基于FDM的汽車(chē)維修工具3D打印技術(shù)研究

葉 園，陳曉航

（武漢商學(xué)院，武漢 430056）

基于FDM的汽車(chē)維修工具3D打印技術(shù)研究

葉 園1，陳曉航2

（武漢商學(xué)院，武漢 430056）

隨著智能制造、控制技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展和提升，3D打印技術(shù)也被推向了一個(gè)更加廣闊的研究平臺(tái)。對(duì)3D打印技術(shù)在汽車(chē)維修中的應(yīng)用研究，正逐步向智能化、便捷化、通用化、個(gè)性化定制等多角度進(jìn)行。本文對(duì)3D打印技術(shù)中的一種成型技術(shù)-----FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）在汽車(chē)維修工具中的應(yīng)用進(jìn)行了一定程度上的探索及研究，目的是如何能最有效地利用3D打印技術(shù)，從而為汽車(chē)維修行業(yè)服務(wù)。

FDM；3D打印技術(shù)；汽車(chē)維修工具

0 引言

3 D打印技術(shù)以其生產(chǎn)方式簡(jiǎn)單、打印時(shí)間短、相對(duì)陳本低、主動(dòng)性和靈活性強(qiáng)、高效率、產(chǎn)品千變?nèi)f化等特點(diǎn)迅速進(jìn)入人們的視線，汽車(chē)行業(yè)也開(kāi)始考慮如何充分利用其特點(diǎn)、發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，通過(guò)智能化和數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，使之為汽車(chē)維修行業(yè)帶來(lái)更高的生產(chǎn)效率和更大的發(fā)展空間。

1 3D打印技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)中的研究現(xiàn)狀

目前，3D打印技術(shù)在學(xué)術(shù)界更多的研究重點(diǎn)被放在對(duì)3D打印計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)、新材料研制、3D打印機(jī)性能研發(fā)等方面。在汽車(chē)行業(yè)中，有3D打印技術(shù)對(duì)汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、汽車(chē)流水線生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低等方面的研究，但是在對(duì)于汽車(chē)外部造型設(shè)計(jì)美學(xué)、汽車(chē)內(nèi)飾體驗(yàn)設(shè)計(jì)、智能化交互汽車(chē)設(shè)計(jì)、汽車(chē)制造、汽車(chē)維修等方面的科研成果和文獻(xiàn)很少，更缺少系統(tǒng)的理論研究和內(nèi)容框架。

2 3D打印技術(shù)的分類(lèi)

3 D打印包括數(shù)字設(shè)計(jì)建模、切片處理、打印成型、打印后處理等步驟。其中，成型技術(shù)是3D打印技術(shù)中是最關(guān)鍵的部分，成型技術(shù)的優(yōu)劣直接影響著打印產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。目前，成型技術(shù)分為四種，分別為FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）、3DP（3Three Dimension Printing，3D噴射打印成型）、SLS （Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）及DMLS （ Dirce Metal Laser Sintering直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)）。

FDM成型技術(shù)由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ΑBS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周?chē)牟牧夏Y(jié)。

3 DP成型技術(shù)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人于1989年研制成功。3DP成型技術(shù)與SLS成型技術(shù)類(lèi)似，都是采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的，而是通過(guò)噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面而連接起來(lái)的。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，因此還須后處理。

SLS成型技術(shù)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Deckard于1989年研制成功。SLS的加工過(guò)程是采用鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。

3 基于FDM的汽車(chē)維修工具的3D打印

3.1 FDM的工作原理

FDM的工作原理是：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來(lái)，有選擇性的涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層“畫(huà)出”截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成整個(gè)實(shí)體。

3.2 基于FDM的汽車(chē)維修工具的3D打印步驟

在汽車(chē)維修中，經(jīng)常需要用到各種各樣的工具，但購(gòu)買(mǎi)的工具存在無(wú)法滿(mǎn)足某些零部件的特殊要求的情況，因此，我們可以利用3D打印技術(shù)，打印出滿(mǎn)足特殊需求的汽車(chē)維修工具。

下面以維修工具——扳手的打印為例，討論3D打印技術(shù)在汽車(chē)維修中的應(yīng)用方法?；贔DM的3D打印過(guò)程包括三維模型設(shè)計(jì)、切片處理、打印機(jī)參數(shù)的確定，實(shí)施打印及打印后的產(chǎn)品后處理等步驟。

3.2.1 三維模型設(shè)計(jì)

采用三維繪圖軟件Solidworks對(duì)扳手進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的扳手如圖1所示。

3.2.2 切片處理

進(jìn)一步觀察圖2不難發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出站及換乘客流時(shí)變特征存在差異. 以東直門(mén)站為例，3月5日早高峰出站、換乘客流均大于晚高峰，且換乘客流峰值均大于出站客流；早高峰進(jìn)站客流小于晚高峰. 此差異與客流潮汐現(xiàn)象有關(guān)，東直門(mén)站附近用地類(lèi)型以商業(yè)區(qū)為主，屬于就業(yè)型區(qū)域，住宅區(qū)較少. 因此在早高峰，東直門(mén)是主要的出行吸引點(diǎn)，發(fā)生量明顯小于吸引量.

將設(shè)計(jì)好的三維模型轉(zhuǎn)換成STL文件格式，然后使用軟件Cura（Cura是一款智能的前端顯示、調(diào)整大小、切片和打印的軟件）對(duì)三維模型文件進(jìn)行切片，如圖2所示。

其中，圖2中包含的基本設(shè)置有：層厚0.2mm、壁厚0.8 mm、底部/頂部厚度0.8 mm、填充率20%、打印速度50 mm/s、噴嘴溫度220℃、熱床溫度70℃、耗材直徑1.75 mm、流量100%；圖2中包含的高級(jí)設(shè)置有：噴嘴直徑0.4 mm、反轉(zhuǎn)速度40 mm/s、反轉(zhuǎn)長(zhǎng)度4.5 mm/s、初始層高度0.3 mm、初始層線寬比例100%、切除底部0 mm、移動(dòng)速度120 mm/s、底層打印速度20mm/s、層最小打印時(shí)間5sec等。

3.2.3 打印機(jī)參數(shù)的確定

打印機(jī)型號(hào)：森工MakerPi（創(chuàng)新派）系列；打印機(jī)參數(shù)包括：打印尺寸：200*200*300mm；打印層厚：0.05—0.3mm；打印材料：PLΑ/ΑBS/PHΑ/HIPS/PETG等；噴嘴直徑：0.4 mm；成型精度：±0.1—0.3mm；XY軸定位精度：0.0128 mm；Z軸定位精度：0.0025 mm；噴頭溫度：≤250℃；熱床溫度：≤120℃；ΑC輸入：200—240V 4.0Α/100—140V 7.0Α等。

3.2.4 打印

切片處理完成后，Cura軟件導(dǎo)出能被3D打印機(jī)識(shí)別的Gcode控制文件，將這個(gè)文件輸入到3D打印機(jī)中，3D打印機(jī)主板里固化的軟件開(kāi)始讀取文件，并控制逐層打印，如圖3所示。

3.2.5 打印后處理

使用FDM成型技術(shù)打印出的產(chǎn)品無(wú)法直接使用，需進(jìn)行一定的后處理工作，包括拋光、噴漆、電鍍等。處理后成型的扳手如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以扳手這個(gè)汽車(chē)維修工具為例，根據(jù)3D打印技術(shù)中FDM成型技術(shù)的的特點(diǎn)及步驟，按照三維模型設(shè)計(jì)、切片處理、打印參數(shù)的確定，實(shí)施打印及打印后處理等步驟進(jìn)行了試驗(yàn)生產(chǎn)，生產(chǎn)結(jié)果表明，基于FDM的3D打印技術(shù)打印出的汽車(chē)維修工具可滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

［1］吳懷宇.3D打印∶三維智能數(shù)字化創(chuàng)造［M］.北京∶電子工業(yè)出版社，2014∶17.

［2］王菊霞.3D打印技術(shù)在汽車(chē)制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究［D］.吉林大學(xué)，2014.

［3］谷祖威.3D打印技術(shù)對(duì)汽車(chē)零部件制造業(yè)的影響［J］.現(xiàn)代零部件，2013（09）∶68-69.

項(xiàng)目來(lái)源：武漢商學(xué)院2015年度校級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目《3D打印技術(shù)在汽車(chē)維修中的應(yīng)用研究》（2015KY009）

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.193

葉園（1983-），女，湖北武漢人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車(chē)服務(wù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子技術(shù)、通信工程、自動(dòng)化控制。