1、鈦合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

鈦金屬具有密度小、比強度高、耐蝕性好的優(yōu)點，汽車采用鈦材料可極大地減輕車身質(zhì)量，降低燃料消耗，提高發(fā)動機的工作效率，改善環(huán)境和降低噪聲。

但是昂貴的價格，使得鈦合金在汽車工業(yè)中只能在豪華車型和跑車上有一些應(yīng)用，在普通汽車上鮮有應(yīng)用。因此，當前研究與開發(fā)適應(yīng)市場需要的低成本鈦合金是推動其應(yīng)用于普通家用汽車的關(guān)鍵。

1.1鈦在汽車零部件的使用情況

盡管鈦合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工以及艦船工業(yè)上，但是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用卻發(fā)展緩慢。從1956年美國通用公司研制成功第一輛全鈦汽車開始，鈦制汽車零部件直到20世紀80年代才達到批量生產(chǎn)的水平，90年代隨著豪華汽車、跑車、賽車需求量的逐年增加，鈦合金螺絲才得到了飛快發(fā)展。鈦制零部件使汽車總重量明顯降低。根據(jù)設(shè)計和材料特性，鈦在新一代汽車上主要分布在發(fā)動機元件和底盤部件上。鈦可制作發(fā)動機系統(tǒng)閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件以及底盤部件中的彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。鈦制零部件在汽車中的使用情況［1］見表1。

1.2鈦合金在汽車中應(yīng)用的優(yōu)點

鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，應(yīng)用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多好處，主要表現(xiàn)在:

(1)鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質(zhì)量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及輸出功率。

(2)減小運動零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機的燃油效率。

(3)選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負載應(yīng)力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機及整車的質(zhì)量減輕。

(4)零部件慣性質(zhì)量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發(fā)動機的性能。

鈦合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用對節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。另外，鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高乘坐人員的舒適度和汽車的美觀等。

1.3鈦合金在汽車中應(yīng)用的缺點

鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能，但距鈦及其合金普遍應(yīng)用在汽車工業(yè)中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。但近年來鈦合金近凈成形技術(shù)及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應(yīng)用的關(guān)鍵因素，阻礙鈦合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。

鈦合金的價格遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零部件成本價格分別為:連桿用鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產(chǎn)的零件成本比這些價格高了很多，鈦板材的生產(chǎn)成本大多數(shù)高于33美元/kg，是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍2］。

2、3D打印在汽車行業(yè)的運用

增材制造(3D打印)技術(shù)已然成為未來制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。隨著產(chǎn)品精度的提高和成本的降低，3D打印技術(shù)在汽車、航空以及醫(yī)療等行業(yè)取得了越來越多的應(yīng)用和進展。如圖1所示，未來隨著電子和汽車工業(yè)的發(fā)展，這兩個領(lǐng)域的產(chǎn)值規(guī)模有望進一步提升。

2.13D打印在汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍

(1)首先3D打印可以應(yīng)用在整車造型上，可以按著設(shè)計師的要求1∶1全尺寸打造。整車開發(fā)中需要對汽車的外形、內(nèi)飾等外觀造型進行設(shè)計、評審和確定。

(2)通過3D打印可以對設(shè)計進行驗證，對產(chǎn)品的可靠性(安裝結(jié)構(gòu)、零件匹配、結(jié)構(gòu)強度等)進行驗證，同時也可彌補整車試驗處于整車開發(fā)中后期帶來的設(shè)計風(fēng)險，在設(shè)計前期就能進行驗證。

(3)對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件，無法采用傳統(tǒng)的制造工藝進行制造，或者常規(guī)制造成本非常高昂，那么運用3D打印工藝可以很好地解決。

(4)汽車輕量化在產(chǎn)品開發(fā)中占據(jù)了舉足輕重的位置，有了3D打印技術(shù)，使得塑料乃至金屬制造的輕量化結(jié)構(gòu)零件成為了可能，而不再靠單一的傳統(tǒng)工藝。

(5)3D打印技術(shù)，除了應(yīng)用于在汽車的零部件以外，生產(chǎn)線上的裝配零件、測量工具、檢具也同樣適用。

2.23D打印在汽車行業(yè)應(yīng)用實例

3D打印在汽車行業(yè)中的應(yīng)用實例［3］見表2。

2.33D打印在汽車行業(yè)的優(yōu)勢

一輛汽車從產(chǎn)品規(guī)劃到投放市場需經(jīng)歷一段相當長的時間，一個全新的產(chǎn)品的開發(fā)最長需要經(jīng)歷57個月，而之前還需要更長的時間進行技術(shù)研究。通過3D打印工藝，可以大大縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率。企業(yè)可以在開發(fā)過程中，更加注重產(chǎn)品的可靠性，解決產(chǎn)品生產(chǎn)過程的限制問題，比如說某些零件通過傳統(tǒng)工藝無法生產(chǎn)等。在成本上，降低產(chǎn)品開發(fā)費用，無需制造模具和特定的生產(chǎn)線。最后，可以實現(xiàn)汽車產(chǎn)品的個性化，適宜小批量個性化制造。

2.43D打印在汽車行業(yè)的不足

3D打印仍然處于研發(fā)階段，沒有達到成熟的程度，短時間內(nèi)還不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。表面質(zhì)量尚有差距，需要拋光、染色、電鍍、噴漆等后續(xù)處理。

材料上的選用仍有局限性。目前，整體產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟。

2.53D打印未來趨勢

為滿足環(huán)保日益苛刻的要求，新一代汽車設(shè)計更重視車身的輕量化、燃料的低消耗、發(fā)動機的低噪聲及輕振動，在這種背景下，輕金屬鈦將成為未來汽車的一種主要應(yīng)用選擇材料。鈦合金最終將在汽車工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。

汽車行業(yè)市場空間巨大，為3D打印在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的市場基礎(chǔ)。如圖2所示，2016年，全球銷售汽車9，385萬輛，研發(fā)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)總值超過萬億美元。假如未來全球汽車產(chǎn)值保持在2016年的水平，那么，3D打印只要占有其中1%的市場份額，就能達到百億美元的市場空間。

3、結(jié)語

中國增材制造(3D打印)產(chǎn)業(yè)2017年創(chuàng)造超過百億的產(chǎn)值，是國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》的發(fā)展重點，正在推動汽車產(chǎn)業(yè)的加速變革。工業(yè)和信息部聯(lián)合12部委發(fā)布的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017－2020年)》明確表示，要在汽車新品設(shè)計、試制階段，利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)無模設(shè)計制造，縮短開發(fā)周期。采用增材制造技術(shù)一體化成型，實現(xiàn)復(fù)雜、關(guān)鍵零部件輕量化。未來，我們將不斷見證汽車行業(yè)的新飛躍［4］。

參考文獻

［1］OfWeek3D打印網(wǎng)．

［2］李申．鈦及鈦合金在汽車上的應(yīng)用．2010．

［3］3D打印在汽車上的應(yīng)用．OfWeek打印網(wǎng)汽車欄目．2017．10．

［4］政策利好3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用2017．12．

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