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                        汽車零部件設計制作中3D打印技術的應用

                        添加時間:2018/07/11 來源:未知 作者:admin
                        3D打印技術是最近發展成型的技術, 它的特點高效快速, 應用成熟廣泛, 其應用的范圍有航空航天、工業零件、電子電路等各個領域。在汽車行業有以下兩個方面:第一方面是在汽車研發部門的研發;第二方面是在汽車售后部門的維修。
                        以下為本篇論文正文:

                          摘要:近幾年中國汽車數量增多, 市場保有量也同步上升, 汽車制造企業增加, 汽車行業競爭激烈。在競爭如此激烈的情況下, 汽車企業需要用高效的汽車生產率、較低的生產成本等具有競爭力的方式來吸引消費者。所以, 第一臺3D打印汽車應運而生, 它打破傳統汽車生產方式, 提供出新的生產方式。3D打印技術以其低成本、高效率, 在加工過程中不需要模具的一種相對簡單的生產方式進入人們的視線。本文將根據3D打印技術在汽車生產上的應用, 介紹了其基本概念, 講解了運用3D建模進行切片技術和汽車3D打印成型技術, 用已有FDM技術, 根據其成型技術全面分析了汽車零部件3D打印。

                          關鍵詞:3D打印; 汽車; 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世紀, 中國汽車行業發展迅速, 隨著市場保有量上升, 市場接近飽和狀態, 汽車行業的競爭也越來越激烈, 汽車廠家的發展模式也開始發生變化, 慢慢向細分模式方向發展[1-2]。在競爭如此激烈的情況下, 汽車廠家從研發、設計、生產、銷售、服務和維修等各個方面進行綜合細化考慮, 如何提高生產率降低生產成本, 如何使產品換代升級快速適應市場, 如何使用低成本生產高質量和安全舒適的產品及節能環保。

                          3D打印技術是最近發展成型的技術, 它的特點高效快速, 應用成熟廣泛, 其應用的范圍有航空航天、工業零件、電子電路等各個領域[3]。在汽車行業有以下兩個方面:第一方面是在汽車研發部門的研發[4];第二方面是在汽車售后部門的維修。汽車新產品的研發階段, 根據新產品的要求需要對汽車某些零部件進行重新設計, 傳統生產零部件的方式是先開發出樣品模具, 再根據樣品進行批量生產, 這種傳統的生產模式存在前期試制環節多、周期長、研發成本高等問題[5];汽車的售后維修, 有一部分高端車、進口車存在著配件供應短缺、維修不及時、維修成本昂貴等一系列問題;同時有些已停止生產的老舊車型也存在配件停產的原因導致不能更換等問題[6]。3D打印技術的應用能夠完美地處理好以上所有問題, 勢必在汽車產業的發展過程中擔任了重要角色。

                          1、3D打印技術的基本概念

                          3D打印技術跟傳統的加工不一樣, 傳統為減材加工和模具加工, 3D打印是通過增材快速成型的加工方式。3D打印加工方式比減材加工方式和模具加工方式更節省原材料和更節省時間和成本[7-8]。3D打印技術在3D數字模型文件的基礎上, 把可粘合粉末狀金屬材料或可粘合粉末狀塑料材料, 一層一層地打印增加構造物體。3D打印是根據3D數字模型用分層加工和疊加成型的方式來進行分層切片操作, 對每層切片再進行加工, 最終疊加成實體的3D產品。

                          1.1、核心技術

                          (1) 3D建模技術:3D建模是在計算機上操作3D軟件設計出新產品, 其中包括其外形、結構、色彩、質感等;

                          (2) 3D掃描技術:對3D物體掃描采集, 利用計算機視覺、圖形學, 模式識別與智能系統, 光電控制系統等一系列工具來獲得準確的3D建模數據;

                          (3) 3D打印成型技術:在3D模型數據的基礎上, 用3D打印機將物體材料進行一層一層的打印, 最終成型。

                          前兩項技術3D建模和3D掃描, 獲取物體前期的3D建模數據, 數據的電腦存儲格式為STL格式, STL格式是CAD/CAM的一種標準文件格式;第三項技術則是運用前兩項技術獲取的3D建模數據來進行物體的打印成型[10]。

                          1.2、基本原理

                          3D打印的主要思路是先物體離散再物體堆積, 首先我們對零部件進行數據建模, 其次用計算機3D軟件把模型切分, 進而得到物體每個切面的輪廓形狀, 最后3D打印機將物體材料進行一層一層的打印, 最終成型, 這就是3D打印的基本原理[11]。在3D打印過程中, 由于3D打印成型的方法很多, 不同材料和不同生產有著不同成型原理和要求, 這是3D打印技術在汽車制造生產部分和維修部分所使用和研究的內容[12]。如圖1所示為物體3D打印成型基本流程。

                        圖1 物體3D打印成型基本流程
                        圖1 物體3D打印成型基本流程

                          2、3D數據建模

                          3D打印最基礎的環節是3D數據建模, 建立3D數字模型的方法有:計算機3D軟件和物體掃描成型[13]。通過計算機3D軟件完成汽車的設計內容, 通常, 計算機3D軟件有Auto CAD、Pro/Engineer、Maya等, 每個行業都有每個行業各個的軟件, 汽車行業使用的行業專用計算機3D軟件是CATIA, 歐洲汽車行業將該軟件定為行業標準軟件, 包括有奔馳、寶馬、克萊斯勒和國產長安、奇瑞等汽車企業均使用該軟件。掃描技術也可以幫助汽車維修部門對零部件進行數據建模, 生產簡單的零部件。3D模型建立后還可以美化該模型, 如設計部門結合多方面的數據分析要求, 對汽車儀表臺的外觀進行美化, 修改出外觀好看的儀表臺。有了美化過后的模型下一步就能進行3D打印[14]。目前市場上主流的3D打印技術有FDM、DP、SLA、SLS等, 這些技術的在使用的原材料方面和固態成型方面的方法與之其他的方法不同。

                          2.1、切片處理技術

                          3D打印最核心的技術是切片處理技術, 所謂切片技術就是沿著一定方向的軸將3D數字模型切割分成二維平面, 繼而得到連續不斷的二維平面數據, 3D打印技術就是用加工平面的方式, 根據每個平面的加工工藝連續加工出每個切面。分析可得, 切片處理技術是3D打印成型過程需要重視細心的一個環節, 嚴格控制每一個分層的切片, 從而保證每個產品整體的質量。

                          市場上使用范圍廣的切片軟件有以下兩種, 第一種是軟件愛好者推薦的, 比如Cura和Miracl Grue等;第二種是打印機生產商生產推薦的, 比如Quick Cast和Rapid Tool等。切片軟件有兩方面的功能, 一是切片功能;二是打印功能。使用切片處理軟件將CAD文件進行處理整合出Gcode控制文件, Gcode控制文件既能被3D打印機識別, 又能控制打印機完整地完成操作指令[15]。

                          2.2、打印成型技術

                          3D打印最核心、最關鍵的技術部分是打印成型技術, 一個打印出來的產品質量完全取決于打印成型技術, 所以重視每一層的打印的情況。目前, 市場上主流的打印成型技術有以下幾種:熔融沉積成型 (FDM) 、三維打印黏結成型 (3DP) 、選擇性激光燒結技術 (SLS) 、直接金屬粉末激光燒結技術 (DMLS) 。

                          以上幾種3D打印技術中, 熔融沉積成型技術打印機簡單、成本低廉、打印速度快和能打印成型尺寸大, 適用范圍廣, 既適用于桌面級工業產品使用, 又適用與低精度工業產品。介紹一下FDM的工作原理, 將熱塑性材料加熱融化, 用一定的壓力使融化過后的材料通過噴頭的噴嘴噴出, 移動噴頭使材料迅速形成一層, 一層打印完噴頭移動到下一層繼續打印, 將材料熔結在剛打印完的一層, 一層繼一層打印出一個實體。

                          3、3D打印的應用案例

                          在汽車行業, 3D打印技術的發展前景很好, 3D打印技術能很好解決高端車、進口車存在著配件供應短缺、維修不及時、維修成本昂貴等一系列問題和有些已停止生產的老舊車型也存在配件停產的原因導致不能更換等問題。下面本文將著重介紹3D打印技術是如何在汽車行業進行應用的。

                          3.1、3D數據建模

                          獲取汽車零部件的3D模型的方式有兩種:一是從生產廠家獲取;二是通過掃描實物的方式獲取。汽車維修廠家很難直接從汽車生產廠家獲取3D數字模型, 所以汽車維修廠家一般采取第二種方式—掃描實物。目前, 市場主流的3D掃描儀有兩種:接觸式掃描和非接觸式掃描。其中非接觸式掃描方式又有兩種:一種是光柵掃描或者拍照掃描, 二是激光掃描。再進一步細分, 拍照掃描有白光或藍光掃描, 激光掃描分為點激光、線激光、面激光掃描。

                          因為拍照掃描極為簡單, 性價比高。非觸摸式3D掃描儀掃描的方式跟照相機拍攝照片原理有點相似。目前全球最先進的為光非接觸照相測量, 它能快速掃描, 掃描精度高, 汽車維修廠家可以根據自身需求調整測量范圍, 無論是掃描小型零件掃描或者汽車整體車身掃描出來的模型都很完美, 性價比很高。

                          3.2、3D數據打印

                          汽車后視鏡制作材料一般采用高分子ABS材料, 因為后視鏡對材料、精度、表面粗糙度要求不高, 所以根據要求本文在設計過程中首先選擇的是FDM打印成型方式打印汽車后視鏡, 根據產品性價比優勢使用廣州網能產品設計有限公司型號為FDM50-50503DFDM打印機。

                          汽車在維修過程中需要ABS部件3D打印機擁有高精度、高效率及低成本的特點。更重要的一點, 在3D打印結束后成型的產品無法直接使用, 還需要后期拋光、噴漆、電鍍等一系列處理加工, 這則與采用傳統生產加工零件的方式相同。

                          4、結語

                          3D打印技術能夠熟練應用于汽車零部件制造方面。除此之外, 3D打印新興技術的應用情景遠遠不止這些, 如汽車結構設計、外觀造型設計、內飾功能體驗計、整體車型設計等汽車設計, 目前3D打印技術在這些方面的應用文獻和研究很少, 這一空白領域需要大量填充和探索, 無疑對以后汽車制造行業的發展有著很大的幫助。

                          參考文獻
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