

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发表于 2015-1-22 17:04:34 | 显示全部楼层 |阅读模式

越来越多的汽车制造商正利用3D打印工艺(增材制造(AM)的俗称)来逐层制造零部件,该工艺主要用于快速原型制造。
这辆看上去像个果冻豆的3D打印汽车,名字叫做Urbee2,它是首个主要用3D打印部件生产出来的汽车。
通用汽车公司(GM)全球设计中心的设计制造主管David Bolognino表示,“虽然AM技术在原型制造领域表现优异,但较高的生产成本和较长的制造周期使其很难成为大批量制造领域的一种可行选择。”目前一台工业级3D打印机的价格约为100万美元,而且用激光扫描材料沉积层的速度有一定的物理限制。“从3D打印机制造零件所花费的时间上,我还看不到很快就会出现制造模式转变的迹象。”
不过,3D打印工艺正越来越多地用于制造一些小批量生产的专用零部件及工装。
通用汽车公司从上世纪80年代末期就开始从事快速原型制造,并使用选择性激光烧结工艺(SLS)和立体光固化成型设备(SLA)生产汽车零部件原型。SLS可在预定截面上对塑料、陶瓷、玻璃、金属等粉末材料进行熔融烧结,用激光束在铺设的粉末表面按预定形状进行扫描,使粉末熔融烧结成厚度约0.1mm的材料层。随着每一层新的粉末被添加、扫描和熔融烧结到上一层材料上,所需零件就可在一个容积为28立方英寸的容器内逐渐成型。
通用汽车全球设计中心的快速原型实验室每年要利用SLS和SLA设备生产超过25,000件快速原型零部件
Bolognino介绍说,如果GM公司无法在该容器内烧结出整个零件,可以分别打印出零件的各个部分,并用榫槽连接件、销子和胶合剂将其组合到一起。“除了你的想象力以外,这项技术不受任何限制。”GM公司并不烧结制造任何金属零部件,而是选择对金属毛坯进行机加工,用精密铸造工艺或外包加工方式制造金属原型零部件。
与SLS工艺不同,SLA工艺是将光化学技术与激光技术结合到一起,用液态光敏聚合物树脂来制造零部件。这种零部件也是逐层形成的。当用紫外激光对光聚合物树脂表面进行扫描照射时,可通过光化学作用,将液态树脂固化成固体。由于这种树脂通常无法支承固化形成的零部件,因此在制造过程中,每个零部件下面都需要形成细网格状的支撑结构。
GM快速原型实验室的工作人员对SLS工艺用过的粉末材料进行回收和再用

方兴未艾的制造技术
除了通用汽车公司外,福特汽车公司、丰田汽车美国销售公司、戴姆勒公司等其他一些汽车制造商也在应用增材制造(AM)技术。
据戴姆勒公司介绍,它从1990年代开始试验通过3D打印制造汽车零部件原型。近年来,该公司采用SLA、SLS、选择性激光熔融、熔融沉积成型(FDM)和热融合技术来制造实体模型、塑料构件、钢制和铝制功能部件。由于这些AM工艺无需使用各种工装设备(如模具),因此比传统制造工艺速度更快、成本更低。
戴姆勒公司装配线上用选择性激光熔融和选择性激光烧结工艺生产的零件
丰田公司从1997年开始从事快速原型制造,现在已能生产其汽车上所用的大部分塑料零部件的原型件,如仪表盘、车门内壁板、车轮及空调系统零部件。这些原型件主要用于外观检查,采用的AM工艺包括FDM、SLS和SLA。增材制造的主要优势包括:可以快速制成原型件;能同时制造原型件的几种不同版本;无需工装即可实现原型零部件的制造。
虽然丰田公司用AM工艺制成零部件后通常无需再对其进行机械加工,但为了美观还需要完成大量手工操作,包括打磨、涂装和组装。
福特汽车公司应用AM技术的历史可以追溯到1988年。当时,福特公司从3D Systems公司购买了一台立体光固化成型设备(SLA),这是最早实现商业化应用的3D打印技术之一。之后不久,其他AM技术也开始陆续问世。福特公司也对其中的许多技术进行了投资和应用。
除了用于工业生产的大型3D打印机(如3D Systems、EOS、Stratasys和ExOne公司的产品)以外,福特汽车公司还使用了一些小型台式3D打印机(如2013年6月被Stratasys公司收购的MakerBot公司的产品)。成本和精度都较低的台式3D打印机主要用于供工程师们快速开发一些他们可以实际握持的零件(如换档手柄)。他们还可以将设计文件传送给其他工程师(包括福特公司硅谷设计工作室的工程师),然后其他人可以用3D打印机打印出原型件,并对其进行评估和讨论。在开发功能零部件的原型时,这种方式可节省运送零部件的成本和时间。此后,还可以将原型件移送至更精确的大型工业打印机上进行制作。

从打印型砂到打印金属
福特汽车公司还拥有可以打印型砂铸模的3D打印机。这些铸模可用于铸造金属铸件(如铝、铁、钢和镁制铸件),打印过程包括:将石英型砂放入3D打印机中,并与活化剂均匀混合。打印机在工作台上铺上一层经过活化的型砂,并在型砂上面打印出一层粘结剂,然后重复这一过程,直至砂模成型。这种3D打印砂模与常规砂模类似,其中也可能包括模芯和其它结构,但没有硬模的围模料。然后,福特技术中心的加工车间就可以用这种砂模铸造出近净成型零件。
福特汽车公司的技师正在清除一个用于制造发动机部件的砂型铸模周围的砂子。该模具是用福特的3D打印设备制造的
利用3D打印技术,工程师们就能对照以前的设计对零部件进行反复修改和测试。设计零件→打印制作模具→铸造该零件→对其进行测试→修改零件设计→修改或重新制作模具,这是一个连续的优化设计过程。在采用效率更高的并行流程后,一个工程师可以同时测试5~6种设计方案。经过测试后,工程师就能从中挑选出一两种较好的设计方案进行完善,从而实现产品的最优化设计。
福特公司技师正在清理一个3D打印零件。
3D打印技术使工程师可以快速制作一系列存在细微差别、用于测试和评估的零件,这一过程可帮助福特开发出燃油效率最高的量产车。3D打印并不会将采用注塑模具和常规切削的原型制造工艺淘汰出局。相反,AM技术可以帮助工程师在花费大量时间和金钱加工传统模具和对原型件进行加工之前,对产品设计方案进行充分验证。
3D打印还有另一种应用,许多铸造零部件往往是先确定外部尺寸和结构,而内部结构(如流道等)因为其变数更大则可能需要进行额外的测试,因此,可以用低成本的原型工装来制作外部模件,而内部模芯则通过3D打印制作。
此外,对金属工件进行机械加工有时效率更高,因此福特公司不会轻易改弦易辙。但福特公司并不打算强行推广3D打印技术,只是为了可以宣布自己能用它做任何事。实际上,3D打印只是工具箱中的另一种工具,它可以帮助公司为用户提供更好的产品。当然,对于批量生产则完全用常规工装来完成,因为3D打印的速度几乎不可能跟上福特的生产节拍。

在豪车生产中的应用
增材制造(AM)可能永远不会用于大批量零件的生产,但它正被用于为一些小批量、高价值的豪车生产最终使用的零部件。正如“007” 詹姆斯·邦德不会穿一身从成衣铺买来的廉价西装一样,那些宾利-慕尚豪车的客户也要求获得一种量身定制、非同寻常的驾驶体验,即使这种体验并非来自驾驶座。
3D打印机制造商StrataSys公司的汽车直接数字化制造(DDM)技术负责人认为3D打印最成功的市场是批量很小、价格极高的豪华型高性能汽车。如果一年只生产20辆车,加工一套注塑模具来生产内饰板就变得毫无意义。
一些客户使用StrataSys公司的Fortus FDM打印机制造生产型零部件,并使用该公司的AM材料和RedEye业务部门提供的3D打印服务。汽车制造商甚至期望其定制汽车的订单量会超过其标准车型的订单量。
这些3D打印机只能使用长丝形式的聚合材料(即热塑性塑料)来打印零件,这些材料包括高强度、耐高温、耐化学腐蚀的聚合物(如Sabic公司生产的Ultem 9085工程塑料)。内部装有卷轴的原料罐中装有抽成长丝的热熔性材料,通过送丝机构将其送至热熔喷头,并在喷头中加热融化为细丝状。然后,喷头沿着X轴和Y轴移动(类似于刀具在数控机床上移动),并在成形区一层接一层地沉积出工件及支撑结构(而不是用刀具从工件上切除材料)。Z轴工作台则按照用户选定的增量(称为“层厚”)离开喷头向下移动,直至成形过程结束。工件成型后,还需要去除支撑材料。
用3D打印机逐层打印零件(打印头位于三角形标志下方)
在零件打印完成后,还需要振动抛光、磨料喷砂或用其他机械方式进行精整加工。不过,如果零件表面还要覆盖一层皮革或其他面料,则对表面光洁度就无需提出严格要求。需要用粘合剂将覆盖物粘在零件上,则比较粗糙的零件表面往往更为有利。
在打印零件时,虽然挤出宽度可能各不相同,但层厚在整个成形过程中却始终保持不变。
3D打印机可在无人值守情况下自动运行,以尽可能减少对人工的需求。FDM打印机每小时可沉积多达3立方英寸的材料,取决于零件几何形状及其在成形平台上的定位方向,例如,与垂直定位的零件相比,水平定位零件的成形速度通常更快。
为了制造出优质零件,在用3D打印软件编制程序时,还必须考虑零件的强度和平滑度,以及零件是否美观,控制3D打印机的软件能够读取CAD系统的STL文件。
用Stratasys公司Fortus 400mc型3D打印机制作的聚碳酸酯发动机缸盖模型(用于数控加工培训)
虽然3D打印具有可重复性和较高的精度(水平打印零件的尺寸公差可达±0.125mm或更好),但成形速度和零件的美观性往往会给希望采用该技术的制造商造成障碍。
虽然各大汽车制造商的生产批量对于AM工艺来说过于庞大,但对于他们的样车和概念车制造而言却并非如此。例如,为了减小车辆阻力和提高燃油效率,通用汽车全球设计中心利用其快速原型制造能力,对其概念车设计方案(如雪佛兰Volt混合动力车和EN-V电动联网汽车)进行了快速跟踪。EN-V是一种双座电动汽车,采用Segway公司开发的平衡系统。GM公司设计这种汽车是为了缓解未来城市交通拥堵、停车位不足、空气质量恶化等问题以及降低用车成本。该车共有“笑(Xiao)”、“妙(Miao)”和“骄(Jiao)”三种型号。
“妙”型电动联网概念车(EN-V)
GM公司利用3D打印设备来制造这些样车,约有10%~15%的车身和内饰件采用AM工艺制造。这是该设备生产的最大批量的样车,总共有15辆,每种型号各5辆。AM技术非常适合生产这种批量的样车。

用AM技术制造工装
除了制造小批量、高价值的零件以外,一些零件制造商还利用AM技术来生产一些用常规工艺无法加工的零件。有些3D打印零部件的内部有运动部件(如齿轮),在成形时需要用支撑结构保持其位置,之后再在一个盛有清洗剂和水的环流容器中将支撑材料溶解掉。这些3D打印机能够打印出在合理范围内的任何零部件。
一些主要的汽车制造商还利用AM技术来制造夹具(如在机床和坐标测量机上用于夹持工件的夹具)和工人使用的装配工具(如外形合理、采用空心或蜂窝结构以减轻重量的工具)。3D打印的工具重量还不到1磅,其外形设计符合人体工程学。对于许多工厂来说,这一点非常重要。Stratasys公司的工人们就不必拿着重约5磅的笨重铝制工具进行装配。
丰田汽车公司利用快速原型技术制造了一些夹具和模板,不过,这些工装仅用于在企业内部制造原型车,并未用于大规模生产。
另一些汽车制造商(如福特汽车公司)正在开发AM技术的生产性应用。随着该技术被应用于装配操作,使其不仅仅只是一种概念车设计的辅助工具,这或许是AM技术能发挥更大影响的领域之一。

行业发展趋势
虽然3D打印技术日趋成熟,但仍需不断改进。丰田公司认为该技术的主要局限性在于制造零件所用的材料并不是行业常用的生产性材料。
不过,这种现状正在迅速改变。AM技术的最大进步在于所用材料日趋广泛。通用汽车公司是率先接受用3D打印系统生产新材料零部件的企业之一,并在努力寻求能提高零部件强度、耐热性和透明度的新材料。福特汽车公司的目标是用尽可能接近规模生产的材料和工艺来制作汽车零部件原型。
ExOne公司去年7月推出了一种新的3D打印材料——掺入了青铜的铁。铁被广泛用于制造汽车零部件以及机床和普通支撑构件。ExOne公司每6个月就推出一种新材料,该公司的材料应用实验室目前有11种新材料处于不同的开发阶段。
Frost & Sullivan公司认为,软件创新将推动3D打印行业向前发展。与硬件开发相比,软件创新往往不太受重视,但它将会使AM零件的设计变得更流畅、更便利、更灵活由于制造业的一些大趋势,如工业4.0版(信息物理生产系统)和万物互联(Internet of Everything)分析改变了空间距离,软件与硬件之间的相互作用将日益增大。这是一个需要高度关注的领域,在未来的生产模式中,3D打印机将会成为现有加工机床的一种补充。
软件和通讯方式的进步将使位于世界各地的多位产品设计师能够进行协同设计,他们可以把这些设计方案上传到一个AM互联网站点上,将其转换为合适的文件格式,并指挥3D打印机制造出这些零件,然后将其包装和发运到下一个加工点。为了避免妨碍生产,可将这种制造方式应用于一些交货时间较长的产品。
在将生产出的零件送至同一个地点进行组装之前,整个设计、制造和物流过程都可以完全实现自动化。让劳动力资源从常规性、重复性的生产任务中解放出来是制造业的必由之路。未来的制造模式可能会使生产过程的主要部分自动化,通过大幅提高生产率、产品的产量和质量而获取效益。
在不久的将来,刀具制造商不必担心汽车制造商及其供应商会抛弃切削刀具而“另觅新欢”,因为作为一种增材制造技术,3D打印机仍然主要立足于快速原型制造和小批量生产。3D打印最有前途的发展模式是不断提高盈利能力,并推动增材制造行业和技术被广泛接受。

利用3D打印技术制造超音速汽车的钛合金原型件
为使“HUNT”超音速汽车能在2015年夏天打破1,000英里/小时(1,609.3公里/小时)的速度障碍,Bloodhound超音速汽车项目团队向英国雷尼绍(Renishaw)公司寻求帮助,利用3D打印技术制造该车关键零件,如车头尖端原型件。目前,汽车陆地时速的最高记录为760.343英里/小时(1,223.65公里/小时),是1997年10月15日由英国皇家空军飞行员Andy Green驾驶Thrust超音速汽车建立的(Bloodhound超音速汽车计划也由他来驾驶)。
Bloodhound超音速汽车模型
该车头尖端的受力高达每平方英尺4,915磅。为了承受如此大的负荷,项目团队设计和制作了一个钛合金(Ti6Al4V)尖端原型件,它将被粘接到碳纤维单体壳体上,构成该车的前半部分。
用AM设备制作的车头尖端原型
该项目团队利用雷尼绍的AM250激光熔融烧结设备制作出了车头尖端。该设备对细微的气雾状金属粉末进行逐层熔融烧结(层厚为50μm),形成了复杂的零件。该设备也能以25μm的层厚进行造型。项目团队将利用该原型件来评估可能采用的制造工艺,并进行下一步的工程分析。
雷尼绍AM250激光融烧结设备
用AM工艺生产车头尖端的主要好处是能制作出中空结构,但刚性极好的钛合金构件,并能改变其壁厚以减轻重量。用传统工艺切削加工这种零件难度极大,可能不得不在零件设计上作出妥协,并有多达95%的昂贵原材料会变成切屑浪费掉。
据雷尼绍公司介绍,该车头尖端的平均壁厚为3mm,并能自由创建有利于粘接工艺的几何特征。如果用整块钛合金毛坯来切削加工该零件,由于零件的横截面不是圆形,因此无法进行车削加工,只能采用铣削工艺,创建粘接特征的自由就会受限。此外,工件的几何形状决定了其夹持将会相当困难。
去年七月初,英国大学与科学国务大臣David Willetts为设在布里斯托尔的Bloodhound技术中心正式揭牌(Bloodhound超音速汽车正在该中心进行组装)。他还宣布,英国工程和物理科学研究理事会提供了一笔150万美元的赠款,用于支持Bloodhound项目的教育和宣传工作,其目的是激发青少年对科学、技术、工程和数学科目的兴趣。




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