3D打印技術(shù)在樣車試制車身焊接模板中的應(yīng)用

周秀梅 高志剛 張灝辰

上汽通用汽車有限公司 上海市 201201

1 引言

電阻點焊技術(shù)以其高效率、低成本、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件的連接中，正常情況下一個汽車白車身約有3000～5000個焊點。電阻焊完成90%的車身裝配，屬于車身裝配中最重要的方式，焊點的質(zhì)量直接影響整車裝配和車身的強度，甚至影響車輛的行駛安全性能[1-2]。焊點位置偏差是焊點質(zhì)量不可接受的一種失效模式，因此焊點位置的過程質(zhì)量控制尤為重要。所謂焊點位置偏差是指實際焊點位置超出設(shè)計位置規(guī)定值。在汽車量產(chǎn)車身車間，是通過自動化生產(chǎn)線機器人焊接來精準保證焊點位置符合設(shè)計要求。而在汽車量產(chǎn)之前，小批量制造各種車型試驗用車、驗證各零件設(shè)計與工藝設(shè)計的樣車試制車身車間，多考慮低成本高柔性設(shè)備工具投入，一般采用人工使用手動焊槍焊接方式，通過目視工藝文件獲取焊點所處區(qū)域的特征來大致確定實物鈑金上的焊點位置，或者利用簡易的定位工具確定焊點位置并用記號筆標記，然后取下定位工具進行人工焊接，來保證焊點位置的合理性?？紤]樣車試制車身車間焊接定位模板的需求特點，本文引入具有高效、經(jīng)濟、簡便特點的3D打印成形技術(shù)來開發(fā)制造，以達到短周期、低成本、高強度高精度完成模板制作的目的。

2 傳統(tǒng)的試制車身焊接定位工具

樣車試制車身車間，傳統(tǒng)的焊接模板有紙質(zhì)或塑膠材質(zhì)打印模板、激光切割鈑金模板兩種。紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板，如圖1所示，主要是通過UG提取焊接面并在焊點處創(chuàng)建孔特征，然后展平三維焊接面形成二維平面圖再利用打印機打印，手工裁剪、開孔與拼接等處理，現(xiàn)場使用需多人手持平鋪固定在鈑金上。紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板本身強度低，不易固定，使用不便；激光切割的鈑金模板，如圖2所示，主要是通過激光切割的方式來對一套實物零件進行剪裁，剪裁出的特征包括模板定位邊界與焊點定位孔特征，現(xiàn)場使用大力鉗加緊固定至車身上。激光切割制作的鈑金模板，全型面貼合實際鈑金，精度高、強度可靠，但成本也較高，且開發(fā)周期長。

圖1 紙質(zhì)塑封打印的定位模板

圖2 激光切割制作的鈑金模板

3 3D打印技術(shù)在試制車身焊接定位模板中的應(yīng)用

3D 打印是新興且快速發(fā)展的一種技術(shù)，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，“加法”式制造模式，在設(shè)備尺寸允許的條件下，可進行多個部件同時加工，具備材料利用率高、開發(fā)成本低、制作精度高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，尤其適用于小批量產(chǎn)品生產(chǎn)[3]。以Stratasys公司的型號為Fortus 450mc的3D打印機為例 ，設(shè)備能支持大多數(shù)的數(shù)模格式導(dǎo)入，兼容性能較好。3D打印使用材料可選用ABS、尼龍等工程塑料，成本約為3.5元/克，打印尺寸精度能達到約0.127mm，以50mm*50mm*50mm的打印模型為例，所花費的打印時長只需大約4小時。

在樣車試制階段，車型項目多，生產(chǎn)批量小，且在造車過程中，工程變更多，需求快速響應(yīng)，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢恰好與試制車身焊接定位模板的開發(fā)需求相契合。利用3D打印技術(shù)開發(fā)焊接定位模板，周期短、精度高，強度好，相對紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板穩(wěn)定可靠，相對激光切割制作的鈑金模板成本低。3D打印完成的焊接模板，通過軟磁條固定至車身上，一側(cè)靠粘膠連模板，一側(cè)靠磁性吸附車身，人工操作便捷性大大提升。

3D打印技術(shù)開發(fā)試制車身焊接定位模板過程主要包含五步工作：準備待開發(fā)焊接定位模板的數(shù)據(jù)、模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、利用3D打印機選用合適的材料進行1：1打印、粘結(jié)軟磁條、現(xiàn)場使用驗證。

在整個定位模板開發(fā)過程中，模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)尤為重要，設(shè)計的合理性直接影響使用過程中的定位精準性與使用便捷性。試制車身焊定位模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖3所示。焊接模板結(jié)構(gòu)設(shè)計在UG軟件中進行，定位基準依靠鈑金的邊界與型面，具體設(shè)計說明如下：

圖3 焊接模板結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

1、抽取焊接模板基準面與焊點數(shù)模。可利用wave geometry linker命令，基于待開發(fā)焊接模板的連接零件，來確定抽取焊點數(shù)模，同時考慮實際焊接操作時，零件在定位工裝上的擺放姿態(tài)與焊點標記位置，來確定抽取鈑金面作為模板開發(fā)基準面，提取后的基準面為片體。

2、在模板基準面上有焊點的位置創(chuàng)建特征孔?？墒褂胔ole命令，具體以焊點為圓心，設(shè)置合理的直徑（綜合考慮記號筆標記與模板強度），選擇焊點投影片體方向，創(chuàng)建特征孔。

3、對完成特征孔創(chuàng)建的模板基準面進行面加厚。可利用thicken命令，加厚方向需要考慮實際定位工裝的擺放姿態(tài)與制作完成后模板的實際放置需求，厚度值設(shè)置需綜合考慮模板選用的材質(zhì)與設(shè)計結(jié)構(gòu)。

4、模板截斷與斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計。此步驟按需進行，主要考慮到3D打印機的最大構(gòu)建尺寸，即如果模板尺寸超過設(shè)備最大構(gòu)建尺寸，則需要進行截斷處理與斷面設(shè)計，否則不需要此步驟。在截面設(shè)計時，建議采用斜面，既簡單又可在兩方向上有一定定位效果，斜向斷面如圖4所示。

圖4 斜向斷面

5、焊接模板上表面進行命名標注。模板命名并標注在上表面，清晰規(guī)范，便于操作人員能夠快速找到模板，按照工藝文件中要求進行使用。在使用過程中需要拼接使用的分段模板，更需要在模板上表面標注分段編號，拼接方向等信息，如圖5所示。文字標準操作，可通過text命令實現(xiàn)。

圖5 命名標注

以上五個步驟已完成焊接模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)模審核無誤后，便可導(dǎo)入3D打印設(shè)備進行排版1：1打印。對于3D打印焊接定位模板材料的選取，考慮到樣車試制階段，焊接模板僅用于焊點標記的定位，標記完成后會取下定位模板，因此，一般選用ABS、尼龍等工程塑料即可滿足強度要求，同時工程塑料材料的模板重量輕，易取易放。焊接定位模板3D打印完成后，便可利用軟磁條連接，如圖6所示。軟磁條價格便宜、性軟可貼合曲面模板，且粘性與磁性均足夠可滿足模板與車身鈑金之前的牢固連接。

圖6 軟磁條連接

4 總結(jié)與展望

焊點位置是車身焊點質(zhì)量控制的重要因素。在樣車試制階段，手工焊接定位模板，可有效控制焊點位置的合理性，保證試驗車輛的合格焊接質(zhì)量，以便更好驗證車輛的行駛安全等性能。本文重點介紹的是 3D打印技術(shù)在樣車試制車身焊接定位模板方面的應(yīng)用以及具體開發(fā)工作流程。3D打印技術(shù)開發(fā)的定位模板，相對傳統(tǒng)模板，精度高、強度好，性價比高、可快速響應(yīng)工程設(shè)計變更且使用便捷性。近年來，3D打印技術(shù)已由新興技術(shù)逐漸發(fā)展成為主流技術(shù)，其優(yōu)勢特點與樣車試制需求完美契合，也將有助于其在樣車試制領(lǐng)域得到更廣泛快速的應(yīng)用與推廣[4]。