目前，碳纖維複合材料已被用於(yu) 汽車領域，製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打印的風管配件。3D打印複合工具可能有很多好處，但汽車製造商必須確保它已經做好投入到生產(chan) 線當中的準備。

如今，增材製造（AM）已廣泛用於(yu) 車輛原型設計，在汽車生產(chan) 過程的其他部分也越來越受到青睞。SmarTechPublishing在2018年的《增材製造突破創新壁壘》中表示，汽車行業(ye) 正在“加速實現完全工業(ye) 化，並在端到端生產(chan) 流程中集成AM流程”。文章指出，3D打印技術在擴大其作為(wei) 汽車原型和工裝的主要技術應用方麵處於(yu) 有利地位。

ExtremeTuners是一家希臘的機械加工商，2019年年底，他們(men) 為(wei) 三菱LancerEvolution汽車製造了一批3D打印的碳纖維複合材料連接杆。據悉，這些連接杆的重量比鋼輕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打印複合工具獲得廣泛接受之前，汽車製造商必須克服幾個(ge) 障礙。他們(men) 需要對工具供應商進行技術教育，並製定設計標準，以確保其能夠滿足生產(chan) 線的需求。

通用汽車（GeneralMotors）的製造工程團隊幾年前就開始為(wei) 某些製造支持應用程序測試AM工具。該團隊主要專(zhuan) 注於(yu) 預生產(chan) 業(ye) 務，包括製造少量的預售車輛以驗證零部件。一個(ge) 典型的裝配廠可能生產(chan) 10萬(wan) 至50萬(wan) 輛汽車，而預生產(chan) 設施可能在三到四個(ge) 月內(nei) 隻生產(chan) 50輛汽車。

3D 打印的碳纖維複合材料連接杆

3D 打印打印的碳纖維複合材料連接杆的應力分析

這使得預生產(chan) 成為(wei) AM複合工具的良好測試平台。通用汽車AM技術製造工程團隊的負責人DominickLentine說：“我們(men) 有很多較小的、低風險的應用程序，這些應用程序不承受重負載，並且沒有任何安全隱患。我們(men) 組裝工廠的大部分工作是大批量、高生產(chan) 率、高風險的自動化設備，而在預生產(chan) 領域，則需要更多的手工製作和手動工具。”如果預生產(chan) 中的新工具出現問題，所產(chan) 生的影響要比大型裝配線停頓所產(chan) 生的影響要小得多。

3D打印的技術優(you) 勢

汽車製造商之所以對打印複合工具感興(xing) 趣，有三個(ge) 主要原因：減輕重量、縮短交貨時間和降低成本。

當生產(chan) 線操作員使用的是輕質複合材料工具而非較重的金屬工具時，他們(men) 感受到的人體(ti) 工程學壓力較小。3D打印解決(jue) 方案提供商Stratasys美洲汽車部門主管喬(qiao) 治•拉塞爾（GeorgeRussell）表示：“這與(yu) 汽車質量息息相關(guan) ，因為(wei) 他們(men) 正在用這些3D打印工具把工作做得更好。”

Lentine補充說，打印工具可以減少機器人的有效載荷50到100磅，使得汽車製造商可以通過使用更小的機器人來節省成本。使用更小的有效載荷，機器人可以更快地移動和減速，從(cong) 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(chan) 時間。在通用汽車的內(nei) 部或一級供應商那裏，開發一款工具需要8至16周的時間。這是由於(yu) 有限的車間容量和手工勞動所需的金屬工具，其中包括數控設置、焊接和組件組裝等因素。相比之下，3D打印工具可能隻需要一夜到幾天的時間，取決(jue) 於(yu) 它的大小。即使需要裝配，AM也能將交貨期縮短50%或更多。

由於(yu) AM工具可以將多個(ge) 部件合並到一個(ge) 打印部件中，因此汽車製造商可以節省大量成本。Stratasys在一份白皮書(shu) 中評估了增材製造在汽車工業(ye) 中作為(wei) 低成本工具的潛力，報告稱，傳(chuan) 統製造的升降機組件的成本約為(wei) 1920美元，而一個(ge) 類似的3D打印的工具隻需400美元。當汽車製造商需要多種工具時，成本削減會(hui) 迅速增加。

改變心態

通用汽車一直在使用Stratasys的大型熔融沉積模型（FDM）打印機來構建其AM複合模具。Stratasys打印機采用了ULTEM™（非晶態熱塑性聚醚亞(ya) 胺）樹脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯和尼龍12碳纖維等新材料製成的長絲(si) ，旨在提供高精度和重複性。

“這些新材料拓寬了製造業(ye) 的應用範圍，因為(wei) 它們(men) 更堅固、更耐用。”Russell說。

在打印過程中，複合長絲(si) 和支撐材料長絲(si) 通過雙加熱噴嘴擠出，按規定的精確路徑放置。該工具內(nei) 置在烤箱內(nei) ，控製溫度和濕度，這有助於(yu) 提供尺寸穩定。一旦打印完成，支撐材料就會(hui) 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(wei) 某些類型的模具提供了優(you) 勢，但它也對通用汽車的一級工具供應商提出了挑戰。他們(men) 不熟悉AM，通常隻有有限的複合材料經驗。Lentine說，在AM複合工具廣泛應用於(yu) 生產(chan) 之前，供應商必須有信心，他們(men) 將提供與(yu) 傳(chuan) 統金屬工具相同的質量和耐用性。

為(wei) 了幫助供應商更好地理解AM和複合材料技術，通用汽車於(yu) 2019年1月邀請他們(men) 的關(guan) 鍵工程師參加了與(yu) Stratasys的培訓研討會(hui) 。

Stratasys公司的汽車應用工程師GregWhitman說：“這絕對是一種思維方式的改變和一種不同的設計方法，使你的成品仍然能夠滿足你的應用需求。”剛剛接觸新技術的人經常使用傳(chuan) 統的金屬工具思維來設計三維複合工具，但可能會(hui) 失敗，因為(wei) 它沒有為(wei) AM進行優(you) 化。在供應商能夠正確設計打印複合工具之前，他們(men) 需要了解基本的設計原則，比如使用零件的幾何形狀來增加其剛度。

有很多因素決(jue) 定了一個(ge) 生產(chan) 模具是否應該3D打印。“臂端工具、升降輔助設備、測量設備——很多這些東(dong) 西都是過度設計的，過度建造在鋁或鋼上。它們(men) 很重，功能也不像它們(men) 可能達到的那樣強大。當我們(men) 與(yu) 通用汽車（GeneralMotors）等OEM廠商或他們(men) 的供應商見麵時，我們(men) 正在考慮這些應用程序。”

通用汽車目前正與(yu) 其模具供應商合作進行各種AM項目。一家供應商正在研究，為(wei) 機器人設計一種重量更輕的、打印的、臂端模具，是否可以縮短某個(ge) 子裝配單元的周期。另一種是用AM生產(chan) 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(yu) 另一塊金屬連接，但它們(men) 是彎曲的，工人們(men) 從(cong) 來沒有任何東(dong) 西可以檢查它們(men) 。”利用3D

打印技術，通用汽車迅速生產(chan) 出多種檢測模具，並將它們(men) 分發給工廠，作為(wei) 一個(ge) 持續問題的解決(jue) 方案。

Lentine表示：“一旦設計師對設計原則和設計指南有了一個(ge) 概念，他們(men) 實際上就最擅長創建新的幾何圖形。他們(men) 真的知道如何看待一個(ge) 部分，並把它放在一起有點不同。所以這是一條學習(xi) 曲線，但從(cong) 我們(men) 的經曆來看，這條學習(xi) 曲線並不陡峭。”

提出的問題

供應商對使用AM複合工具的問題來自於(yu) 他們(men) 對通用GM生產(chan) 裝配廠構建工具所需知識和了解。

例如，他們(men) 需要弄清楚打印工具和金屬工具在應力-應變曲線、耐久性和疲勞性能方麵有何不同。他們(men) 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(hui) 成為(wei) 問題嗎？在寒冷幹燥的冬季設計的模具能否有效地工作？

扭矩要求是另一個(ge) 問題。“我們(men) 用鋼和鋁製成的所有組裝部件均具有扭矩要求，以確保實際拉動螺栓並在將兩(liang) 個(ge) 板拉在一起時產(chan) 生壓縮力。但是與(yu) 塑料不同，因為(wei) 相同的扭矩要求可能會(hui) 將塑料剝離。”Lentine說。解決(jue) 方案是將休伊特線圈插入或將帶螺紋的金屬插件安裝到零件中。

供應商對在車間環境中使用打印複合材料模具有疑問。如果被焊槍噴出的焊縫擊中，它會(hui) 隨著時間的流逝而熔化並降解嗎？應該使用哪種粘合劑將兩(liang) 部分連接在一起？如果3D打印的零件必須經過噴漆車間的高溫烤箱，是否應該獲得特殊的塗層？

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

Whitman表示：“我們(men) 一直在與(yu) 通用汽車及其供應基地合作，試圖找出最佳解決(jue) 方案。”生產(chan) 設備可以根據需要打印新部件，也可以預先打印現有的替換部件。Stratasys還一直在幫助供應商開發臨(lin) 時解決(jue) 方案，比如在破損的工具上使用塗有環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商正在尋找他們(men) 在項目過程中所需的大部分答案，但仍有一個(ge) 問題需要更多時間來解決(jue) 。

Lentine說：“如果我們(men) 有一些關(guan) 鍵的大型工具來承載重物，我們(men) 將進行有限元分析（FEA）模型。”FEA預測工具的特性，例如撓度和對應力的反應。“采用Stratasys工藝的有限元分析很複雜，人們(men) 對此信心不足，因為(wei) 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建的，因此實際上並不是同質的。”

Stratasys正在與(yu) 一些軟件合作夥(huo) 伴一起開發解決(jue) 方案。Whitman說：“我們(men) 公司仍在努力對材料進行全麵表征，這樣我們(men) 就能知道它們(men) 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(ge) 可用的模擬解決(jue) 方案來說明我們(men) 確切地知道這種材料的行為(wei) ，也知道它將如何失效。”

由於(yu) 這種不確定性，工程師們(men) 將打印工具設計得比原本可能需要的更大更結實。一旦獲得更多的FEA信息，額外的安全係數可能會(hui) 降低。

3D汽車的未來

通用汽車首次與(yu) 供應商合作從(cong) 事增材製造工具時，出現了一些挫折。供應商表示不確定他們(men) 是否要采用它，並且對它是否可行沒有信心。

“但是，在研討會(hui) 之後的一兩(liang) 個(ge) 星期，當我們(men) 開始分成小組時，他們(men) 開始變得非常非常熱情，以至於(yu) 他們(men) 實際上是在資助自己公司內(nei) 的項目以調查其他領域。他們(men) 可以為(wei) 通用汽車計劃做到這一點。這已被公司有機地采用。”

隨著工具供應商對AM的經驗越來越豐(feng) 富，他們(men) 正在幫助通用汽車開發手工裝配工具的規範，並最終開發用於(yu) 自動化單元的工具。Lentine解釋說：“當這個(ge) 工具進入一個(ge) 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(hui) 發生故障並停止運行。我們(men) 如何將這一技術應用到自動化中，我們(men) 如何實現輕量級機器人，我們(men) 如何加快自動化單元的速度？這就是許多這些需求的真正目標。我們(men) 現在正在處理的許多項目將證明，從(cong) 長遠來看，我們(men) 能夠做到這一點。”

Lentine的目標是在年底前將3D打印尼龍碳纖維材料工具的一些規格添加到通用汽車的製造規格文件中。

未來的組裝線可能同時包括打印複合材料和金屬工具。Lentine說：“在某些區域，風險較低或沒有承載整個(ge) 車身本身，我們(men) 可以實施和插入這項技術以幫助減輕重量，並通過縮短周期時間實現更快的工具生產(chan) 或更快的汽車生產(chan) 。但是我們(men) 永遠不會(hui) 替換我們(men) 今天使用的所有鋼和鋁組件。”

然而，3D打印工具還有更多的用途尚未被探索。“我們(men) 相信這項技術，相信它能夠節省時間和成本。我們(men) 還不知道挑戰的尺度在哪裏，隨著我們(men) 推出更好、更堅固的材料，挑戰也會(hui) 發生變化。”Russell說。