快速成型技術在電動觀光旅游車原型表現中的應用研究

趙震　路春光　任文營

摘要：

針對目前電動觀光旅游車原型制作中存在的周期長、精度低、工作環(huán)境差等問題，通過對比分析快速成型技術與玻璃鋼翻模技術的工藝特點，并在實際項目實踐中對比兩種工藝的優(yōu)缺點，闡述和分析了采用快速成型技術對于電動觀光旅游車原型制作方面帶來的好處，從而提出了在電動觀光旅行車原型制作中采用快速成型技術的可行性。

關鍵詞：

快速成型技術 電動觀光旅游車 造型設計 原型

中圖分類號：TB476

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2015）02-0110-02

一 快速成型技術的概念

快速成型技術最早起源于19世紀末的美國，由于當時技術條件還不夠成熟，直到20世紀80年代才得到進一步的發(fā)展和推廣o它是集CAD/CAM技術、激光加工技術、數控技術和新材料等技術為一體的產品原型制造技術。該技術與傳統(tǒng)的“減法”（CNC切削加工）加工工藝不同，它是一種“加法”制造方法，用不同的材料逐層疊加的方式建構起要加工的產品原型。具體的工藝過程是，首先依據設計出來的產品原型的三維模型圖（文件為STL格式，Rhino、SolidWorks、CREO等工程軟件均可以生成），經過格式轉換后，形成分層的數據格式，獲取各層載面的二維輪廓形狀，然后按照這些輪廓形狀，用激光束選擇性地分別固化一層層的液態(tài)光敏樹脂材料，或切割一層層的紙或金屬薄片，或燒結一層層的粉末材料，也有的用噴射源選擇性地噴射一層層的黏結劑或熱熔性材料，形成各截面的平面輪廓形狀，并逐步疊加成三維立體零件。由于該技術不需要采用傳統(tǒng)的加工機床和模具，在原型制作上具有加工精度高、人力消耗少、效率高等特點，所以已成為在產品原型制作中廣泛被采用的一項重要技術。

二 快速成型技術的分類以及性能特點

當前決速成型技術的工藝方法已有幾十種，并且隨著技術的不斷革新與發(fā)展，新工藝、新方法還在不斷出現，但目前主要工藝分為四種基本類型。

1 SLA工藝

SLA（ Stere0 1.thography Appearance）工藝全稱為立體光固化成型法。其工藝過程是以光敏樹脂為原料，在加工過程中，工作臺表面浸在液體的光敏樹脂中，一定功率的光照到光敏樹脂表面，通過光聚合反應使其固化，一層固化完成后，工作臺下降一定高度，重新覆蓋一層樹脂材料，光照固化新層，如此反復，直到零件完成。此工藝是目前技術最成熟，應用最廣泛的一種快速成型技術。

2 LOM工藝

LOW（ Laminated Object Manufacturing）工藝全稱為疊層實體制造或分層實體制造。其工藝過程是由加熱輥筒將薄形材料（如涂熱敏膠的纖維紙，塑料薄膜，金屬或者其他復合材料）加熱聯(lián)結，待加熱輥筒自動離開后，再由激光將薄形材料切割成該層面所要求形狀，如此重復直到一層層疊加生成任意復雜形狀的實體。

3 SLS工藝

SLS（ Selective Laser Sintering）工藝全稱為選擇性激光燒結。其工藝過程以金屬、ABS塑料、陶瓷等材料的粉末作為成型材料，利用滾筒鋪設每一層粉狀材料，在計算機控制下激光器發(fā)出的光束對每層粉末材料進行掃描，使之熔化燒結成型，當一層粉末燒結完成后，滾筒上升一層，在燒結層撒上新的一層粉末，為下一次燒結做準備，直至完成零件的成型。

4 FDM工藝

FDM（Frequency Division Multiplexing）工藝稱為熔融沉積制造，其工藝過程是以熱塑性絲狀材料為原料，通過加熱器熔化絲狀材料成液體，由計算機控制擠壓頭沿零件的的每一截面的輪廓運動，使熔化的材料通過噴嘴擠出，覆蓋到截面上每一部分，并在1/10秒內快速凝固，逐漸形成一層造型。隨后，擠壓頭沿軸向向上運動（距離大小依設備的運行精度有關）以進行下一層材料的構建，如此逐層由下到上堆積成一個產品原型或零件。

三 電動觀光旅游車原型制作中常用的工藝方法

目前的電動觀光旅游車原型制造中常用手糊玻璃鋼方法和鋼板沖壓成型，但鋼板沖壓成型由于模具上的巨額投入，一般企業(yè)望塵莫及。手糊玻璃鋼工藝加工容易，成本低，模具使用頻率高，并能修復重復使用等優(yōu)良性能，所以是目前此行業(yè)中比較適用的方法。其主要流程包括：原胎的制作、涂刷膠衣層、逐層糊制玻璃纖維層、脫模修整、批量加工原型、原型的表面處理、組裝模型。

四 快速成型技術在電動觀光旅游車原型中的應用案例

快速成型技術在目前的產品原型制作中是一種常用的加工方法，但在電動觀光旅游車產品研發(fā)中應用不是很廣泛，為此筆者依托第二代電動旅游觀光車課題中原型的制作過程進行了嘗試（如圖1）。

1 三維數字模型：在三維軟件中創(chuàng)建數字模型，常用的軟件包括Rhino、Creo、SolidWorks等，快速成型機對于三維模型的格式無特殊要求。另外對于三維模型造型的曲面或者復雜度也無特殊要求，只要三維模型各個零件是完整的，都可以加工出來。

2 數字模型格式轉換：將其他軟件創(chuàng)建的三維模型文件轉換成快速成型機能識別的文件格式，通常擴展名為.STL格式。

3 打印零件：快速成型機的控制軟件根據三維模型的造型特點判斷出模型的安置方式，并計算出打印消耗材料重量以及打印持續(xù)時間等信息。

4 零件的后處理：打印完成的原型或零件還不能直接使用，為了保證原型或零件的穩(wěn)定性，打印過程中在原型或零件的周圍需要額外打印支撐材料。打印結束后，需要去掉周邊的支撐材料。并且噴涂之前需要對原型或零件表面進行打磨處理，用原子灰刮平表面需要處理的地方，然后用粗砂紙打磨掉突出部分，并用水砂紙對表面細磨處理，。

5 噴涂處理：對表面經過處理的零件或者原型進行噴涂，采用樹脂專用油漆噴涂。

6 組裝模型：把處理好的原型或零件根據設計要求進行組裝。

五 快速成型技術與傳統(tǒng)玻璃鋼技術在電動觀光旅游車原型表現中的優(yōu)缺點分析

1 造型的可加工性

快速成型技術能加工任何復雜結構的零件或原型，不管是雙曲面造型還是變化復雜的曲面均能加工：而傳統(tǒng)玻璃鋼技術在翻模過程中，很多復雜造型的原胎成型需要耗費很長時間，并且在脫模過程中不能出現一些影響脫模的結構。

2 原型的制作效率

快速成型技術在設備成型范圍內可以同時加工多個零件或原型，從數字模型到實體零件只需幾個小時到十幾個小時即可完成，加上組裝和表面處理的時間，也不過幾天就可完成一套產品原型：傳統(tǒng)玻璃鋼技術從搭建產品原型骨架到翻模完成至少一個月甚至更長的時間。

3 原型的制作精度

采用快速成型技術加工的原型最高精度能達到微米級別，且不受加工次數影響；而傳統(tǒng)玻璃鋼技術的加工精度只能達到毫米級別，在翻模過程中受模具精度的影響，多次使用后無法保證制作出來的原型精度。

4 原型的制作成本

當前的快速成型技術采用的材料成本偏高，尤其樹脂材料；而玻璃鋼技術使用的材料成本較低，但如果再加上昂貴的勞動力成本，快速成型技術加工的原型與玻璃鋼技術相比，性價比較高。

5 原型材料性能

目前的快速成型技術使用的材料多樣，性能各有特點，根據原型的測試要求，能選擇到合適的材料：相比玻璃鋼材料的強度以及韌性，目前常用的樹脂材料和ABS材料還不能與之媲美。

6 原型制作環(huán)境

快速成型設備工作環(huán)境干凈衛(wèi)生，對周邊環(huán)境無污染：而玻璃鋼加工過程中工作環(huán)境臟、亂、差不可避免，所采用的工業(yè)級樹脂有刺鼻的氣味，并刺激人的神經系統(tǒng)，玻璃纖維也對肺部存在安全隱患。

通過以上六個方面的對比分析，在電動觀光旅游車原型開發(fā)設計中采用快速成型技術，不僅能大幅提高工作效率，而且原型的加工質量也能得到可靠保證。

六 快速成型技術在電動觀光旅游車原型表現中的展望

快速成型技術在電動汽車行業(yè)中的應用還處于摸索階段，該技術具有很多傳統(tǒng)技術無法比擬的優(yōu)點，比如加工高效性、精確性等，尤其在以工業(yè)設計師為主的產品開發(fā)過程中采用并行設計方法，縮短產品的開發(fā)周期方面具有廣泛應用的價值，但目前也存在一些技術瓶頸，比如說快速成型采用的材料的成本較高、材料在強度和耐高溫還有不足之處、打印完成后表面的后處理相對復雜。隨著技術的不斷改善與進步，以上問題會逐漸被攻克，快速成型技術在產品的原型制造中會有更好的應用。