3D打印又叫增材制造，是一种逐点、逐线、逐面增加材料而形成三维繁芜构造零件的制造方法。打印材料有金属和非金属材料，按材料状态分有粉末状、丝状、液态和薄片状等，打印工艺有熔融沉积成型（FDM）、光固化立体成型（SLA）、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、直接能量沉积（DED）、电弧送丝成型（WAAM）和激光金属成型（LMD）等工艺[8]，个中FDM工艺、SLA工艺和SLM工艺运用相对较广。
1.1 FDM工艺
熔融沉积成型（FDM）技能是将丝状热熔性材料加热，如图1所示，进丝辊迁徙改变将丝材送到熔腔内，在高温加热条件下将丝材熔融（并未熔化），在X、Y、Z轴移动条件下，将丝材堆积在目标位置，冷却凝固后完成一层，基板低落一个分层厚度，重复以上步聚循环往来来往，直到工件完备成型。其特点是设备本钱低，操作大略，技能门槛低；缺陷是工件打印精度和表面质量差，强度不足（材料常日是PLA或其他塑料），设备稳定性差，打印的工件随意马虎扭曲或错层错位。
图1 FDM工艺事理
1.2 SLA工艺
立体光固化成型（SLA）技能是基于液态光敏树脂在光照条件下发生聚合反应固化成型，如图2所示，树脂槽内盛有液态光面树脂，采取激光器引发紫外激光，汇聚光斑（φ0.1 mm），通过振镜照射到树脂表面，液态树脂在光照射下迅速发生光聚合反应并从液态转变为固态，在Z轴移动带着升降台向下个单位层厚，循环往来来往，直到终极形成工件模型。其优点是表面粗糙度在Ra3.2 μm以下，尺寸精度达到0.05 mm旁边，成型效率约180 g/h，是非金属3D打印中运用最广泛的工艺之一；缺陷是工件一样平常较脆，延伸率较低，永劫光光照后易变色。
图2 SLA工艺事理
1.3 SLM工艺
激光选区熔化（SLM）技能是一种范例的金属增材制造工艺，通过高能量激光束，选择性熔化及熔合金属粉末层来成型。SLM工艺事理如图3所示，通过激光束使粉末局部加热和熔融粘接，在高激光能量密度浸染下，金属粉末熔化，经散热冷却后凝固，层层累积，成型三维实体。激光束聚焦形成 φ0.015~φ0.5 mm光斑，X、Y向精密振镜使激光扫描的速率达到3~7 m/s，成型韶光较短，致密度近100%，其成型零件性能与锻件相称，尺寸精度达到20~50 μm，表面粗糙度达到Ra20~30 μm，具备打印工装支检具类工件的上风。其缺陷是设备价格高，激光器和振镜系统须要定期检测和掩护，每千克金属粉末价格600元以上，技能门槛相对较高。
图3 SLM工艺事理
汽车开口检具种类多，构造互异，尺寸范围在200~800 mm或更大，采取金属SLM工艺打印汽车干系开口检具，现阶段本钱较高，不符合当下汽车行业降本增效的愿景。开口检具作为考验零部件装合营格的标尺，对精度和表面粗糙度有一定哀求，采取FDM工艺打印的模型表面有凹凸波纹且强度较差。基于SLA工艺的成型速率快、成型精度高的特点，采取SLA工艺打印汽车开口检具为较优的选择。
2开口检具
开口检具是仿照汽车零部件的装车定位点，并仿照零部件与周边各环境件有匹配关系的型面，仿制一个类似的标准样件来检测其周边零部件在装车时的匹配状态，白车身的开口检具部位如图4所示。
图4 白车身开口检具部位
白车身侧围后门处的后三角窗开口检具构造如图5所示，根据车型不同其尺寸范围在200~500 mm，属于框架类构造，用于检测后车门和后三角窗饰件的间隙和面差。为充分验证3D打印技能对付汽车开口检具的可行性，选用图5（a）所示构造，进行了FDM工艺和SLA工艺打印验证。
图5 侧围后三角窗开口检具构造
2.1 开口检具打印
剖析图5（a）中后三角窗开口检具CAD模型，共有20个零部件，个中主体框架和2个把手采取3D打印技能完成，如图6所示，别的磁铁、螺钉、销和螺母采取外购。该模型打印情形如表1所示，设备HR600P采取竖直放置时打印失落败，缘故原由是打印该侧围后三角窗开口检具时Z轴方向尺寸靠近400 mm，框架类零件打印过程中随意马虎晃动所致；设备型号CR5070采取竖直放置时，由于支撑较多，打印成功；设备JY600采取水平放置时，避免了竖直放置引起的晃动，以是打印成功。
图6 开口检具FDM工艺打印
表1 FDM工艺打印统计
汲取FDM工艺的打印履历，采取市场上不同型号的SLA工艺设备进行模型打印，统计打印情形如表2所示，与表1的FDM工艺打印韶光初步比拟，SLA工艺打印韶光比FDM工艺约缩短5.4倍（FDM工艺最短打印韶光为70 h，SLA工艺最长打印韶光为13 h），对付打印大件模型，SLA工艺更有上风，打印效果如图7所示。
表2 SLA工艺打印统计
图7 SLA工艺打印实物
2.2 精度丈量
对表1中FDM工艺打印模型SHYZ_2和SHYZ_3，表2中SLA工艺打印模型XSKJ_1、ZRKJ_1和ZSDJ_1进行蓝光扫描丈量，结果如图8所示，个中模型SHYZ_2偏差较大。对这些偏差数据进行统计，如表3所示，按照偏差在0.2 mm以内为合格，则模型XSKJ_1在精度最好，总体SLA工艺的3个模型精度优于FDM工艺。
图8 各打印模型蓝光扫描丈量数据
表3 各个模型偏差范围统计
进一步对表2中模型XSKJ_1进行精度丈量，在第一轮蓝光扫描丈量后，隔10个自然日进行第二轮丈量，再隔15个自然日进行第三轮丈量，结果如图9所示，多数被丈量要素的偏差值小于0.2 mm，知足开口检具主体部分定位精度和面轮廓度的哀求。后期将定位销、磁铁和螺钉等安装到该模型，形成终极的开口检具。
图9 XSKJ_1模型多轮蓝光扫描丈量精度
2.3 材料比拟
开口检具紧张用于白车身各周边部件匹配检测，传统汽车开口检具以铝合金材料为主，FDM工艺和SLA工艺打印的后三角窗开口检具材料属于塑料或树脂范畴，故须要进一步对材料进行比拟。如表4所示，FDM工艺的ABS材料各项指标较PLA材料高，但受限于目前ABS材料只能用FDM工艺打印。从表4可以看出，标准树脂抗拉强度低于韧性树脂，柔性树脂的伸长率太大，利用中会对尺寸精度检测带来隐患，韧性树脂的指标更适宜开口检具的事情环境。传统铝合金检具材料密度是2.63~2.85 g/cm3，有些检具尺寸过大（如车尾贯穿灯），不便于移动，在利用过程中存在安全隐患。采取SLA工艺打印的树脂材料开口检具，树脂的密度是1.2 g/cm3，减轻了开口检具的质量，更安全。
表4 3D打印原材料参数
鉴于开口检具的利用场景，灯光永劫光照射、开口检具与白车身钣金件常常摩擦以及开口检具利用后被随意丢弃等成分，还需关注树脂材料的颜色、耐磨性和冲击强度等参数。在比拟表4的普通树脂、韧性树脂和柔性树脂后，又调研了市场多家韧性树脂材料参数，如表5所示，个中5166树脂是传统树脂材料，运用在汽车车门总成检具的本体，GD8228、ZR300-70R、RG3101和ST9011材料性能都与5166树脂不相上下，可以知足利用哀求，个中RG3101材料是玄色，受灯光照射的影响较小，冲击强度达到50 J/m，知足不易碎裂的哀求。
表5 不同供应商的树脂材料参数比拟
3分 析
3.1 工艺比拟
FDM工艺和SLA工艺是目前比较成熟的工艺，利用如表6所示参数打印图5（a）构造，SLA工艺采取100%的添补率，强度比FDM工艺好；SLA工艺的光斑直径为φ0.1 mm，打印工件的表面粗糙度比FDM工艺好；SLA工艺的打印韶光更短。
表6 FDM工艺和SLA工艺打印参数比拟
在汽车四大工艺冲焊涂总运用工厂生产中，常有临时应急的工装支检具等零部件，比如字标工装、支撑块和缓冲垫等，可以考虑采取FDM工艺制造。相对付传统机加工工艺，FDM工艺的周期短、材料利用率高、本钱低的上风凸显，且知足临时应急利用哀求。对付白车身检测间隙面差的开口检具，SLA工艺具备更多上风，知足车型开拓以及检具工装等的利用，达到降本增效目的。
3.2 本钱比拟
研究3D打印技能在汽车开口检具的运用绕不开本钱，降本增效是汽车行业长期的目标。FDM工艺和SLA工艺的设备价格比拟如表7所示，SLA工艺设备的价格常日是FDM工艺设备的几倍。
表7 工业级FDM工艺和SLA工艺设备价格
调研汇总了部分材料价格，如表8所示，FDM工艺打印常规的PLA和ABS塑料件本钱低，但其打印速率慢、效率低；SLA工艺的液态光敏树脂原材料价格比FDM工艺贵。
表8 FDM工艺和SLA工艺的材料价格
FDM工艺和SLA工艺产值能力如表9所示，以单台FDM工艺设备打印常规原材料PLA为例，在设备正常且整年无休的条件下，一年产值约2.1万元，减去原材料本钱0.53万元，利润大约1.57万元，单台SLA工艺设备打印常规树脂材料RG3101为例，一年利润约84万元。比较于设备采购价格和原材料采购价格，SLA工艺效率更高，精度更好，上风明显。
表9 单台FDM和SLA设备创造效益
▍原文作者:王洪乐张森张瑞要史铭
▍作者单位：比亚迪汽车工业有限公司 第十一奇迹部
