目前，碳纖維復合材料已被用于汽車領域，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打印的風管配件。3D打印復合工具可能有很多好處，但汽車制造商必須確保它已經做好投入到生產線當中的準備。

如今，增材制造（AM）已廣泛用于車輛原型設計，在汽車生產過程的其他部分也越來越受到青睞。SmarTechPublishing在2018年的《增材制造突破創新壁壘》中表示，汽車行業正在“加速實現完全工業化，并在端到端生產流程中集成AM流程”。文章指出，3D打印技術在擴大其作為汽車原型和工裝的主要技術應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，他們為三菱LancerEvolution汽車制造了一批3D打印的碳纖維復合材料連接桿。據悉，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商進行技術教育，并制定設計標準，以確保其能夠滿足生產線的需求。

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用程序測試AM工具。該團隊主要專注于預生產業務，包括制造少量的預售車輛以驗證零部件。一個典型的裝配廠可能生產10萬至50萬輛汽車，而預生產設施可能在三到四個月內只生產50輛汽車。

3D 打印的碳纖維復合材料連接桿

3D 打印打印的碳纖維復合材料連接桿的應力分析

這使得預生產成為AM復合工具的良好測試平臺。通用汽車AM技術制造工程團隊的負責人DominickLentine說：“我們有很多較小的、低風險的應用程序，這些應用程序不承受重負載，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、高生產率、高風險的自動化設備，而在預生產領域，則需要更多的手工制作和手動工具。”如果預生產中的新工具出現問題，所產生的影響要比大型裝配線停頓所產生的影響要小得多。

3D打印的技術優勢

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

當生產線操作員使用的是輕質復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：“這與汽車質量息息相關，因為他們正在用這些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，使得汽車制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時間。在通用汽車的內部或一級供應商那里，開發一款工具需要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，其中包括數控設置、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中作為低成本工具的潛力，報告稱，傳統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

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復合模具。Stratasys打印機采用了ULTEM?（非晶態熱塑性聚醚亞胺）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性。

“這些新材料拓寬了制造業的應用范圍，因為它們更堅固、更耐用。”Russell說。

在打印過程中，復合長絲和支撐材料長絲通過雙加熱噴嘴擠出，按規定的精確路徑放置。該工具內置在烤箱內，控制溫度和濕度，這有助于提供尺寸穩定。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勢，但它也對通用汽車的一級工具供應商提出了挑戰。他們不熟悉AM，通常只有有限的復合材料經驗。Lentine說，在AM復合工具廣泛應用于生產之前，供應商必須有信心，他們將提供與傳統金屬工具相同的質量和耐用性。

為了幫助供應商更好地理解AM和復合材料技術，通用汽車于2019年1月邀請他們的關鍵工程師參加了與Stratasys的培訓研討會。

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統的金屬工具思維來設計三維復合工具，但可能會失敗，因為它沒有為AM進行優化。在供應商能夠正確設計打印復合工具之前，他們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。

有很多因素決定了一個生產模具是否應該3D打印。“臂端工具、升降輔助設備、測量設備——很多這些東西都是過度設計的，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。當我們與通用汽車（GeneralMotors）等OEM廠商或他們的供應商見面時，我們正在考慮這些應用程序。”

通用汽車目前正與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，是否可以縮短某個子裝配單元的周期。另一種是用AM生產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。”利用3D

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

Lentine表示：“一旦設計師對設計原則和設計指南有了一個概念，他們實際上就最擅長創建新的幾何圖形。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。所以這是一條學習曲線，但從我們的經歷來看，這條學習曲線并不陡峭。”

提出的問題

供應商對使用AM復合工具的問題來自于他們對通用GM生產裝配廠構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力-應變曲線、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計的模具能否有效地工作？

扭矩要求是另一個問題。“我們用鋼和鋁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復合材料模具有疑問。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打印的零件必須經過噴漆車間的高溫烤箱，是否應該獲得特殊的涂層？

打印工具的維修程序提出了另一個挑戰。與金屬模具不同，復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基地合作，試圖找出最佳解決方案。”生產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時解決方案，比如在破損的工具上使用涂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復雜，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建的，因此實際上并不是同質的。”

Stratasys正在與一些軟件合作伙伴一起開發解決方案。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。”

由于這種不確定性，工程師們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，額外的安全系數可能會降低。

3D汽車的未來

通用汽車首次與供應商合作從事增材制造工具時，出現了一些挫折。供應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的項目以調查其他領域。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。”

隨著工具供應商對AM的經驗越來越豐富，他們正在幫助通用汽車開發手工裝配工具的規范，并最終開發用于自動化單元的工具。Lentine解釋說：“當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，且不會發生故障并停止運行。我們如何將這一技術應用到自動化中，我們如何實現輕量級機器人，我們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。我們現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。”

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制造規格文件中。

未來的組裝線可能同時包括打印復合材料和金屬工具。Lentine說：“在某些區域，風險較低或沒有承載整個車身本身，我們可以實施和插入這項技術以幫助減輕重量，并通過縮短周期時間實現更快的工具生產或更快的汽車生產。但是我們永遠不會替換我們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。“我們相信這項技術，相信它能夠節省時間和成本。我們還不知道挑戰的尺度在哪里，隨著我們推出更好、更堅固的材料，挑戰也會發生變化。”Russell說。