目前，碳纖維復(fù)合材料已被用于汽車領(lǐng)域，制造具有成本效益的工具，以及最終用途的汽車零件，例如3D打印的懸架立柱和3D打印的風(fēng)管配件。3D打印復(fù)合工具可能有很多好處，但汽車制造商必須確保它已經(jīng)做好投入到生產(chǎn)線當(dāng)中的準備。

如今，增材制造（AM）已廣泛用于車輛原型設(shè)計，在汽車生產(chǎn)過程的其他部分也越來越受到青睞。SmarTechPublishing在2018年的《增材制造突破創(chuàng)新壁壘》中表示，汽車行業(yè)正在“加速實現(xiàn)完全工業(yè)化，并在端到端生產(chǎn)流程中集成AM流程”。文章指出，3D打印技術(shù)在擴大其作為汽車原型和工裝的主要技術(shù)應(yīng)用方面處于有利地位。

ExtremeTuners是一家希臘的機械加工商，2019年年底，他們?yōu)槿釲ancerEvolution汽車制造了一批3D打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿。據(jù)悉，這些連接桿的重量比鋼輕10倍，比鋁輕6.5倍，可以承受3000馬力（HP）和約15,000RPM的載荷。

但在3D打印復(fù)合工具獲得廣泛接受之前，汽車制造商必須克服幾個障礙。他們需要對工具供應(yīng)商進行技術(shù)教育，并制定設(shè)計標(biāo)準，以確保其能夠滿足生產(chǎn)線的需求。

通用汽車（GeneralMotors）的制造工程團隊幾年前就開始為某些制造支持應(yīng)用程序測試AM工具。該團隊主要專注于預(yù)生產(chǎn)業(yè)務(wù)，包括制造少量的預(yù)售車輛以驗證零部件。一個典型的裝配廠可能生產(chǎn)10萬至50萬輛汽車，而預(yù)生產(chǎn)設(shè)施可能在三到四個月內(nèi)只生產(chǎn)50輛汽車。

3D 打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿

3D 打印打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿的應(yīng)力分析

這使得預(yù)生產(chǎn)成為AM復(fù)合工具的良好測試平臺。通用汽車AM技術(shù)制造工程團隊的負責(zé)人DominickLentine說：“我們有很多較小的、低風(fēng)險的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序不承受重負載，并且沒有任何安全隱患。我們組裝工廠的大部分工作是大批量、高生產(chǎn)率、高風(fēng)險的自動化設(shè)備，而在預(yù)生產(chǎn)領(lǐng)域，則需要更多的手工制作和手動工具。”如果預(yù)生產(chǎn)中的新工具出現(xiàn)問題，所產(chǎn)生的影響要比大型裝配線停頓所產(chǎn)生的影響要小得多。

3D打印的技術(shù)優(yōu)勢

汽車制造商之所以對打印復(fù)合工具感興趣，有三個主要原因：減輕重量、縮短交貨時間和降低成本。

當(dāng)生產(chǎn)線操作員使用的是輕質(zhì)復(fù)合材料工具而非較重的金屬工具時，他們感受到的人體工程學(xué)壓力較小。3D打印解決方案提供商Stratasys美洲汽車部門主管喬治?拉塞爾（GeorgeRussell）表示：“這與汽車質(zhì)量息息相關(guān)，因為他們正在用這些3D打印工具把工作做得更好?！?/p>

Lentine補充說，打印工具可以減少機器人的有效載荷50到100磅，使得汽車制造商可以通過使用更小的機器人來節(jié)省成本。使用更小的有效載荷，機器人可以更快地移動和減速，從而減少了操作所需的空間和切割周期。

AM還縮短了工具的生產(chǎn)時間。在通用汽車的內(nèi)部或一級供應(yīng)商那里，開發(fā)一款工具需要8至16周的時間。這是由于有限的車間容量和手工勞動所需的金屬工具，其中包括數(shù)控設(shè)置、焊接和組件組裝等因素。相比之下，3D打印工具可能只需要一夜到幾天的時間，取決于它的大小。即使需要裝配，AM也能將交貨期縮短50%或更多。

由于AM工具可以將多個部件合并到一個打印部件中，因此汽車制造商可以節(jié)省大量成本。Stratasys在一份白皮書中評估了增材制造在汽車工業(yè)中作為低成本工具的潛力，報告稱，傳統(tǒng)制造的升降機組件的成本約為1920美元，而一個類似的3D打印的工具只需400美元。當(dāng)汽車制造商需要多種工具時，成本削減會迅速增加。

改變心態(tài)

通用汽車一直在使用Stratasys的大型熔融沉積模型（FDM）打印機來構(gòu)建其AM復(fù)合模具。Stratasys打印機采用了ULTEM?（非晶態(tài)熱塑性聚醚亞胺）樹脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯和尼龍12碳纖維等新材料制成的長絲，旨在提供高精度和重復(fù)性。

“這些新材料拓寬了制造業(yè)的應(yīng)用范圍，因為它們更堅固、更耐用?！盧ussell說。

在打印過程中，復(fù)合長絲和支撐材料長絲通過雙加熱噴嘴擠出，按規(guī)定的精確路徑放置。該工具內(nèi)置在烤箱內(nèi)，控制溫度和濕度，這有助于提供尺寸穩(wěn)定。一旦打印完成，支撐材料就會被分離或溶解，以使零件達到其期望的最終形狀。

雖然3D打印為某些類型的模具提供了優(yōu)勢，但它也對通用汽車的一級工具供應(yīng)商提出了挑戰(zhàn)。他們不熟悉AM，通常只有有限的復(fù)合材料經(jīng)驗。Lentine說，在AM復(fù)合工具廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)之前，供應(yīng)商必須有信心，他們將提供與傳統(tǒng)金屬工具相同的質(zhì)量和耐用性。

為了幫助供應(yīng)商更好地理解AM和復(fù)合材料技術(shù)，通用汽車于2019年1月邀請他們的關(guān)鍵工程師參加了與Stratasys的培訓(xùn)研討會。

Stratasys公司的汽車應(yīng)用工程師GregWhitman說：“這絕對是一種思維方式的改變和一種不同的設(shè)計方法，使你的成品仍然能夠滿足你的應(yīng)用需求?！眲倓偨佑|新技術(shù)的人經(jīng)常使用傳統(tǒng)的金屬工具思維來設(shè)計三維復(fù)合工具，但可能會失敗，因為它沒有為AM進行優(yōu)化。在供應(yīng)商能夠正確設(shè)計打印復(fù)合工具之前，他們需要了解基本的設(shè)計原則，比如使用零件的幾何形狀來增加其剛度。

有很多因素決定了一個生產(chǎn)模具是否應(yīng)該3D打印?！氨鄱斯ぞ?、升降輔助設(shè)備、測量設(shè)備——很多這些東西都是過度設(shè)計的，過度建造在鋁或鋼上。它們很重，功能也不像它們可能達到的那樣強大。當(dāng)我們與通用汽車（GeneralMotors）等OEM廠商或他們的供應(yīng)商見面時，我們正在考慮這些應(yīng)用程序?！?/p>

通用汽車目前正與其模具供應(yīng)商合作進行各種AM項目。一家供應(yīng)商正在研究，為機器人設(shè)計一種重量更輕的、打印的、臂端模具，是否可以縮短某個子裝配單元的周期。另一種是用AM生產(chǎn)一種小型手動模具來檢查進入工廠的金屬釘。Lentine解釋說：“螺栓需要與另一塊金屬連接，但它們是彎曲的，工人們從來沒有任何東西可以檢查它們?！崩?D

打印技術(shù)，通用汽車迅速生產(chǎn)出多種檢測模具，并將它們分發(fā)給工廠，作為一個持續(xù)問題的解決方案。

Lentine表示：“一旦設(shè)計師對設(shè)計原則和設(shè)計指南有了一個概念，他們實際上就最擅長創(chuàng)建新的幾何圖形。他們真的知道如何看待一個部分，并把它放在一起有點不同。所以這是一條學(xué)習(xí)曲線，但從我們的經(jīng)歷來看，這條學(xué)習(xí)曲線并不陡峭?！?/p>

提出的問題

供應(yīng)商對使用AM復(fù)合工具的問題來自于他們對通用GM生產(chǎn)裝配廠構(gòu)建工具所需知識和了解。

例如，他們需要弄清楚打印工具和金屬工具在應(yīng)力-應(yīng)變曲線、耐久性和疲勞性能方面有何不同。他們想了解這些工具的尺寸能力：打印時精度是否高，還是需要機加工？熱膨脹會成為問題嗎？在寒冷干燥的冬季設(shè)計的模具能否有效地工作？

扭矩要求是另一個問題?！拔覀冇娩摵弯X制成的所有組裝部件均具有扭矩要求，以確保實際拉動螺栓并在將兩個板拉在一起時產(chǎn)生壓縮力。但是與塑料不同，因為相同的扭矩要求可能會將塑料剝離。”Lentine說。解決方案是將休伊特線圈插入或?qū)菁y的金屬插件安裝到零件中。

供應(yīng)商對在車間環(huán)境中使用打印復(fù)合材料模具有疑問。如果被焊槍噴出的焊縫擊中，它會隨著時間的流逝而熔化并降解嗎？應(yīng)該使用哪種粘合劑將兩部分連接在一起？如果3D打印的零件必須經(jīng)過噴漆車間的高溫烤箱，是否應(yīng)該獲得特殊的涂層？

打印工具的維修程序提出了另一個挑戰(zhàn)。與金屬模具不同，復(fù)合模具無法通過焊接固定在替換零件上。

Whitman表示：“我們一直在與通用汽車及其供應(yīng)基地合作，試圖找出最佳解決方案?！鄙a(chǎn)設(shè)備可以根據(jù)需要打印新部件，也可以預(yù)先打印現(xiàn)有的替換部件。Stratasys還一直在幫助供應(yīng)商開發(fā)臨時解決方案，比如在破損的工具上使用涂有環(huán)氧樹脂或螺栓的鋁或金屬條，直到永久性的替換工具打印出來。

盡管通用汽車及其供應(yīng)商正在尋找他們在項目過程中所需的大部分答案，但仍有一個問題需要更多時間來解決。

Lentine說：“如果我們有一些關(guān)鍵的大型工具來承載重物，我們將進行有限元分析（FEA）模型。”FEA預(yù)測工具的特性，例如撓度和對應(yīng)力的反應(yīng)。“采用Stratasys工藝的有限元分析很復(fù)雜，人們對此信心不足，因為打印工具不是各向同性材料也不是注模塑料。它是在圖層和工具路徑中構(gòu)建的，因此實際上并不是同質(zhì)的?！?/p>

Stratasys正在與一些軟件合作伙伴一起開發(fā)解決方案。Whitman說：“我們公司仍在努力對材料進行全面表征，這樣我們就能知道它們的強度和剛度，特別是纖維負載材料的強度和剛度。目前還沒有一個可用的模擬解決方案來說明我們確切地知道這種材料的行為，也知道它將如何失效?！?/p>

由于這種不確定性，工程師們將打印工具設(shè)計得比原本可能需要的更大更結(jié)實。一旦獲得更多的FEA信息，額外的安全系數(shù)可能會降低。

3D汽車的未來

通用汽車首次與供應(yīng)商合作從事增材制造工具時，出現(xiàn)了一些挫折。供應(yīng)商表示不確定他們是否要采用它，并且對它是否可行沒有信心。

“但是，在研討會之后的一兩個星期，當(dāng)我們開始分成小組時，他們開始變得非常非常熱情，以至于他們實際上是在資助自己公司內(nèi)的項目以調(diào)查其他領(lǐng)域。他們可以為通用汽車計劃做到這一點。這已被公司有機地采用?！?/p>

隨著工具供應(yīng)商對AM的經(jīng)驗越來越豐富，他們正在幫助通用汽車開發(fā)手工裝配工具的規(guī)范，并最終開發(fā)用于自動化單元的工具。Lentine解釋說：“當(dāng)這個工具進入一個無人操作的自動化單元時，有很多要求來確保它正常運行，且不會發(fā)生故障并停止運行。我們?nèi)绾螌⑦@一技術(shù)應(yīng)用到自動化中，我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)輕量級機器人，我們?nèi)绾渭涌熳詣踊瘑卧乃俣?？這就是許多這些需求的真正目標(biāo)。我們現(xiàn)在正在處理的許多項目將證明，從長遠來看，我們能夠做到這一點?！?/p>

Lentine的目標(biāo)是在年底前將3D打印尼龍?zhí)祭w維材料工具的一些規(guī)格添加到通用汽車的制造規(guī)格文件中。

未來的組裝線可能同時包括打印復(fù)合材料和金屬工具。Lentine說：“在某些區(qū)域，風(fēng)險較低或沒有承載整個車身本身，我們可以實施和插入這項技術(shù)以幫助減輕重量，并通過縮短周期時間實現(xiàn)更快的工具生產(chǎn)或更快的汽車生產(chǎn)。但是我們永遠不會替換我們今天使用的所有鋼和鋁組件?！?/p>

然而，3D打印工具還有更多的用途尚未被探索。“我們相信這項技術(shù)，相信它能夠節(jié)省時間和成本。我們還不知道挑戰(zhàn)的尺度在哪里，隨著我們推出更好、更堅固的材料，挑戰(zhàn)也會發(fā)生變化?！盧ussell說。