汽车零部件设计制作中3D打印技术的应用

　　摘要：近几年中国汽车数量增多, 市场保有量也同步上升, 汽车制造企业增加, 汽车行业竞争激烈。在竞争如此激烈的情况下, 汽车企业需要用高效的汽车生产率、较低的生产成本等具有竞争力的方式来吸引消费者。所以, 第一台3D打印汽车应运而生, 它打破传统汽车生产方式, 提供出新的生产方式。3D打印技术以其低成本、高效率, 在加工过程中不需要模具的一种相对简单的生产方式进入人们的视线。本文将根据3D打印技术在汽车生产上的应用, 介绍了其基本概念, 讲解了运用3D建模进行切片技术和汽车3D打印成型技术, 用已有FDM技术, 根据其成型技术全面分析了汽车零部件3D打印。

　　关键词：3D打印; 汽车; 零部件;

　　Abstract：In recent years, the number of Chinese cars has increased, and the market share has risen simultaneously.The automobile manufacturing enterprises have increased, and the competition in the automotive industry has been fierce.In such a competitive situation, automobile companies need to use efficient automobile productivity, lower production costs and other competitive ways to attract consumers.Therefore, the first 3D printing automobile came into being.It broke the traditional mode of automobile production and provided a new way of production. 3D printing technology, with its low cost and high efficiency, does not need a relatively simple mode of production in the process of processing, and enters people's line of sight.This paper will be based on the application of 3D printing technology in automobile production, introduces its basic concepts, on the use of 3D modeling technology and 3D printing section auto molding technology, using existing FDM technology, according to the comprehensive analysis of the forming technology of auto parts 3D printing.

　　Keyword：3D printing; automobile; parts and components;

　　21世纪, 中国汽车行业发展迅速, 随着市场保有量上升, 市场接近饱和状态, 汽车行业的竞争也越来越激烈, 汽车厂家的发展模式也开始发生变化, 慢慢向细分模式方向发展[1-2]。在竞争如此激烈的情况下, 汽车厂家从研发、设计、生产、销售、服务和维修等各个方面进行综合细化考虑, 如何提高生产率降低生产成本, 如何使产品换代升级快速适应市场, 如何使用低成本生产高质量和安全舒适的产品及节能环保。

　　3D打印技术是最近发展成型的技术, 它的特点高效快速, 应用成熟广泛, 其应用的范围有航空航天、工业零件、电子电路等各个领域[3]。在汽车行业有以下两个方面:第一方面是在汽车研发部门的研发[4];第二方面是在汽车售后部门的维修。汽车新产品的研发阶段, 根据新产品的要求需要对汽车某些零部件进行重新设计, 传统生产零部件的方式是先开发出样品模具, 再根据样品进行批量生产, 这种传统的生产模式存在前期试制环节多、周期长、研发成本高等问题[5];汽车的售后维修, 有一部分高端车、进口车存在着配件供应短缺、维修不及时、维修成本昂贵等一系列问题;同时有些已停止生产的老旧车型也存在配件停产的原因导致不能更换等问题[6]。3D打印技术的应用能够完美地处理好以上所有问题, 势必在汽车产业的发展过程中担任了重要角色。

　　1、3D打印技术的基本概念

　　3D打印技术跟传统的加工不一样, 传统为减材加工和模具加工, 3D打印是通过增材快速成型的加工方式。3D打印加工方式比减材加工方式和模具加工方式更节省原材料和更节省时间和成本[7-8]。3D打印技术在3D数字模型文件的基础上, 把可粘合粉末状金属材料或可粘合粉末状塑料材料, 一层一层地打印增加构造物体。3D打印是根据3D数字模型用分层加工和叠加成型的方式来进行分层切片操作, 对每层切片再进行加工, 最终叠加成实体的3D产品。

　　1.1、核心技术

　　(1) 3D建模技术:3D建模是在计算机上操作3D软件设计出新产品, 其中包括其外形、结构、色彩、质感等;

　　(2) 3D扫描技术:对3D物体扫描采集, 利用计算机视觉、图形学, 模式识别与智能系统, 光电控制系统等一系列工具来获得准确的3D建模数据;

　　(3) 3D打印成型技术:在3D模型数据的基础上, 用3D打印机将物体材料进行一层一层的打印, 最终成型。

　　前两项技术3D建模和3D扫描, 获取物体前期的3D建模数据, 数据的电脑存储格式为STL格式, STL格式是CAD/CAM的一种标准文件格式;第三项技术则是运用前两项技术获取的3D建模数据来进行物体的打印成型[10]。

　　1.2、基本原理

　　3D打印的主要思路是先物体离散再物体堆积, 首先我们对零部件进行数据建模, 其次用计算机3D软件把模型切分, 进而得到物体每个切面的轮廓形状, 最后3D打印机将物体材料进行一层一层的打印, 最终成型, 这就是3D打印的基本原理[11]。在3D打印过程中, 由于3D打印成型的方法很多, 不同材料和不同生产有着不同成型原理和要求, 这是3D打印技术在汽车制造生产部分和维修部分所使用和研究的内容[12]。如图1所示为物体3D打印成型基本流程。

图1 物体3D打印成型基本流程

　　2、3D数据建模

　　3D打印最基础的环节是3D数据建模, 建立3D数字模型的方法有:计算机3D软件和物体扫描成型[13]。通过计算机3D软件完成汽车的设计内容, 通常, 计算机3D软件有Auto CAD、Pro/Engineer、Maya等, 每个行业都有每个行业各个的软件, 汽车行业使用的行业专用计算机3D软件是CATIA, 欧洲汽车行业将该软件定为行业标准软件, 包括有奔驰、宝马、克莱斯勒和国产长安、奇瑞等汽车企业均使用该软件。扫描技术也可以帮助汽车维修部门对零部件进行数据建模, 生产简单的零部件。3D模型建立后还可以美化该模型, 如设计部门结合多方面的数据分析要求, 对汽车仪表台的外观进行美化, 修改出外观好看的仪表台。有了美化过后的模型下一步就能进行3D打印[14]。目前市场上主流的3D打印技术有FDM、DP、SLA、SLS等, 这些技术的在使用的原材料方面和固态成型方面的方法与之其他的方法不同。

　　2.1、切片处理技术

　　3D打印最核心的技术是切片处理技术, 所谓切片技术就是沿着一定方向的轴将3D数字模型切割分成二维平面, 继而得到连续不断的二维平面数据, 3D打印技术就是用加工平面的方式, 根据每个平面的加工工艺连续加工出每个切面。分析可得, 切片处理技术是3D打印成型过程需要重视细心的一个环节, 严格控制每一个分层的切片, 从而保证每个产品整体的质量。

　　市场上使用范围广的切片软件有以下两种, 第一种是软件爱好者推荐的, 比如Cura和Miracl Grue等;第二种是打印机生产商生产推荐的, 比如Quick Cast和Rapid Tool等。切片软件有两方面的功能, 一是切片功能;二是打印功能。使用切片处理软件将CAD文件进行处理整合出Gcode控制文件, Gcode控制文件既能被3D打印机识别, 又能控制打印机完整地完成操作指令[15]。

　　2.2、打印成型技术

　　3D打印最核心、最关键的技术部分是打印成型技术, 一个打印出来的产品质量完全取决于打印成型技术, 所以重视每一层的打印的情况。目前, 市场上主流的打印成型技术有以下几种:熔融沉积成型 (FDM) 、三维打印黏结成型 (3DP) 、选择性激光烧结技术 (SLS) 、直接金属粉末激光烧结技术 (DMLS) 。

　　以上几种3D打印技术中, 熔融沉积成型技术打印机简单、成本低廉、打印速度快和能打印成型尺寸大, 适用范围广, 既适用于桌面级工业产品使用, 又适用与低精度工业产品。介绍一下FDM的工作原理, 将热塑性材料加热融化, 用一定的压力使融化过后的材料通过喷头的喷嘴喷出, 移动喷头使材料迅速形成一层, 一层打印完喷头移动到下一层继续打印, 将材料熔结在刚打印完的一层, 一层继一层打印出一个实体。

　　3、3D打印的应用案例

　　在汽车行业, 3D打印技术的发展前景很好, 3D打印技术能很好解决高端车、进口车存在着配件供应短缺、维修不及时、维修成本昂贵等一系列问题和有些已停止生产的老旧车型也存在配件停产的原因导致不能更换等问题。下面本文将着重介绍3D打印技术是如何在汽车行业进行应用的。

　　3.1、3D数据建模

　　获取汽车零部件的3D模型的方式有两种:一是从生产厂家获取;二是通过扫描实物的方式获取。汽车维修厂家很难直接从汽车生产厂家获取3D数字模型, 所以汽车维修厂家一般采取第二种方式—扫描实物。目前, 市场主流的3D扫描仪有两种:接触式扫描和非接触式扫描。其中非接触式扫描方式又有两种:一种是光栅扫描或者拍照扫描, 二是激光扫描。再进一步细分, 拍照扫描有白光或蓝光扫描, 激光扫描分为点激光、线激光、面激光扫描。

　　因为拍照扫描极为简单, 性价比高。非触摸式3D扫描仪扫描的方式跟照相机拍摄照片原理有点相似。目前全球最先进的为光非接触照相测量, 它能快速扫描, 扫描精度高, 汽车维修厂家可以根据自身需求调整测量范围, 无论是扫描小型零件扫描或者汽车整体车身扫描出来的模型都很完美, 性价比很高。

　　3.2、3D数据打印

　　汽车后视镜制作材料一般采用高分子ABS材料, 因为后视镜对材料、精度、表面粗糙度要求不高, 所以根据要求本文在设计过程中首先选择的是FDM打印成型方式打印汽车后视镜, 根据产品性价比优势使用广州网能产品设计有限公司型号为FDM50-50503DFDM打印机。

　　汽车在维修过程中需要ABS部件3D打印机拥有高精度、高效率及低成本的特点。更重要的一点, 在3D打印结束后成型的产品无法直接使用, 还需要后期抛光、喷漆、电镀等一系列处理加工, 这则与采用传统生产加工零件的方式相同。

　　4、结语

　　3D打印技术能够熟练应用于汽车零部件制造方面。除此之外, 3D打印新兴技术的应用情景远远不止这些, 如汽车结构设计、外观造型设计、内饰功能体验计、整体车型设计等汽车设计, 目前3D打印技术在这些方面的应用文献和研究很少, 这一空白领域需要大量填充和探索, 无疑对以后汽车制造行业的发展有着很大的帮助。

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