3D打印技术在汽车行业有着十分重要的作用，它可以极大的缩短汽车研发周期，同时也能够节约汽车生产的成本，摆脱了传统汽车制造对模具的依赖。这些优点让3D打印技术在汽车制造行业的应用越发的广泛。本文通过介绍3D打印技术在汽车零部件研发、制造、模具和材料中应用来阐述3D打印技术对汽车零部件领域的重要作用。
汽车零部件的研发往往需要长时间的验证工作。传统的流程是先进行零部件设计，然后开发制作模具，再制造出零部件的实体并对零部件实体进行测试以确定是否能够达到产品设计要求，如不满足要求还需对设计或模具进行修正。这一流程耗时长、成本高。将3D打印技术应用到汽车零部件研发过程中则可快速对复杂零部件的工作原理和可行性进行验证，不但省去了模具开发的工序，还可减少时间和资金的投入。传统汽车零部件的研发周期通常在45天以上，而3D打印只要1-7天即可完成零部件的开发验证过程，可大大提高新产品的研发效率。而且3D打印开发零部件的流程中不需要模具，可节约大量的成本。
随着人们对汽车轻量化、个性化、智能化的需求不断提升，汽车零部件中出现越来越多的特殊设计。这些特殊设计对制造工艺的要求更高，因传统制造工艺的局限性，这些特殊设计较难成型，而3D打印技术的出现则可以有效的解决这些问题。
3D打印技术在汽车零部件制造中的应用主要包括：（1）制造结构复杂的零件，传统工艺制造复杂零部件时需要分块加工后再组装，其尺寸精度和强度都会受到一定的影响，而且由于零部件结构复杂，需要的制造工序更多，这导致成本和加工周期提升，而3D打印则可以不受零部件结构的限制，可快速制造出复杂的汽车零部件。（2）多材料复合零件，3D打印技术的一个突出优势是可以进行多材料、多颜色一体成型，实现零部件的不同部位对材料性能和颜色的不同要求，如奥迪采用Stratasys J750全彩多材质3D打印机打印出完全透明的多色车尾灯灯罩，进而避免之前繁杂加工程序，凭借50多万种颜色组合，奥迪团队可以打印多色多种材质的零部件，可以加速设计验证过程，预计可节省至少50%的时间。（3）轻量化结构零件，3D打印可以根据计算机仿真结果对零部件的结构进行最优设计，如采用镂空结构在保证性能要求的前提下实现汽车轻量化。（4）个性化定制零件，布加迪汽车采用3D打印技术制备钛合金制动钳，不仅外观酷炫，还经久耐用，整个工艺过程历时45小时。（5）小批量零件，戴姆勒采用3D打印技术，为经典车型提供3D打印备用件，该技术可实现部件的小批量生产，由于批量小，先期投入成本与报废件成本都不会很大，最新款3D打印部件包括天窗滑动轮、车内后视镜基座、火花塞支座[3]，如图2所示。（6）应急零部件，当车辆因为特殊情况（例如处于战场、荒芜的野外、太空等）而无法及时找到备用零部件时，采用3D打印技术实时制造零部件能够有效解决此类问题。
汽车行业竞争的日益激烈要求了汽车零部件的快速升级换代，但由于传统的零部件制备工艺中长达数月的模具研制周期以及模具使用的高损耗，都在一定程度上阻碍了汽车的更新换代速度。
近年来，3D打印技术开始运用于汽车零部件模具中，以期改善模具制造过程中存在的操作复杂、成本高、耗时长等问题。3D打印技术在汽车零部件模具中的应用主要包括：零部件模具的快速成型、复杂零部件模具的一体化成型以及模具内部结构的最优化设计与制造。
采用3D打印技术，不但可以缩短汽车零部件模具的开发周期，还能够制造复杂结构的精密模具，例如成泽邦[7]采用3D打印技术制造含有随形冷却流道的汽车方向盘模具，该模具冷却效果好，可有效减少零件因自身结构导致的变形，提高了产品的质量。
3D打印技术的出现也为新材料的发展提供了一种新的思路，他可以通过对材料的微观结构进行可控设计以实现材料新的功能，这是以往的材料制备工艺所不能实现的。近年来，多个团队将3D打印技术应用到新材料的制备中，以期通过3D打印技术建立复合材料的新机制。例如宝马汽车与麻省理工自我装配实验室合作，开发出了一种可充气的3D 打印材料，特点是可以根据指令而改变其形状和硬度，这项技术能够被运用到高度可定制和多功能汽车内饰中，可以提升乘坐的舒适度。萨里大学的科学家与巴尔的摩约翰霍普金斯大学和加利福尼亚大学的研究人员合作开发了一种具有高刚度和阻尼的新型3D打印材料。科学家表示，这种新材料虽然像金属一样坚硬但却有足够柔韧，可以承受强烈的振动，汽车产业将迎来新一轮的更新，让客户在旅途中几乎不会受到任何振动。卡内基梅隆大学与美国密苏里科技大学的研究人员研发了一款3D打印电池电极，该电极拥有3D微晶格结构，可实现可控孔隙率，如图4所示。研究人员指出，该微晶格结构可大幅提升锂离子电池的容量及充放电速率，还可利用3D打印设备，制作形状复杂的3D电池架构，有助于优化电化学储能的配置，相较于实心电极，其比容量提升4倍、实际容量提升两倍，这将极大的提升新能源汽车的续航里程。
要实现汽车轻量化，宏观层面上可以通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料来达到目的。微观层面上可以通过采用高强度结构钢这样的材料使零件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。
而3D打印带来了通过结构设计层面上达到轻量化的可行性。具体来说，3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种：中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。
4.1 中空夹层、薄壁加筋结构
中空夹层、薄壁加筋结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子组合而成。在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力，也承担部分压应力。夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音与隔热等优点。
在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域，大量使用夹层结构，减轻重量。如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材，这种夹层结构被称作金属夹层结构，西安铂力特在3D打印过程中，采用夹层结构，实现构件的快速轻量化，经过设计的夹层结构对直接作用外部于蒙皮的拉压载荷具有很好的分散作用，薄壁结构（比如壁厚1mm以下）也能对减重做出贡献；夹层及类似结构可用作散热器，在零件上应用，极大地提高零件的热交换面积，提高散热效率。
镂空点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。通过大量周期性复制单个胞元进行设计制造，通过调整点阵的相对密度、胞元的形状、尺寸、材料以及加载速率多种途径，来调节结构的强度、韧性等力学性能。
三维镂空结构具有高度的空间对称性，可将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证承载能力。除了工程学方面的需求，镂空点阵结构间具有空间孔隙（孔隙大小可调），在植入物的应用方面，可以便于人体肌体（组织）与植入体的组织融合。
镂空点阵单元设计有很高的的灵活性，根据使用的环境，可以设计具有不同形状、尺寸、孔隙率的点阵单元。西安铂力特在这方面做了不断的尝试：在构件强度要求高的区域，将点阵单元密度调整的大一些，并选择结构强度高的镂空点阵单元；在构件减重需求高的区域，添加轻量化幅度大的镂空点阵结构，镂空结构不仅可以规则排列，也可以随机分布以便形成不规则的孔隙。另外，镂空结构还可以呈现变密度、厚度的梯度过渡排列，以适应构件整体的梯度强度要求。
3D科学谷发现，有趣的是我们很多关注点放在点阵结构如何实现我们需要的强度和灵活性，一些极为小众的研究还包括如何获得需要的“脆弱性”。之前，英国轻量化项目联盟就在研究如何压破点阵结构。其应用场景是返航太空舱在进入地球空气层时候，压力和速度的变化对舱体的力学结构带来很大挑战。通过增材制造Ti-6AI-4V的点阵结构获得0.4k/cm3的超轻密度，这样的结构需要设计成在某种压力下会被“压破”。3D打印为镂空点阵单元在力学方面的性能实现打开了一个新领域。
3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。
一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。这方面典型的案例是GE通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再优化，将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个。通过3D打印将结构实现一体化，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍, 并且将提高LEAP发动机的性能。
4.4 异形拓扑优化结构
拓扑优化是缩短增材制造设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性的部位的材料。拓扑方法确定在一个确定的设计领域内最佳的材料分布：包括边界条件、预张力，以及负载等目标。
拓扑优化对原始零件进行了材料的再分配，往往能实现基于减重要求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经过仿真分析完成最终的建模，这些设计往往无法通过传统加工方式加工，而通过3D打印则可以实现。通常3D打印出来的产品与传统工艺制造出来的零件还需要组装在一起，所以设计的同时还需要考虑两种零件结合部位的设计。实现机械轻量化是一个系统的工程，从每一个关键零部件的设计优化、制造，到轻量化材料的研发与应用都是轻量化探索道路上不可或缺的。
3D打印技术作为数字信息化时代最为重要的一项技术发明，必将对汽车工业发展产生巨大的推动作用。本文通过介绍3D打印技术在汽车零部件研发、制造、模具和材料中应用情况进行分析，充分了解到3D打印技术在汽车零部件中的应用已经非常广泛，相对于传统的工业化生产3D打印技术具有可缩短开发周期、可实现个性化制造、可设计新型车用材料以及可节约成本等特点。我们应该抓住3D打印技术发展契机，紧跟时代发展步伐。