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增材制造在汽车产业中的应用现状及发展趋势

摘要：在全球能源匮乏的大背景下，增材制造技术已经成为汽车行业发展的关键。增材制造技术凭借其设计自由度大、材料利用率高、快速成型等显著优势在汽车产业中展现出巨大潜力。本文系统分析了汽车行业对新型制造技术的需求及增材制造技术与相应需求的匹配度，介绍了粉末床熔融、材料挤出、光固化聚合、黏结剂喷射、材料喷射、定向能量沉积等主流增材制造的技术特性及其在适用材料、精度、速度、成本方面的差异，总结了增材制造在汽车研发、生产工具、终端部件等方面的应用案例。在汽车研发阶段，总结了增材制造技术在结构拓扑优化、发动机水冷系统与结构集成化设计、产品快速原型制作、轻量化设计等方面的典型应用。在汽车制造阶段，总结了增材制造技术在定制化夹具与检具、注塑模具与随形冷却通道以及动力系统、底盘系统、车身与内饰的柴油机凸轮轴、转向节、制动卡钳、车顶内衬等方面的典型应用。基于相关案例分析了增材制造技术在汽车产业推广应用中所面临的挑战及对策，提出增材制造技术汽车生产“研发-工装-部件”全工艺链条协同提升技术路线，为其从辅助工艺走向核心制造提供了依据，有望革新汽车的生产方式，并对汽车行业产生深远影响。

关键词：增材制造；汽车轻量化；3D 打印；快速试制；拓扑优化

汽车工业正经历一场变革，对轻量化定制化与快速迭代提出了更高的要求，而传统的工艺铸造、锻造、冲压、注塑等技术在设计自由度、生产周期、材料利用率等方面的局限性日益显现。需要新的制造技术来驱动产业升级。增材制造技术起源于 1986 年的立体光固化技术，后历经 30 余年发展从实验室走向工业应用，形成多种工艺技术体系。近年来，增材制造技术凭借设计自由度大、材料利用率高、快速成型等优势在汽车研发和生产中表现出巨大潜力。本文立足汽车产业发展需求，系统梳理增材制造技术分类及特点，分析其在汽车产业中的应用情况，客观剖析当前面临的技术与产业挑战，并对未来发展趋势进行展望，旨在为汽车行业应用增材制造技术提供理论参考，推动该技术从局部创新向全局变革跨越，助力汽车产业高质量发展。

1 增材制造技术定义与发展背景

1.1 增材制造的基本概念

增材制造（Additive Manufacturing，AM），是基于三维模型数据，通过逐层累加材料来构建三维实体，是一个融合了机械工程、材料科学、自动化控制、计算机辅助设计、逆向工程等多个学科和多种技术的一种制造方法^[1]。增材制造技术能快速且精确地把设计理念转化为功能原型，甚至直接制造出零件，大众和传媒界更多称呼其为 3D 打印技术^[2]。

1.2 技术发展历程与现状

1986 年，Chuck Hull 发明了立体光固化技术，这标志着增材制造技术正式起步^[3]。20 世纪 90 年代，新的增材制造技术大量涌现，其应用从原型制作逐步扩展到功能部件的直接制造^[1]。21 世纪初，波音公司使用增材制造技术生产飞机燃油喷嘴，首次实现了从实验室到工业生产的跨越^[4]。自 2010 年至今，增材制造技术逐渐普及，全球增材制造产业进入高速增长阶段，全球增材制造产业产值增长情况如图 1 所示^[5]。

当前的增材制造产业链涵盖了设备、材料、软件和服务四大环节，服务规模占比最高，材料市场增速最快^[3]。增材制造技术的应用场景覆盖了航空航天、汽车、医疗等多个领域，但均面临产品的质量稳定性欠佳、标准规范尚不健全和成本控制困难等问题^[1]。就我国增材制造技术而言，部分核心技术受制于国外，发达国家凭借先发优势构建的专利壁垒对我国企业的国际化发展形成显著干扰^[3]，因此我国增材制造技术亟须寻找新的应用场景以谋求突破性发展。

2 汽车行业对新型制造技术的需求

近年来，全球汽车产业表现出迅猛的发展势头，产业环境的变化迫使汽车行业加速寻求新型制造技术的突破，以期在日趋激烈的全国乃至全球竞争中保持优势。总体来说，汽车制造产业对轻量化和快速迭代升级 2 个方面的需求最为旺盛，增材制造技术的特点高度契合了这 2 个方面的需求。

2.1 汽车轻量化的需求

在全球能源匮乏与环保观念提升的背景下，汽车轻量化成为行业发展的关键。车辆减重可显著降低燃油消耗和碳排放，有研究表明，车辆每减重 100 kg，燃油的消耗可以减少约 0.4 L/100 km，二氧化碳排放可以减少 8~11 g/km，这对降低成本、减少资源消耗和降低碳排放有着重要意义，汽车的轻量化设计还可以提升市场竞争力，减少试验和改造成本，各国对汽车安全和环保的要求日益严格以及消费者的需求日益提高，这些共同推动着车企采用轻量化设计^[6-8]。

2.2 产品快速迭代的需求

汽车市场竞争激烈，新车更新周期从3年减到2年甚至更短，车企想抢占市场就必须加快产品迭代速度，否则就会被市场淘汰^[9]。汽车生产制造占汽车整体成本 60%以上，原材料价格波动和供应链风险增加了成本的不确定性，车企需要在通过新型制造技术来降低成本的同时提高生产效率，这样才能在价格竞争中占据优势^[9]。传统制造体系难以适应快速迭代的节奏，一套注塑模具的开发周期通常为2~3 个月，设计变更模具修改或重新开发会导致巨大成本和时间浪费。而增材制造为汽车提供快速迭代的可能，尤其适合小批量生产和定制化需求，可快速生成复杂轻量化结构，减少材料使用，缩短开发周期，帮助车企在轻量化中实现降本增效^[10]。

3 增材制造技术分类及特点

增材制造技术种类繁多，目前在汽车制造领域获得应用的主流增材制造技术主要包括粉末床熔融技术、材料挤出技术、光固化聚合技术等。

3.1 粉末床熔融技术

粉末床熔融技术（Powder Bed Fusion）工艺原理如图 2 所示，激光束扫描粉末床指定位置，熔化粉末且熔合到下层固体材料中，接着粉末床降低一定层厚，重新铺展一层粉末，反复该过程，直到零件完全构建完成^[11-12]。

粉末床熔融技术能制造分辨率高、内部通道尺寸良好的零件，可加工多种金属材料，常用于对精度和性能要求高的领域（如发动机、空调压缩机连接支架等），按使用热源不同可分为选择性激光熔融和电子束熔融技术^[13-15]。选择性激光熔融技术加工速度快，灵活性高，材料利用率高；但能量损失大，零件内部可能存在残余应力，成型效率低。电子束熔融技术可避免零件氧化，适合高反射率材料加工，但材料选择有限，设计自由度低，表面相对粗糙^[16]。粉末床熔融技术在使用中需深入研究工艺参数对零件质量的影响，优化参数以减少缺陷的产生，提高零件性能。

3.2 材料挤出技术

材料挤出技术（Material Extrusion）广泛用于塑料零件制造，将材料加热使其具有流动性并输送到印刷区域，逐层沉积在基底上实现聚合物长丝制作，最广泛使用的是熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling），工艺原理如图 3 所示^[17-18]。

材料挤出技术因可用原料丰富、维护成本低、操作温度低、适合桌面级应用、能满足多样化需求而在汽车零部件制造中得到广泛应用^[13]。该技术适合产品概念建模和功能测试，主要用于快速原型制作，可缩短汽车零部件开发周期，降低试错成本^[19]；但该技术成型精度和表面质量一般、层间黏结强度不足等问题会影响零件的可靠性和使用寿命^[20]。未来可以开发新型高性能打印材料，添加增强相或优化配方以增强材料性能^[21]。

3.3 光固化聚合技术

光固化聚合技术（Vat Photopolymerization）使用紫外线等光源逐层固化光敏树脂^[22]。激光束扫描到液体树脂表面，液态树脂光聚合固化形成固态塑料，每完成一层扫描，平台移动一个层厚的距离重新涂覆树脂，如此循环直至零件制造完成，工艺原理如图4所示^[23-24]。

光固化聚合技术成形精度高、速度快、设备成本低，适合小批量生产和快速原型制造^[20]。该技术可制造复杂形状零件，通常用于制作高精度模具和汽车内门把手等内饰件。但该技术在实际使用中存在材料选择有限、耗材成本高、薄壁零件树脂排出困难等问题，在打印过程中，零件易出现收缩卷曲变形和尺寸偏差等缺陷，且打印后需去除支撑、清洗、固化等一系列操作，流程相对复杂^[20]。未来可通过开发新型光固化材料、优化工艺参数等提高打印精度和表面质量，减少缺陷的产生，扩大应用范围^[24]。

3.4 黏结剂喷射技术

黏结剂喷射技术（Binder Jetting）是将粉末喷射到构建台上，液体黏合剂注入并沉积在粉末部位上将粉末黏合在一起，完成一层后平台下降，供粉处上升补充粉末，重复上述步骤直至打印物体成形，最后使用烧结工艺来烧掉黏合剂材料以得到成形产品，其工艺原理如图 5 所示^[18]。

黏结剂喷射技术不需要高温熔化，避免了快速熔化和凝固步骤^[13]，对生产零件尺寸没有限制，无需支撑结构，适用材料范围广，设备价格低，对粉末要求低，打印产生的缺陷较小^[18]。该技术一般用于制造一些内部结构复杂的零件（如发动机和变速器部件）^[13]，但零件内部易产生孔洞而导致产品致密度较低，微观结构和力学性能可能存在各向异性和不均匀性^[20]。未来可开发高性能特种材料，优化黏结剂配方以减少零件内部缺陷、提高零件的力学性能。

3.5 材料喷射

材料喷射技术（Material Jetting）喷射可固化液态材料，工艺如图 6 所示，喷头将液态材料以微小液滴的形式精确喷射到指定位置，在喷射后通过光固化或热固化等方式迅速凝固，逐层堆积形成零件^[4,22]。

材料喷射技术精度高，适用多种材料，能实现精细打印且能多材料同时喷射，一次打印可使用不同特性材料制造复杂功能的零件，还能控制材料的喷射区域和比例，打印出色彩丰富的模型^[21]。该技术适用于对精度、表面质量、复杂功能和外观要求高的领域（如车窗导轨）^[18]，但材料成本限制了其发展，且在固化时可能出现收缩翘曲等问题^[18]。该技术未来的发展主要聚焦于降低材料成本和提高打印效率，开发新材料优化配方，提高材料的可打印性和性能。

3.6 定向能量沉积技术

定向能量沉积技术（Directed Energy Deposition）用高能量激光束聚焦于成型区域，通过喷嘴将金属粉末输送至激光作用区，粉末吸收完激光能量迅速熔化，与其他打印实体相融合，随后重复熔化沉积过程，直至完成零件制造，其工艺原理如图 7 所示^[18]。

定向能量沉积技术沉积效率高，可实现多材料复合沉积，满足差异化需求^[25]。该技术逐点逐层堆积的方式可快速响应个性化制造需求，具备修复再制造能力，可在零件表面沉积多种材料，修复磨损裂纹等缺陷，可使硬度分布更均匀，避免粗大马氏体导致的脆性问题^[26]。但该工艺高温梯度产生的热残余应力易导致零件变形和裂纹，影响精度和力学性能^[27]。该技术未来发展方向主要是优化工艺参数和后处理技术以减少残余应力、解决变形或开裂问题，提高零件的表面质量和成形精度^[27]。综上所述，主流增材制造技术的特性及应用差异显著，表1为主流增材制造技术的适用材料、精度差异、速度快慢、成本高低等核心参数，可以用来明确各个技术在汽车领域中的适配场景。

4 增材制造在汽车领域应用

4.1 汽车研发阶段的应用

4.1.1 结构优化设计

为确定材料最优分布获得最佳结构设计，需要进行优化设计，最常用方法为拓扑优化设计。该技术与可一体成型的增材制造技术相配，二者结合可在保证使用性能要求的条件下实现轻量化^[28-29]。法拉利公司优化的一款后中置发动机跑车的发动机副车架支架，与传统结构支架相比重量减轻了20%^[30]。Stefan Junk物理化呈现优化结构，验证了设计的可行性，如图8所示，在优化可行的基础上重新设计并制造了实验车辆制动支架，优化后减重45%^[31]。刘英杰等^[15]开发的汽车发动机、空调压缩机连接支架减重43.8%，力学性能优于原铸件。Davin Jankovics 设计的赛车车轮立柱实现了 77%的质量减轻，同时支撑材料减少91%^[32]。本田汽车优化了曲轴结构，实现了50%的重量减轻^[5]。这些案例都表明了增材制造与拓扑优化结合可以降低材料用量，轻量化效果显著。

4.1.2 集成化设计的实现

增材制造通过多材料打印与结构设计，将多个部件集成为单一组件，相比于传统制造工艺，不仅减少了材料损耗，还减少了装配环节，大大提升了可靠性^[33]。奥迪公司采用激光粉末床熔融制造的 W12 发动机水冷系统连接件和 Lunar Quattro 铝合金车轮并通过了质量检测，将多个零件整合为单一部件，减少了装配接口，降低了故障风险，满足高温高压耐久性要求^[15]。同样的技术制成的集成化弧形冷却通道可以将冷却与结构一体化，直接与主体同步形成，减少了冷却液泄漏风险，并大幅提升散热效率^[31]。雷诺卡车公司采用选择性激光熔融技术突破传统工艺局限，适配拓扑优化后的轻量化结构，设计的发动机上零部件数量减少了 1/4，缸体缸盖集成后新发动机的质量减少了约120 kg^[15]。王皞^[34]通过 SLM 技术一体化打印将雷达固定结构，将信号屏蔽腔和轻量化镂空点阵集成单一部件替代原来 3 个拼接件，如图 9 所示，不仅减重了30%，还可以避免连接处信号干扰问题。

4.1.3 快速原型制作

在汽车新产品研发中，增材制造技术凭借高效灵活特点获得广泛应用，加速了设计迭代和测试流程^[8,35]。增材制造技术无需额外模具，能同时生产多种定制化产品，降低成本并缩短生产时间^[36]，实际使用效果已经在发动机排气系统、驱动轴和变速箱组件等小批量的结构性和功能性零件的研发、试制和生产中得到验证^[37]。采用快速原型设计，从简单内饰元件到仪表盘，甚至是整车比例模型，都可显著缩短生产周期，降低成本^[35]。SINGH 整理了 Ilardo 和 William 使用熔融沉积技术与纤维增强复合材料设计的 Formula SAE 赛车的进气系统，该系统非常适合小批量生产，有着高性能、短周期、低成本等优点，展现了该技术在汽车零部件快速开发和制造中的巨大潜力^[17]。德国公司EOS GmbH 用 Al2139 铝合金激光粉末床熔融技术生产汽车零部件，满足快速迭代和小批量要求，使研发时间缩短 88%^[5]。

4.2 汽车生产工具中的应用

4.2.1 定制化工具

夹具在汽车领域是为特定零部件或总成设计的工装设备，检具用于快速检测生产零部件的尺寸、形状、孔位等是否符合设计要求，如通过汽车车身面板的冲压工艺生产 A 柱，B 柱和保险杠等都需要使用高精度夹具和检具来完成，采用增材制造技术可快速完成夹具和检具的开发、试制和应用。如表 2 所示，采用增材制造生产的冲压模具镶件寿命已超过百万次冲压，相比于传统方法，大大缩短了工具准备时间，并且支持复杂形状优化，降低了材料消耗和成本，尺寸精度满足汽车行业的需求^[38-39]。在传统铸造中模具和砂型制造时间长，成本高。采用增材制造技术可快速制作复杂砂型模具，适用小批量或原型生产。传统工艺制造汽车座椅泡沫工具成本高且周期长达 12 个月，采用增材制造技术可快速生产铝制泡沫工具，缩短生产周期至 3 个月，同时大大降低成本^[40]。

4.2.2 注塑模具与随形冷却通道

注塑模具与随形冷却通道的定制化展现出增材制造的独特价值，在缩短模具生产时间的同时，大大降低加工制造成本^[32]。某企业使用不锈钢 316L 生产汽车前大灯反射器棱镜形模具嵌件，采用具有高精度的激光粉末床熔融技术实现了复杂几何形状和高表面粗糙度，同时保持了尺寸精度^[41]。Dalpadulo^[41]指出 Kazmer 采用激光粉末床熔融技术的研究，铝制模具在注塑中的应用，其热导率比钢模具的高，冷却时间可减少约 30%。Pawlak 等^[42]采用材料挤出成型技术制造了可用丙酮溶解的汽车零件注塑模具（图 10），无需金属模具脱模设计，适合复杂形状的制造，虽然树脂模具的冷却时间是金属模具的 3 倍，但在原型和小批量生产中更具成本和时间优势。

4.3 汽车终端部件的应用

4.3.1 动力系统

在汽车终端部件的制造中，增材制造技术逐渐从理论走向实际生产，为汽车生产技术带来了新突破。Sarzyński^[5]指出与传统工艺相比，通过激光粉末床熔融生产的发动机凸轮轴有更加优异的强度性能；保时捷通过激光粉末床熔融创建的创新型活塞，已在911 GT2 RS 发动机中通过了耐久性测试，允许在活塞内部集成复杂的封闭式冷却通道，与锻造活塞相比，重量减轻了 10%。对发动机所做的改进使其速度得以提升，活塞上的温度负荷降低，并且燃烧得到优化^[5]。本田公司与 Autodesk 合作，优化曲轴使其重量减轻 30%；采用粉末床熔融技术生产优化后的涡轮增压器转子叶片，成型精度高、致密度高，能确保器件在高温高压下的可靠性和耐久性且减重 30%~50%^[5]。发动机排气部件传统制造方式存在材料局限，采用增材制造技术生产的聚苯硫醚等复合材料排气部件强度高、耐高温，且材料利用率高，有助于汽车降低燃油消耗^[20]。薛亚辉^[43]以镍基高温合金和钛合金粉末为基材，在其文中 Narendran 利用 LPBF 技术设计并制备了一种双层微流道散热器，该双层微流道散热器的高温区温度相较于传统微流道散热器降低了 26.5%。

4.3.2 底盘系统

汽车底盘系统包含传动、行驶、转向、制动 4 个系统，对汽车性能至关重要。Formula Student 2012比赛中制造的转向节如图 11 所示，激光粉末床熔融可以将拓扑优化后的复杂形态制作出来且与传统工艺相比重量减轻 35%^[18]。布加迪在 2018 年推出激光粉末床熔融制造的制动卡钳，质量从 4.9 kg 减少到2.9 kg，抗拉强度提升^[18]。Sara Mantovani 通过拓扑优化 Formula 比赛赛车转向立柱，实现了重量最小化，满足了刚度要求。拓扑优化的差速器支架重量减少，静态和动态负载性能满足工业要求，使疲劳寿命提升^[44-45]。制动卡钳使用增材制造和拓扑优化重新设计制造，满足刚度和强度且质量降低，布加迪 Chiron 的 Ti6Al4V制动卡钳通过拓扑优化和增材制造技术使重量减轻41.6%，力学性能、散热效率、制动稳定性等性能优于传统部件^[46-47]。Rao 等^[29]研究表明，虽然汽车底盘材料不同，但都需要轻量化以提升车辆性能和燃油效率，采用增材制造技术生产的相关产品能显著降低发动机的负载。

4.3.3 车身与内饰

在车身与内饰领域，增材制造技术为汽车制造带来了无限的可能。Upare 等^[44]指出采用拓扑优化设计结合材料挤出技术制作的汽车仪表盘部件在保证性能不变、成本降低的同时，减轻了53%的质量。奔驰、奥迪和宝马汽车分别使用混合纤维、黄麻纤维、大麻纤维复合材料制作内饰，采用材料挤出技术作为技术支持，制作出的车顶内衬和后备箱搁板等部件质量减少25%左右^[48]。在车身部件中，Du 等^[8]总结了Xue研发的 LFT-PP 保险杠横梁，相比于传统制造轻17.4%，成本降低 69%，且吸能效果提升。在 Shelby Cobra 全尺寸可行驶复刻车体制造中，通过逐层堆积制造车体结构，将车身分为几个部件打印，随后黏合组装缩短生产周期，大幅减少了材料浪费^[41]。这些项目展示了增材制造的潜力，凸显了增材制造在减少传统模具依赖、缩短生产周期方面的价值。

5 挑战与对策

增材制造技术在汽车产业中已经获得了较为广泛的应用，但目前局限于材料、成本、工艺和可持续化等问题，仍难以大规模产业化推广。如金属粉末易氧化，需惰性气体或真空环境增加成本、零件疲劳性能差、有未熔合区域、气孔和表面粗糙度等缺陷等工艺问题，均限制了金属增材制造技术在汽车产业中的进一步推广^[49-50]。同时，增材制造技术设备投资大，材料的成本高，生产效率难以与传统大规模制造相竞争，更适合高附加值的小批量生产。此外，缺乏统一的材料性能测试标准、增材制造标准和认证体系，使得产品的可靠性难以保证，企业难以快速决策是否采用该技术^[51]。

增材制造在汽车领域应用的未来研究中，需着重关注增材制造材料的开发、工艺的优化以保证增材制造产品质量的稳定性，开发低成本、耐高温、抗疲劳性的材料，推动材料粉末制备技术升级，研究粉末寿命周期管理与性能衰减规律，以确保激光熔融时的熔池均匀，减少内部孔隙^[52]。同时，开发智能化管理系统实现多台设备的协同工作，完善供应链体系来支持大规模的工业应用^[52]。此外，还需完善增材制造技术标准并建立相应的认证体系，开发针对汽车行业的工艺数据库和最佳实践指南或典型案例，以推动增材制造技术的普及^[52-53]。

6 结论与展望

当前汽车市场处于深刻变革之中，对快速开发试制、轻量化和个性化定制具有旺盛的需求。增材制造技术凭借快速成形、高设计自由度和巨大的轻量化潜力、可定制程度高等优势完美契合了汽车制造行业转型发展的需求，成为汽车行业变革的重要力量。目前多种增材制造技术已经在汽车设计及快速原型制作、定制化工（模）具的生产制造乃至汽车零部件产品的制造中获得应用，取得显著的缩短研发和生产周期、轻量化和绿色制造效果，并且有望在未来进一步规模化推广应用。

增材制造技术仍然存在材料和设备等成本高、生产工艺不完善或不稳定、质量控制等相应标准和规范不健全等问题。随着技术迭代、规模化效应等，相关问题可以逐步得到解决。未来 5 年内，增材制造技术有望在材料定向开发、工艺稳定性突破、设计普及化及标准体系建设方面取得阶段性进展。而在未来 5~10年，数字孪生与过程监控技术或可贯穿汽车零部件 “材料选型，工艺模拟，性能验证”，特别是轻量化复合材料，多材料协同打印技术，以及人工智能与增材制造技术的交叉融合，都可能进一步推动增材制造技术在汽车领域的规模化应用^[54]。

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