增材制造技术在汽车复杂格栅结构一体化设计中的应用

引言

随着汽车工业的快速发展，对车辆性能、燃油效率和外观设计的要求不断提高，汽车格栅作为车辆前部的重要部件，不仅承担着散热功能，还在空气动力学性能和外观设计方面起着关键作用，传统的格栅制造方法通常采用注塑成型或金属冲压工艺，这些方法在设计复杂结构时存在诸多限制，难以实现最优的性能和美学效果。

1、增材制造技术概述

增材制造技术是一种基于数字模型的先进制造技术，它通过将材料逐层堆积的方式构建三维实体，与传统的减材制造（如切削加工）或等材制造（如铸造）不同，增材制造具有高度的设计自由度和材料利用率。这项技术起源于 20 世纪 80 年代，经过几十年的发展，已经形成了多种成熟的工艺类型。目前主流的增材制造工艺包括：熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）、立体光刻（SLA）、电子束熔化（EBM）和直接金属激光烧结（DMLS）等。每种工艺都有其特定的材料适用范围和工艺特点。例如，FDM 主要使用热塑性材料，SLS 可以加工尼龙和金属粉末，而DMLS 专门用于高精度金属零件的制造。在汽车制造领域，增材制造技术的应用已经从最初的原型制作扩展到功能部件的直接生产，特别是在复杂结构、轻量化设计和个性化定制方面，增材制造展现出独特的优势。汽车格栅作为一种兼具功能性和装饰性的部件，正是增材制造技术可以发挥重要作用的领域之一[1]。

2、增材制造技术在汽车复杂格栅结构一体化设计应用

2.1、汽车格栅结构的设计要求与功能特点

汽车格栅是车辆前部的重要组成部分，其设计需要考虑多方面的因素，从功能角度来看，格栅必须保证足够的进气量以满足发动机冷却需求，同时还要考虑空气动力学性能，减少风阻，在安全方面，格栅需要具有一定的强度和刚度以保护散热器等关键部件。此外，现代汽车格栅还承担着重要的美学功能，是品牌识别和车辆个性化的重要元素。传统的格栅制造通常采用注塑成型（塑料格栅）或冲压焊接（金属格栅）工艺，这些方法虽然成熟可靠，但在实现复杂结构、轻量化设计和功能集成方面存在明显不足。例如，注塑成型需要昂贵的模具，且难以制造内部复杂的空心结构；金属冲压则受到成型极限的限制，难以实现高度立体的造型。随着汽车设计语言的不断演进，格栅的造型越来越复杂，功能要求也越来越高。许多高端车型开始将传感器、摄像头等电子设备集成到格栅区域，这对格栅的结构设计和制造工艺提出了新的挑战，正是在这样的背景下，增材制造技术为汽车格栅设计提供了全新的解决方案[2]。

2.2、增材制造技术在格栅一体化设计应用

增材制造技术为汽车格栅的一体化设计带来了革命性的优势，该技术能够实现传统工艺无法完成的复杂几何形状，如渐变孔隙率结构、仿生形态和内部流道等。设计师可以突破制造限制，完全从功能需求出发进行结构优化；增材制造支持多种材料的组合使用，可以在单一部件中实现材料性能的梯度变化。例如，在格栅的不同部位使用不同硬度的材料，既保证了整体强度，又实现了局部弹性变形能力。此外，增材制造还便于实现功能集成，如将传感器、照明元件等直接嵌入格栅结构中，提升产品的智能化水平。例如，可以将格栅框架、散热片和品牌标识一体化打印，减少组装工序，提高产品可靠性，此外，通过设计内部空腔结构，可以在不增加重量的情况下提高整体刚度，实现更好的结构性能[3]。

2.3、增材制造格栅的性能分析与优化

采用增材制造技术生产的汽车格栅在性能上具有显著优势。通过计算流体力学(CFD)分析可以证明，优化设计的增材制造格栅能够提供更好的气流管理，降低风阻系数，同时确保足够的冷却空气流量。与传统格栅相比，增材制造格栅的风阻系数可降低 10%-15% ，散热效率提高 20‰ 。在结构强度方面，增材制造格栅通过优化的内部支撑结构，可以在减轻重量的同时保持足够的刚性。有限元分析(FEA)结果显示，与传统设计相比，增材制造格栅的重量可减轻 25%40% ，而结构刚度反而有所提升。这种轻量化效果对于提高车辆燃油经济性和续航里程具有重要意义。增材制造还支持性能的持续优化。通过快速原型制作和测试，设计团队可以在短时间内完成多次设计迭代，不断改进格栅性能，这种敏捷开发模式大大缩短了产品开发周期，使汽车制造商能够更快地响应市场需求变化[4]。

3、案例分析与应用前景

某高端汽车品牌已经成功将增材制造技术应用于其限量版车型的格栅生产。该格栅采用铝合金材料，通过选择性激光熔化(SLM)工艺制造，实现了传统方法无法加工的复杂内部蜂窝结构。实际测试表明，这款格栅比传统设计轻 35% ，散热效率提高 25% ，同时风阻系数降低了 12% ，这一案例充分证明了增材制造技术在汽车格栅应用中的巨大潜力。展望未来，随着增材制造技术的不断发展和成本下降，其在汽车格栅制造中的应用将更加广泛。一方面，材料科学的进步将带来更多高性能的打印材料选择；另一方面，工艺优化和规模化生产将进一步提高生产效率和降低成本。预计在未来5-10 年内，增材制造将成为高端汽车格栅的主流生产方法，并逐步向大众市场普及，此外，增材制造技术还将推动汽车格栅设计的创新。结合人工智能生成设计算法，可以创造出更加优化的结构形态；结合智能材料技术，未来可能实现可自适应调节的主动式格栅系统。这些创新将进一步提升汽车性能和使用体验。

未来，随着新材料开发和工艺优化，增材制造格栅的应用范围将进一步扩大，多尺度结构设计、智能材料应用和数字化生产流程将成为发展趋势，同时，增材制造与其他先进制造技术的融合，如混合制造和4D 打印，将为汽车格栅带来更多创新可能。另一个重要发展方向是混合制造技术，结合增材制造和传统工艺的优势，例如，可以使用增材制造生产复杂的内核结构，再通过传统工艺进行表面精加工，既保证了设计自由度，又控制了成本和质量[5]。

结束语

增材制造技术为汽车复杂格栅结构的一体化设计提供了全新的解决方案，通过突破传统制造的限制，该技术实现了格栅结构的轻量化、功能集成和性能优化。尽管目前仍存在一些技术和经济性方面的挑战，但随着材料科学和制造工艺的进步，增材制造在汽车格栅领域的应用前景十分广阔。未来，这项技术有望推动汽车外饰件设计进入一个更加自由、高效的新时代。

参考文献：

[1]牛心想.混杂纤维复合材料车身构件多尺度一体化设计[D].长安大学,2024.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2024.000970.

[2]王宁波.材料—结构一体化设计的电动汽车交流异步感应电机性能优化[D].重庆大学,2023.DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2023.000019.

[3]刘祥环,刘平,曹保平,等.纯电动汽车一体化动力总成非接触式密封结构设计[J].润滑与密封,2021,46(06):97-101.

[4]曹培欢.基于结构可靠性的碳纤维典型车身零部件一体化设计研究[D].东华大学,2021.DOI:10.27012/d.cnki.gdhuu.2021.000197.

[5]曹培欢,彭梓尧,岳晓丽,等.碳纤维复合材料汽车传动轴材料结构及性能一体化设计[J].东华大学学报(自然科学版),2021,47(05):89-96+104.