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

　　關(guān)鍵詞：3D打印; 汽車(chē); 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(chē)行業(yè)發(fā)展迅速, 隨著(zhù)市場(chǎng)保有量上升, 市場(chǎng)接近飽和狀態(tài), 汽車(chē)行業(yè)的競爭也越來(lái)越激烈, 汽車(chē)廠(chǎng)家的發(fā)展模式也開(kāi)始發(fā)生變化, 慢慢向細分模式方向發(fā)展[1-2]。在競爭如此激烈的情況下, 汽車(chē)廠(chǎng)家從研發(fā)、設計、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、服務(wù)和維修等各個(gè)方面進(jìn)行綜合細化考慮, 如何提高生產(chǎn)率降低生產(chǎn)成本, 如何使產(chǎn)品換代升級快速適應市場(chǎng), 如何使用低成本生產(chǎn)高質(zhì)量和安全舒適的產(chǎn)品及節能環(huán)保。

　　3D打印技術(shù)是最近發(fā)展成型的技術(shù), 它的特點(diǎn)高效快速, 應用成熟廣泛, 其應用的范圍有航空航天、工業(yè)零件、電子電路等各個(gè)領(lǐng)域[3]。在汽車(chē)行業(yè)有以下兩個(gè)方面:第一方面是在汽車(chē)研發(fā)部門(mén)的研發(fā)[4];第二方面是在汽車(chē)售后部門(mén)的維修。汽車(chē)新產(chǎn)品的研發(fā)階段, 根據新產(chǎn)品的要求需要對汽車(chē)某些零部件進(jìn)行重新設計, 傳統生產(chǎn)零部件的方式是先開(kāi)發(fā)出樣品模具, 再根據樣品進(jìn)行批量生產(chǎn), 這種傳統的生產(chǎn)模式存在前期試制環(huán)節多、周期長(cháng)、研發(fā)成本高等問(wèn)題[5];汽車(chē)的售后維修, 有一部分高端車(chē)、進(jìn)口車(chē)存在著(zhù)配件供應短缺、維修不及時(shí)、維修成本昂貴等一系列問(wèn)題;同時(shí)有些已停止生產(chǎn)的老舊車(chē)型也存在配件停產(chǎn)的原因導致不能更換等問(wèn)題[6]。3D打印技術(shù)的應用能夠完美地處理好以上所有問(wèn)題, 勢必在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中擔任了重要角色。

　　1、3D打印技術(shù)的基本概念

　　3D打印技術(shù)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(guò)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(shí)間和成本[7-8]。3D打印技術(shù)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(lái)進(jìn)行分層切片操作, 對每層切片再進(jìn)行加工, 最終疊加成實(shí)體的3D產(chǎn)品。

　　1.1、核心技術(shù)

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

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

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

　　前兩項技術(shù)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(shù)則是運用前兩項技術(shù)獲取的3D建模數據來(lái)進(jìn)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(jìn)行數據建模, 其次用計算機3D軟件把模型切分, 進(jìn)而得到物體每個(gè)切面的輪廓形狀, 最后3D打印機將物體材料進(jìn)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(guò)程中, 由于3D打印成型的方法很多, 不同材料和不同生產(chǎn)有著(zhù)不同成型原理和要求, 這是3D打印技術(shù)在汽車(chē)制造生產(chǎn)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

　　2、3D數據建模

　　3D打印最基礎的環(huán)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(guò)計算機3D軟件完成汽車(chē)的設計內容, 通常, 計算機3D軟件有Auto CAD、Pro/Engineer、Maya等, 每個(gè)行業(yè)都有每個(gè)行業(yè)各個(gè)的軟件, 汽車(chē)行業(yè)使用的行業(yè)專(zhuān)用計算機3D軟件是CATIA, 歐洲汽車(chē)行業(yè)將該軟件定為行業(yè)標準軟件, 包括有奔馳、寶馬、克萊斯勒和國產(chǎn)長(cháng)安、奇瑞等汽車(chē)企業(yè)均使用該軟件。掃描技術(shù)也可以幫助汽車(chē)維修部門(mén)對零部件進(jìn)行數據建模, 生產(chǎn)簡(jiǎn)單的零部件。3D模型建立后還可以美化該模型, 如設計部門(mén)結合多方面的數據分析要求, 對汽車(chē)儀表臺的外觀(guān)進(jìn)行美化, 修改出外觀(guān)好看的儀表臺。有了美化過(guò)后的模型下一步就能進(jìn)行3D打印[14]。目前市場(chǎng)上主流的3D打印技術(shù)有FDM、DP、SLA、SLS等, 這些技術(shù)的在使用的原材料方面和固態(tài)成型方面的方法與之其他的方法不同。

　　2.1、切片處理技術(shù)

　　3D打印最核心的技術(shù)是切片處理技術(shù), 所謂切片技術(shù)就是沿著(zhù)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(shù)就是用加工平面的方式, 根據每個(gè)平面的加工工藝連續加工出每個(gè)切面。分析可得, 切片處理技術(shù)是3D打印成型過(guò)程需要重視細心的一個(gè)環(huán)節, 嚴格控制每一個(gè)分層的切片, 從而保證每個(gè)產(chǎn)品整體的質(zhì)量。

　　市場(chǎng)上使用范圍廣的切片軟件有以下兩種, 第一種是軟件愛(ài)好者推薦的, 比如Cura和Miracl Grue等;第二種是打印機生產(chǎn)商生產(chǎn)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(jìn)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(shù)

　　3D打印最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)部分是打印成型技術(shù), 一個(gè)打印出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量完全取決于打印成型技術(shù), 所以重視每一層的打印的情況。目前, 市場(chǎng)上主流的打印成型技術(shù)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(shù) (SLS) 、直接金屬粉末激光燒結技術(shù) (DMLS) 。

　　以上幾種3D打印技術(shù)中, 熔融沉積成型技術(shù)打印機簡(jiǎn)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(yè)產(chǎn)品使用, 又適用與低精度工業(yè)產(chǎn)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(guò)后的材料通過(guò)噴頭的噴嘴噴出, 移動(dòng)噴頭使材料迅速形成一層, 一層打印完噴頭移動(dòng)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(gè)實(shí)體。

　　3、3D打印的應用案例

　　在汽車(chē)行業(yè), 3D打印技術(shù)的發(fā)展前景很好, 3D打印技術(shù)能很好解決高端車(chē)、進(jìn)口車(chē)存在著(zhù)配件供應短缺、維修不及時(shí)、維修成本昂貴等一系列問(wèn)題和有些已停止生產(chǎn)的老舊車(chē)型也存在配件停產(chǎn)的原因導致不能更換等問(wèn)題。下面本文將著(zhù)重介紹3D打印技術(shù)是如何在汽車(chē)行業(yè)進(jìn)行應用的。

　　3.1、3D數據建模

　　獲取汽車(chē)零部件的3D模型的方式有兩種:一是從生產(chǎn)廠(chǎng)家獲取;二是通過(guò)掃描實(shí)物的方式獲取。汽車(chē)維修廠(chǎng)家很難直接從汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家獲取3D數字模型, 所以汽車(chē)維修廠(chǎng)家一般采取第二種方式—掃描實(shí)物。目前, 市場(chǎng)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(jìn)一步細分, 拍照掃描有白光或藍光掃描, 激光掃描分為點(diǎn)激光、線(xiàn)激光、面激光掃描。

　　因為拍照掃描極為簡(jiǎn)單, 性?xún)r(jià)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(diǎn)相似。目前全球最先進(jìn)的為光非接觸照相測量, 它能快速掃描, 掃描精度高, 汽車(chē)維修廠(chǎng)家可以根據自身需求調整測量范圍, 無(wú)論是掃描小型零件掃描或者汽車(chē)整體車(chē)身掃描出來(lái)的模型都很完美, 性?xún)r(jià)比很高。

　　3.2、3D數據打印

　　汽車(chē)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(guò)程中首先選擇的是FDM打印成型方式打印汽車(chē)后視鏡, 根據產(chǎn)品性?xún)r(jià)比優(yōu)勢使用廣州網(wǎng)能產(chǎn)品設計有限公司型號為FDM50-50503DFDM打印機。

　　汽車(chē)在維修過(guò)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(diǎn)。更重要的一點(diǎn), 在3D打印結束后成型的產(chǎn)品無(wú)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(chǎn)加工零件的方式相同。

　　4、結語(yǔ)

　　3D打印技術(shù)能夠熟練應用于汽車(chē)零部件制造方面。除此之外, 3D打印新興技術(shù)的應用情景遠遠不止這些, 如汽車(chē)結構設計、外觀(guān)造型設計、內飾功能體驗計、整體車(chē)型設計等汽車(chē)設計, 目前3D打印技術(shù)在這些方面的應用文獻和研究很少, 這一空白領(lǐng)域需要大量填充和探索, 無(wú)疑對以后汽車(chē)制造行業(yè)的發(fā)展有著(zhù)很大的幫助。

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