光固化3D 打印技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩中的應(yīng)用

陳沖鋒，郭海波

（1.蕪湖機(jī)械工程學(xué)校，安徽 蕪湖 241200；2.安徽西蒙子智能制造裝備有限公司，安徽 蕪湖 241200）

0 引言

3D 打印機(jī)（也稱增材制作）工藝技術(shù)是一門(mén)非傳統(tǒng)加工工藝，3D 打印技術(shù)起源于20 世紀(jì)80 年代產(chǎn)生的高速原型設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝技術(shù)，是以3D 建模文件為基準(zhǔn)，利用可黏結(jié)材質(zhì)，采用逐層堆疊累加的方法建立與模型相符的物理實(shí)體的工藝技術(shù)。3D 打印技術(shù)是新型的增材加工技術(shù)，反映了計(jì)算機(jī)和先進(jìn)材料科技、數(shù)字化生產(chǎn)科技的緊密融合，是現(xiàn)代化工業(yè)的重要部分，可以極大地提升各領(lǐng)域的工作效率，被認(rèn)為是近年來(lái)世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。我國(guó)是汽車保有量大國(guó)，汽車行業(yè)發(fā)展在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位[1]。在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略背景下，汽車行業(yè)發(fā)展逐步轉(zhuǎn)向輕量化、智能化。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化技術(shù)快速普及，在汽車設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中，技術(shù)發(fā)展為其實(shí)現(xiàn)更低成本、更高質(zhì)量、多元發(fā)展提供了重要支持。其中在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)促使汽車設(shè)計(jì)能夠順應(yīng)行業(yè)發(fā)展方向，解決傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)中面臨的技術(shù)問(wèn)題，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)水平，為汽車行業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

采用光固化3D 打印技術(shù)進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩模型快速制作，將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩?jǐn)?shù)字模型導(dǎo)入至切片軟件中進(jìn)行相關(guān)前處理工作，并在打印完成后進(jìn)行相關(guān)后處理工作。獲得實(shí)物模型，進(jìn)而協(xié)助整車廠和汽車零部件制造商對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行性能、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)檢查并進(jìn)行二次修正，從而加快汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)的驗(yàn)證過(guò)程。

1 3D 打印技術(shù)及立體光固化成型法

3D 打印技術(shù)起源于20 世紀(jì)80 年代產(chǎn)生的高速設(shè)計(jì)原型制作技術(shù)，是依靠電腦3D 建模，以數(shù)字模型文件為基準(zhǔn)，借助軟件和數(shù)控系統(tǒng)，將特殊物料以逐級(jí)堆積、疊加成型的方法構(gòu)成物品的工藝技術(shù)[2]。3D 打印是一種全新的制造方式，被認(rèn)為是近年來(lái)世界制造技術(shù)領(lǐng)城的一次重大突破[3]。通俗地說(shuō)，3D 打印機(jī)就是能夠“打印”出真正3D 物品的一類裝置[4]（圖1）。

圖1 3D 打印模型

而光固化成形是高速成形工藝技術(shù)中的一類，縮寫(xiě)為SLA，有時(shí)也叫做SL。該方法是最先開(kāi)展出來(lái)的高速成形工藝技術(shù)，也是目前研發(fā)最大、工藝技術(shù)最完善、運(yùn)用最普遍的高速成形工藝技術(shù)之一[5]。光固化成型工藝主要是利用光敏樹(shù)脂為主要原材料，利用一定波段和頻率的激光（紫外光）聚焦在紫外光固化樹(shù)脂的面上，使其由點(diǎn)到面、由線到面的方式依次凝固，就這樣進(jìn)行了一次截面的繪制工序。接著再?gòu)拇怪狈较蛞苿?dòng)打印臺(tái)到層厚單位的層面，然后再照射光固化下一層次。如此交替進(jìn)行凝固、移動(dòng)的工藝，就這樣層層重疊進(jìn)行了一個(gè)三維立體的印刷工程[6]。

2 3D 打印技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用

3D 打印技術(shù)在車輛零部件領(lǐng)域更深入地運(yùn)用成為必然趨勢(shì)，它將是汽車行業(yè)的一個(gè)重大突破，隨著“工業(yè)4.0 概念”的持續(xù)拋出，3D 打印機(jī)成為新工業(yè)革命技術(shù)的精髓所在，近年又被推上技術(shù)的風(fēng)口浪尖，被應(yīng)用到眾多領(lǐng)域。而工業(yè)的驕子——發(fā)動(dòng)機(jī)及零件生產(chǎn)也成為3D 打印技術(shù)的應(yīng)用范圍，如圖2 為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)光固化打印。本次產(chǎn)品汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)應(yīng)用，通過(guò)3D 打印機(jī)工藝技術(shù)，能夠快速生產(chǎn)出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩概念模型，同時(shí)基于3D 打印機(jī)的高速成型特性，對(duì)于汽車廠商來(lái)講也能夠應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。

圖2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)打印

相比較普通的手工制造油泥模具，3D 打印機(jī)科技可以更準(zhǔn)確的將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)圖從2D 轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)，并且耗時(shí)也更短，大大提升了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)方面的制造效率。因此目前不少汽車企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始在汽車外觀零部件設(shè)計(jì)方面開(kāi)始使用3D 打印技術(shù)。在產(chǎn)品方面，由于3D 打印機(jī)可以多樣化的材質(zhì)選取，不同的機(jī)械性能和更精準(zhǔn)的功能性造型設(shè)計(jì)，使得廠商在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩制造前期就能夠隨時(shí)更正錯(cuò)誤和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而使得處理錯(cuò)誤的成本更低。

3 汽車機(jī)蓋成型工藝分析

本次應(yīng)用是在具有模型基礎(chǔ)下進(jìn)行3D 打印檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，各主要成型技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各主要快速成型技術(shù)性能對(duì)比

根據(jù)使用途徑，我們選擇使用光固化成型技術(shù)進(jìn)行打印。

4 成型設(shè)備選擇

根據(jù)成形需要，本案例采用中瑞科技SLA 系列的SLA300 型3D 打印機(jī)。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：成型部件具有極致的細(xì)節(jié)和平滑的外表質(zhì)感，精確度達(dá)到0.05 mm，適用于制造精密樣件，根據(jù)零部件的規(guī)格和復(fù)雜性，能在幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)進(jìn)行對(duì)零部件的制造，可制成不同結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件和組裝件。

5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件可以看作數(shù)字模型和快速制造之間的橋梁，具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、修復(fù)、優(yōu)化和分層處理等功能。數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行分層處理，并將其處理成層片文件格式后送入3D 打印設(shè)備，3D打印設(shè)備接收數(shù)據(jù)處理后的層片文件即可開(kāi)始進(jìn)行快速成形制造。本例采用設(shè)備專業(yè)軟件，生成SLA 系列3D 打印機(jī)專用格式文件。

5.1 導(dǎo)入及汽車機(jī)蓋擺放分析

在軟件中導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的數(shù)字模型，如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)入3D 數(shù)字模型

在確認(rèn)數(shù)字模型無(wú)誤后，就要開(kāi)始調(diào)整零件在加工平臺(tái)上的擺放位置和角度。對(duì)于SLA 成型技術(shù)來(lái)講，零件在加工平臺(tái)上如何擺放，對(duì)加工時(shí)間、加工效率和加工質(zhì)量都會(huì)有影響。很多數(shù)據(jù)處理軟件提供自動(dòng)擺放零件的功能，依據(jù)零件的幾何形狀自動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行嵌套擺放。這是在針對(duì)多個(gè)零件同時(shí)加工的情況時(shí)，使加工平臺(tái)上可擺放的零件更多，保證在加工時(shí)零件之間不會(huì)相互干涉，用以提高生產(chǎn)效率。但汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩作為單獨(dú)制造的零件，模型放置在加工平合中央即可，如圖4 所示，具體擺放角度和方向應(yīng)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)來(lái)確定。

圖4 汽車機(jī)蓋模型擺放

5.2 生成支撐

在快速成形的流程中，大多數(shù)零件都用到支撐。支撐的意義不僅僅是承載零件以提高附加穩(wěn)定性，也是為了防止零件發(fā)生變形。零件變形可以是熱應(yīng)力、過(guò)熱或是加載材料時(shí)刮板的側(cè)向擾動(dòng)造成的，透過(guò)加強(qiáng)支撐構(gòu)件，以最小的接觸點(diǎn)進(jìn)行熱能傳輸，能夠得到表面質(zhì)量較好的零部件，也便于零件進(jìn)行后處理。設(shè)備切片軟件有自動(dòng)生成支撐的功能模塊，可以自動(dòng)、簡(jiǎn)單、快捷地生成支撐結(jié)構(gòu)。支撐的適用性和可靠性對(duì)于零件的最終表面質(zhì)量至關(guān)重要。

汽車機(jī)蓋在生成支撐時(shí)，必須確定零部件的受力方向，受力方向決定了支撐的產(chǎn)生方式，這一點(diǎn)在SLA 中尤為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋模型以一定角度傾斜放置時(shí)，應(yīng)增加底部支撐的厚度和寬度，以提高支撐的穩(wěn)定性；并且通過(guò)創(chuàng)建帶角度的支撐，可以降低后處理的復(fù)雜性。完成擺放后設(shè)置自動(dòng)生成支撐結(jié)構(gòu)，其支撐結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

自動(dòng)生成支撐創(chuàng)建完成后預(yù)覽，可觀察支撐是否合理。如不合理，需要?jiǎng)h除相關(guān)支撐，重新調(diào)整、增加零件的支撐結(jié)構(gòu)，然后再次生成支撐，直至達(dá)到滿意的效果，如圖6 所示。

圖6 手動(dòng)設(shè)置支撐

5.3 切片處理

在設(shè)置好支撐后，就可以開(kāi)始對(duì)模型進(jìn)行切片，打開(kāi)設(shè)備軟件切片功能對(duì)話框，設(shè)置好層厚等參數(shù)。就可以放到快速成型裝置上進(jìn)行生產(chǎn)了。切片處理也是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵過(guò)程。

5.4 快速成型

獲取切片信息后，可進(jìn)入快速成形系統(tǒng)進(jìn)行制作，將切片的信息輸入SLA 快速成形系統(tǒng)，3D 打印開(kāi)始前，還需要進(jìn)行設(shè)備的準(zhǔn)備工作，先單擊設(shè)備“樹(shù)脂”按鈕設(shè)置成形且設(shè)置各參數(shù)，接下來(lái)，設(shè)備內(nèi)樹(shù)脂液位持續(xù)上升至所需高度，如圖7 所示。整個(gè)SLA 快速成形過(guò)程，幾乎不需要人工操作，單擊“打印”按鈕打印機(jī)即開(kāi)始加工在加工平臺(tái)上，可以清晰地看到激光的掃描路線。光敏樹(shù)脂經(jīng)激光照射后固化，層層疊加成形，最終制成產(chǎn)品（圖8）。

圖7 設(shè)備準(zhǔn)備

圖8 設(shè)備打印平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)

6 后處理

快速成型獲得初步產(chǎn)品時(shí)，必須對(duì)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)相應(yīng)的后處理流程才可獲得最后的產(chǎn)品。

6.1 去除支撐

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋模型的支撐有外部的支撐和腔體內(nèi)部對(duì)懸空部分的支撐兩部分，都是塊狀支撐。外部支撐和部分內(nèi)部支撐只需要用手掰掉即可去除，如圖9 所示，處理支撐時(shí)要戴防護(hù)手套。內(nèi)部懸空部分的支撐待酒精清洗時(shí)邊洗邊去除。

圖9 剝除支撐

6.2 清洗

從快速成形設(shè)備上取下的產(chǎn)品表面附著有黏膩的光敏樹(shù)脂，需要進(jìn)行清洗，清洗劑一般使用95% 的工業(yè)酒精?？墒褂靡呀?jīng)用過(guò)的酒精，用刷子、清潔布等對(duì)汽車機(jī)蓋模型的表面進(jìn)行大致清洗。將表面的附著物大致清洗掉后，再更換較為干凈的酒精進(jìn)行二次清洗，清洗后要用高壓氣槍沖刷干凈。清洗劑可以儲(chǔ)環(huán)使用，但不超過(guò)3 次。清洗過(guò)程中還要注意采取相關(guān)的防護(hù)措施，避免受到不必要的傷害。

7 效果

通過(guò)后處理及固化過(guò)程后最終得到零件如圖10所示，通過(guò)光固化成型機(jī)可以快速將汽車機(jī)蓋從數(shù)字模型變?yōu)閷?shí)物外觀的改善、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、復(fù)模原型等原本十分復(fù)雜的過(guò)程，使汽車部件得到了更加便捷的方式進(jìn)行驗(yàn)證零部件性能。

圖10 汽車機(jī)蓋成品效果圖

8 小結(jié)

綜上所述，光固化的3D 打印機(jī)，能夠在數(shù)小時(shí)至數(shù)日內(nèi)生產(chǎn)出概念模型，進(jìn)而協(xié)助整車廠和汽車零部件制造商進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的驗(yàn)證過(guò)程。通過(guò)多種不同的材質(zhì)種類，不同的機(jī)械性能以及復(fù)雜的功能性原型設(shè)計(jì)，使得汽車生產(chǎn)商在前期就能夠及時(shí)地糾正問(wèn)題和進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使錯(cuò)誤的成本最低化。在汽車工裝夾具領(lǐng)域，3D 打印機(jī)科技已經(jīng)創(chuàng)造出一個(gè)快捷可靠的生產(chǎn)途徑，從而大大減少了手工制造的成本和耗時(shí)。也因此，汽車制造商迅速地從生產(chǎn)力、工藝技術(shù)和品質(zhì)等方面都獲得了提高。從而幫助汽車公司進(jìn)行快速小批量工具定制、降低成本和減少了商品的上市成本。在終用部件生產(chǎn)領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)可以使得原始部件生產(chǎn)商與零部件廠商之間的部件的制造過(guò)程不存在延遲，從而使得汽車廠商定制并生產(chǎn)長(zhǎng)久耐用的最終使用商品。通過(guò)3D 打印技術(shù)，可以打造耐久而堅(jiān)固的汽車零件。

9 結(jié)語(yǔ)

3D 打印機(jī)科技目前已進(jìn)入了一種蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，3D 打印機(jī)科技被冠以了“第三次工業(yè)革命”的大歷史，以3D 打印機(jī)科技為典型的高速成形工藝也被認(rèn)為是產(chǎn)生了新型產(chǎn)業(yè)變革的重要因素。日前，在3D 打印技術(shù)領(lǐng)域，盡管我們國(guó)內(nèi)和國(guó)外有著很大的技術(shù)差異，不過(guò)，我們國(guó)內(nèi)的一些領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)跑世界，而且大量的專業(yè)人員對(duì)3D 打印技術(shù)給子了很高的重視和巨大的熱忱，這為提高“中國(guó)制造”整體實(shí)力創(chuàng)造了一次極好的機(jī)遇，為3D 打印機(jī)的普遍使用和加快普及創(chuàng)造了一次有利的平合。