光固化成型技術(shù)在汽車塑料件制造中的應(yīng)用

李志文，趙林君，黃飛騰，王素芳，何芳玲，袁定康

光固化成型技術(shù)在汽車塑料件制造中的應(yīng)用

李志文1，趙林君2，黃飛騰1，王素芳1，何芳玲1，袁定康1

（1.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000；2.南昌職業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330000）

目前我國(guó)的汽車行業(yè)正處于技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵階段，朝著智能制造與先進(jìn)制造方向發(fā)展，為新的制造工藝提供了很好的發(fā)展契機(jī)。在汽車零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，模型的可視化非常重要，這是設(shè)計(jì)交流和設(shè)計(jì)改進(jìn)的基礎(chǔ)。與計(jì)算機(jī)中的平面二維模型和虛擬三維模型相比，光固化成型制造的真實(shí)原型能夠顯示更多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，更加直觀可靠，更有利于研發(fā)過程的評(píng)審和校核。文章介紹了光固化成型技術(shù)的原理，分析了其工藝特點(diǎn)，并以汽車空調(diào)進(jìn)氣管的光固化成型制造為例，分析了零件成型過程中工藝參數(shù)對(duì)零件成型性能的影響，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，探索了光固化成型技術(shù)在汽車塑料件制造中的應(yīng)用。

3D打??；光固化；汽車；制造工藝

前言

在當(dāng)前應(yīng)用較多的3D打印技術(shù)中，光固化成型（Stereo Lithography Apparatus, SLA）由于具有成型過程自動(dòng)化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細(xì)的尺寸成型等特點(diǎn)，使之得到最為廣泛的應(yīng)用。在概念設(shè)計(jì)的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工業(yè)模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面均可體現(xiàn)出光固化成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[1-2]，目前光固化成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費(fèi)品以及醫(yī)療等行業(yè)[3]。

1 光固化成型技術(shù)的概念

光固化成型技術(shù)是3D打印技術(shù)的一種，該技術(shù)以液態(tài)光敏樹脂作為材料，這種液態(tài)樹脂材料在一定波長(zhǎng)的紫外光照射下能迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。相比傳統(tǒng)制造工藝的生產(chǎn)周期長(zhǎng)和開模成本高，光固化成型技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，可制造復(fù)雜形狀零件，且成型時(shí)間短、成本低[4-5]。

1.1 成型原理

光固化是指具有光敏性的液態(tài)樹脂受光源能量激發(fā)發(fā)生化學(xué)變化的相轉(zhuǎn)變過程，液態(tài)樹脂會(huì)經(jīng)歷凝膠和玻璃化轉(zhuǎn)變過程形成固態(tài)網(wǎng)格。光固化成型過程中，光敏樹脂材料受紫外激光照射時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，由低聚物和單體聚合為高聚物，從而由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)每一層的液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行有選擇性的照射，可以固化成型特定的圖形，重復(fù)該過程即可逐層疊加形成三維實(shí)體[6-7]，光固化成型技術(shù)原理如圖1所示：

圖1 光固化成型技術(shù)原理

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）3D建模：構(gòu)建3D模型是指在計(jì)算機(jī)上通過三維建模軟件或逆向掃描等工具，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的可視立體模型，包括產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)、色彩、質(zhì)感等[8]。

（2）支撐設(shè)計(jì)：對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，光固化成型過程中需要對(duì)懸空區(qū)域添加支撐結(jié)構(gòu)，以完成逐層制造的過程。支撐添加方法有兩種：一是在構(gòu)建3D模型的時(shí)候手動(dòng)添加支撐；二是通過專業(yè)的軟件自動(dòng)添加支撐。

（3）切片處理：由于光固化成型技術(shù)是逐層制造的，所以需要對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，即將三維模型按一定的層厚離散成有限個(gè)二維平面圖形。通常，切片處理前需對(duì)三維模型進(jìn)行近似處理，如將其轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的STL格式文件，即采用小三角形面片去三維實(shí)體的曲面。

（4）后處理：后處理技術(shù)指的是模型的清洗，去除支撐，后固化以及必要的表面處理等。通常直接光固化成型的零件是不能直接使用的，必須經(jīng)過必要的后處理才能滿足使用要求。

2 光固化技術(shù)的制造工藝過程

光固化成型技術(shù)，又稱為立體光刻成型技術(shù)，是通過成型設(shè)備進(jìn)行光固化成型。根據(jù)切片模型進(jìn)行零件的制作加工，當(dāng)一層固化完畢后，按照設(shè)定值，工作臺(tái)會(huì)下降一個(gè)層厚，然后光敏樹脂就會(huì)覆蓋已經(jīng)固化的一層，刮平后再進(jìn)行新一輪的輪廓加工直至加工完畢[9]。其原理圖如圖2所示：

圖2 光固化成型過程圖

3 應(yīng)用案例

3.1 建立3D模型

光固化前處理技術(shù)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)是3D建模，建立3D數(shù)字模型的方法有兩種：一是3D建模軟件正向建模，二是三維掃描逆向建模[10]。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多商業(yè)化的3D建模軟件，如AutoCAD、Pro/Engineer、UG、Solidworks等，而汽車行業(yè)普遍使用的三維建模軟件為Catia。以汽車空調(diào)進(jìn)氣管為例，通過Catia三維建模軟件，建立其三維模型，該結(jié)構(gòu)為汽車空調(diào)進(jìn)氣硬管總成，主要由上、下兩片殼體通過卡扣連接在一起，如圖3所示：

圖3 汽車空調(diào)進(jìn)氣硬管總成

由于目前3D打印使用的3D模型基本上都是STL的文件，因此在使用3D建模軟件建立好模型之后，還需要將其格式轉(zhuǎn)化為STL格式，目前大部分的3D建模軟件均有轉(zhuǎn)化為STL格式的數(shù)據(jù)接口。STL文件不同于其它一些基于特征的實(shí)體模型，STL格式采用小三角形面片去逼近三維實(shí)體的自由曲面，即對(duì)三維模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格化，類似于有限元中的網(wǎng)絡(luò)劃分。其特點(diǎn)是格式簡(jiǎn)單，易于處理，但無法保存模型的顏色、紋理、材質(zhì)等信息，也無法表達(dá)物體的中空結(jié)構(gòu)。盡管如此，STL格式仍是3D打印機(jī)支持的最常見的3D文件格式，其已成為行業(yè)內(nèi)的默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)的模型處理即是對(duì)STL格式模型的處理。

3.2 模型處理

模型處理主要是對(duì)STL模型進(jìn)行加工平臺(tái)的擺放、支撐添加等工作，零件模型的擺放方式使零件實(shí)體對(duì)水平面的角度不同，當(dāng)這個(gè)角度小于3D打印技術(shù)的成型極限就需要對(duì)零件進(jìn)行支撐添加。合適的擺放角度不僅可以節(jié)省加工空間，還可以減少支撐的添加，使后處理去除支撐的工作量減少。同時(shí)，為零件添加支撐可以使零件在加工過程中的穩(wěn)定性和可成型性得到保障。因此零件的擺放方式和支撐的設(shè)計(jì)都是模型處理過程中的關(guān)鍵步驟，對(duì)零件的成型質(zhì)量影響較大。

因此設(shè)計(jì)支撐時(shí)，既要能夠?qū)δＰ推鸬捷^好的支撐作用，又要盡量減少支撐的復(fù)雜程度，方便后處理時(shí)去除支撐。根據(jù)汽車空調(diào)進(jìn)氣硬管的零件特點(diǎn)，按圖4所示方向進(jìn)行擺放，一方面可以盡量減少支撐的數(shù)量，便于后處理，另一方面可以增加零件的穩(wěn)定性，減少成型過程中刮刀與模型的接觸面積，防止模型被刮刀刮壞。支撐添加后的模型如圖4所示。

圖4 生成支撐后的模型

切片處理也是模型處理中較為關(guān)鍵的一個(gè)步驟。切片處理就是使3D模型數(shù)據(jù)離散分層化，并以特定格式文件輸出到3D打印設(shè)備以控制打印全過程。切片過程中，三維模型將被離散成二維平面圖形，而這一系列的二維平面圖形與三維模型求交，得到三維模型在該二維平面圖形上的切片輪廓，相鄰兩層之間的間隔高度稱為層厚。切片處理時(shí)，層厚越小，成型精度越高，成型時(shí)間越長(zhǎng)，效率越低且對(duì)成型設(shè)備的要求也更高，反之精度低，效率高，根據(jù)零件的制造精度要求和光固化成型設(shè)備的性能，設(shè)置層厚為0.1 mm[11-12]。

比利時(shí)Materialise公司開發(fā)的3D打印軟件Materialise Magics是一款功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件不僅可以進(jìn)行零件的擺放、支撐添加等，還可以通過設(shè)置光斑補(bǔ)償、切片層厚度等參數(shù)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行直接切片處理。切片后的格式文件可以直接導(dǎo)入3D打印機(jī)，并成為直接控制打印機(jī)完成3D打印全過程的代碼程序。

3.3 光固化成型制造

汽車空調(diào)進(jìn)氣管一般通過注塑或吹塑等模具加工方式進(jìn)行制造，其硬管部分多采用PVC或PP等塑料材料，對(duì)零件表面的輪廓精度和粗糙度要求不高，因此采用光固化成型技術(shù)進(jìn)行制造，加之必要的后處理之后，可以達(dá)到零件的性能要求[13]。根據(jù)零件的要求選擇ZBOT-88光敏樹脂材料，設(shè)備采用的是廣州立體易公司的型號(hào)為SLA660的光固化成型機(jī)。

成型過程中，工作平臺(tái)和刮刀的移動(dòng)速度對(duì)模型的影響也是不容忽視的。零件成型過程中應(yīng)盡量減少液體樹脂中氣泡的生成，工作平臺(tái)在液體樹脂中上下的運(yùn)動(dòng)是造成氣泡生產(chǎn)的原因之一，同時(shí)刮刀和工作平臺(tái)的移動(dòng)也易造成液體流動(dòng)、液面不同，影響模型的成型質(zhì)量，因此在成型過程中工作平臺(tái)的移動(dòng)速度設(shè)置為5 mm/s，刮刀速度設(shè)置30 mm/s，即可保證成型效率，又可減少氣泡的生產(chǎn)和液面的流動(dòng)。

成型完成后的模型如圖5所示。

圖5 光固化成型后的模型

3.4 模型后處理

成型后的零件模型從工作臺(tái)取下后，首先對(duì)其進(jìn)行酒精浸泡和清洗，所用酒精為濃度為75%的工業(yè)酒精，浸泡時(shí)間為10分鐘，時(shí)間過短不利于去除支撐，時(shí)間過長(zhǎng)易造成零件薄壁部分軟化。清洗過程中用毛刷去除表面的樹脂，并將支撐剝離實(shí)體。

由于制作得到的零件可能未完全固化，同時(shí)也為了使得到的零件具有一定的強(qiáng)度和韌性，需要將制作的零件放置于紫外固化箱中進(jìn)行后固化，固化時(shí)長(zhǎng)約1個(gè)小時(shí)。由于零件是逐層疊加制造的，因此零件的表面難免會(huì)有臺(tái)階紋，影響美觀，所以需要對(duì)其表面進(jìn)行打磨處理，底面因與支撐接觸，支撐去除后也會(huì)殘留一些顆粒狀的突起，這部分也要進(jìn)行相應(yīng)的打磨處理。

4 結(jié)語(yǔ)

光固化成型技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件的制造，尤其是塑料件的制造，具有很大的應(yīng)用前景[14-15]。隨著汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，縮短研發(fā)周期、低成本、輕量化的要求也不斷提高，汽車零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，尺寸、形狀極限要求越來越突出，導(dǎo)致傳統(tǒng)的模具制造等工藝難度越來越大。傳統(tǒng)的制造工藝對(duì)汽車零件性能的優(yōu)化是目前大部分汽車企業(yè)遇到的難題，尋求新的解決方案是在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟的關(guān)鍵。而光固化成型技術(shù)因其自身的優(yōu)勢(shì)，將是對(duì)傳統(tǒng)制造工藝很好的優(yōu)化和補(bǔ)充。

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Application of SLA Technology in the Manufacturing of Automotive Plastic Parts

LI Zhiwen1, ZHAO Linjun2, HUANG Feiteng1, WANG Sufang1, HE Fangling1, YUAN Dingkang1

（1.Jiangxi Technical College of Manufacturing, Jiangxi Nanchang 330000;2.Nanchang Vocational University, Jiangxi Nanchang 330000）

The automobile industry of China is at a critical stage of technological and industrial transformation at present,it is developing in the direction of intelligent manufacturing and advanced manufacturing,which provides a good development opportunity for new manufacturing processes. In the design process of auto parts products, the visualization of parts model is very important as it is the basis for design communication and design improvement. Compared with the plane two-dimen- sional model and virtual three-dimensional model in the computer, the real prototype manufactured by SLA can display more design details, it is more intuitive and reliable, and more conducive to the review and verification of the research and development process. This article introduces the principle of SLA technology, analyzes its process characteristics, and takes the SLA manufacturing of automobile air-conditioning air intake pipes as an example, analyzes the influence of process parameters on the molding performance of parts during the molding process, and analyzes the process parameters optimization, explored the application of SLA technology in the manufacture of automotive plastic parts.

3D print;SLA;Automobile;Manufacturing process

A

1671-7988(2021)22-141-04

U466

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1671-7988(2021)22-141-04

CLC NO.: U466

李志文，碩士，工程師，就職于江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事3D打印與逆向工程方面的研究。

江西省教育廳科技項(xiàng)目“光固化增材制造技術(shù)在汽車零部件試制中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：204708）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.036