目前，碳纤维复合材料已被用于汽车领域，制造具有成本效益的工具，以及最终用途的汽车零件，例如3D打印的悬架立柱和3D打印的风管配件。3D打印复合工具可能有很多好处，但汽车制造商必须确保它已经做好投入到生产线当中的准备。

如今，增材制造（AM）已广泛用于车辆原型设计，在汽车生产过程的其他部分也越来越受到青睐。SmarTechPublishing在2018年的《增材制造突破创新壁垒》中表示，汽车行业正在“加速实现完全工业化，并在端到端生产流程中集成AM流程”。文章指出，3D打印技术在扩大其作为汽车原型和工装的主要技术应用方面处于有利地位。

ExtremeTuners是一家希腊的机械加工商，2019年年底，他们为三菱LancerEvolution汽车制造了一批3D打印的碳纤维复合材料连接杆。据悉，这些连接杆的重量比钢轻10倍，比铝轻6.5倍，可以承受3000马力（HP）和约15,000RPM的载荷。

但在3D打印复合工具获得广泛接受之前，汽车制造商必须克服几个障碍。他们需要对工具供应商进行技术教育，并制定设计标准，以确保其能够满足生产线的需求。

通用汽车（GeneralMotors）的制造工程团队几年前就开始为某些制造支持应用程序测试AM工具。该团队主要专注于预生产业务，包括制造少量的预售车辆以验证零部件。一个典型的装配厂可能生产10万至50万辆汽车，而预生产设施可能在三到四个月内只生产50辆汽车。

3D 打印的碳纤维复合材料连接杆

3D 打印打印的碳纤维复合材料连接杆的应力分析

这使得预生产成为AM复合工具的良好测试平台。通用汽车AM技术制造工程团队的负责人DominickLentine说：“我们有很多较小的、低风险的应用程序，这些应用程序不承受重负载，并且没有任何安全隐患。我们组装工厂的大部分工作是大批量、高生产率、高风险的自动化设备，而在预生产领域，则需要更多的手工制作和手动工具。”如果预生产中的新工具出现问题，所产生的影响要比大型装配线停顿所产生的影响要小得多。

3D打印的技术优势

汽车制造商之所以对打印复合工具感兴趣，有三个主要原因：减轻重量、缩短交货时间和降低成本。

当生产线操作员使用的是轻质复合材料工具而非较重的金属工具时，他们感受到的人体工程学压力较小。3D打印解决方案提供商Stratasys美洲汽车部门主管乔治•拉塞尔（GeorgeRussell）表示：“这与汽车质量息息相关，因为他们正在用这些3D打印工具把工作做得更好。”

Lentine补充说，打印工具可以减少机器人的有效载荷50到100磅，使得汽车制造商可以通过使用更小的机器人来节省成本。使用更小的有效载荷，机器人可以更快地移动和减速，从而减少了操作所需的空间和切割周期。

AM还缩短了工具的生产时间。在通用汽车的内部或一级供应商那里，开发一款工具需要8至16周的时间。这是由于有限的车间容量和手工劳动所需的金属工具，其中包括数控设置、焊接和组件组装等因素。相比之下，3D打印工具可能只需要一夜到几天的时间，取决于它的大小。即使需要装配，AM也能将交货期缩短50%或更多。

由于AM工具可以将多个部件合并到一个打印部件中，因此汽车制造商可以节省大量成本。Stratasys在一份白皮书中评估了增材制造在汽车工业中作为低成本工具的潜力，报告称，传统制造的升降机组件的成本约为1920美元，而一个类似的3D打印的工具只需400美元。当汽车制造商需要多种工具时，成本削减会迅速增加。

改变心态

通用汽车一直在使用Stratasys的大型熔融沉积模型（FDM）打印机来构建其AM复合模具。Stratasys打印机采用了ULTEM™（非晶态热塑性聚醚亚胺）树脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯和尼龙12碳纤维等新材料制成的长丝，旨在提供高精度和重复性。

“这些新材料拓宽了制造业的应用范围，因为它们更坚固、更耐用。”Russell说。

在打印过程中，复合长丝和支撑材料长丝通过双加热喷嘴挤出，按规定的精确路径放置。该工具内置在烤箱内，控制温度和湿度，这有助于提供尺寸稳定。一旦打印完成，支撑材料就会被分离或溶解，以使零件达到其期望的最终形状。

虽然3D打印为某些类型的模具提供了优势，但它也对通用汽车的一级工具供应商提出了挑战。他们不熟悉AM，通常只有有限的复合材料经验。Lentine说，在AM复合工具广泛应用于生产之前，供应商必须有信心，他们将提供与传统金属工具相同的质量和耐用性。

为了帮助供应商更好地理解AM和复合材料技术，通用汽车于2019年1月邀请他们的关键工程师参加了与Stratasys的培训研讨会。

Stratasys公司的汽车应用工程师GregWhitman说：“这绝对是一种思维方式的改变和一种不同的设计方法，使你的成品仍然能够满足你的应用需求。”刚刚接触新技术的人经常使用传统的金属工具思维来设计三维复合工具，但可能会失败，因为它没有为AM进行优化。在供应商能够正确设计打印复合工具之前，他们需要了解基本的设计原则，比如使用零件的几何形状来增加其刚度。

有很多因素决定了一个生产模具是否应该3D打印。“臂端工具、升降辅助设备、测量设备——很多这些东西都是过度设计的，过度建造在铝或钢上。它们很重，功能也不像它们可能达到的那样强大。当我们与通用汽车（GeneralMotors）等OEM厂商或他们的供应商见面时，我们正在考虑这些应用程序。”

通用汽车目前正与其模具供应商合作进行各种AM项目。一家供应商正在研究，为机器人设计一种重量更轻的、打印的、臂端模具，是否可以缩短某个子装配单元的周期。另一种是用AM生产一种小型手动模具来检查进入工厂的金属钉。Lentine解释说：“螺栓需要与另一块金属连接，但它们是弯曲的，工人们从来没有任何东西可以检查它们。”利用3D

打印技术，通用汽车迅速生产出多种检测模具，并将它们分发给工厂，作为一个持续问题的解决方案。

Lentine表示：“一旦设计师对设计原则和设计指南有了一个概念，他们实际上就最擅长创建新的几何图形。他们真的知道如何看待一个部分，并把它放在一起有点不同。所以这是一条学习曲线，但从我们的经历来看，这条学习曲线并不陡峭。”

提出的问题

供应商对使用AM复合工具的问题来自于他们对通用GM生产装配厂构建工具所需知识和了解。

例如，他们需要弄清楚打印工具和金属工具在应力-应变曲线、耐久性和疲劳性能方面有何不同。他们想了解这些工具的尺寸能力：打印时精度是否高，还是需要机加工？热膨胀会成为问题吗？在寒冷干燥的冬季设计的模具能否有效地工作？

扭矩要求是另一个问题。“我们用钢和铝制成的所有组装部件均具有扭矩要求，以确保实际拉动螺栓并在将两个板拉在一起时产生压缩力。但是与塑料不同，因为相同的扭矩要求可能会将塑料剥离。”Lentine说。解决方案是将休伊特线圈插入或将带螺纹的金属插件安装到零件中。

供应商对在车间环境中使用打印复合材料模具有疑问。如果被焊枪喷出的焊缝击中，它会随着时间的流逝而熔化并降解吗？应该使用哪种粘合剂将两部分连接在一起？如果3D打印的零件必须经过喷漆车间的高温烤箱，是否应该获得特殊的涂层？

打印工具的维修程序提出了另一个挑战。与金属模具不同，复合模具无法通过焊接固定在替换零件上。

Whitman表示：“我们一直在与通用汽车及其供应基地合作，试图找出最佳解决方案。”生产设备可以根据需要打印新部件，也可以预先打印现有的替换部件。Stratasys还一直在帮助供应商开发临时解决方案，比如在破损的工具上使用涂有环氧树脂或螺栓的铝或金属条，直到永久性的替换工具打印出来。

尽管通用汽车及其供应商正在寻找他们在项目过程中所需的大部分答案，但仍有一个问题需要更多时间来解决。

Lentine说：“如果我们有一些关键的大型工具来承载重物，我们将进行有限元分析（FEA）模型。”FEA预测工具的特性，例如挠度和对应力的反应。“采用Stratasys工艺的有限元分析很复杂，人们对此信心不足，因为打印工具不是各向同性材料也不是注模塑料。它是在图层和工具路径中构建的，因此实际上并不是同质的。”

Stratasys正在与一些软件合作伙伴一起开发解决方案。Whitman说：“我们公司仍在努力对材料进行全面表征，这样我们就能知道它们的强度和刚度，特别是纤维负载材料的强度和刚度。目前还没有一个可用的模拟解决方案来说明我们确切地知道这种材料的行为，也知道它将如何失效。”

由于这种不确定性，工程师们将打印工具设计得比原本可能需要的更大更结实。一旦获得更多的FEA信息，额外的安全系数可能会降低。

3D汽车的未来

通用汽车首次与供应商合作从事增材制造工具时，出现了一些挫折。供应商表示不确定他们是否要采用它，并且对它是否可行没有信心。

“但是，在研讨会之后的一两个星期，当我们开始分成小组时，他们开始变得非常非常热情，以至于他们实际上是在资助自己公司内的项目以调查其他领域。他们可以为通用汽车计划做到这一点。这已被公司有机地采用。”

随着工具供应商对AM的经验越来越丰富，他们正在帮助通用汽车开发手工装配工具的规范，并最终开发用于自动化单元的工具。Lentine解释说：“当这个工具进入一个无人操作的自动化单元时，有很多要求来确保它正常运行，且不会发生故障并停止运行。我们如何将这一技术应用到自动化中，我们如何实现轻量级机器人，我们如何加快自动化单元的速度？这就是许多这些需求的真正目标。我们现在正在处理的许多项目将证明，从长远来看，我们能够做到这一点。”

Lentine的目标是在年底前将3D打印尼龙碳纤维材料工具的一些规格添加到通用汽车的制造规格文件中。

未来的组装线可能同时包括打印复合材料和金属工具。Lentine说：“在某些区域，风险较低或没有承载整个车身本身，我们可以实施和插入这项技术以帮助减轻重量，并通过缩短周期时间实现更快的工具生产或更快的汽车生产。但是我们永远不会替换我们今天使用的所有钢和铝组件。”

然而，3D打印工具还有更多的用途尚未被探索。“我们相信这项技术，相信它能够节省时间和成本。我们还不知道挑战的尺度在哪里，随着我们推出更好、更坚固的材料，挑战也会发生变化。”Russell说。