光固化成型技術(shù)在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

佘亞娟 郭奕文 吳巍 李魯 張柏橋

摘 要：計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大地改變了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)手段、工藝與方法。本文在了解3D打印發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，分析了光固化快速成型原理及其工作過程。結(jié)合光固化成型技術(shù)與汽車零部件設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，對(duì)兩者之間的共同發(fā)展做具體的描述。通過對(duì)汽車零部件建模設(shè)計(jì)的具體案例進(jìn)行對(duì)比分析，指出光固化成型技術(shù)在汽車零部件領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，為3D打印技術(shù)提供可靠的發(fā)展方向。

關(guān)鍵字：3D打印技術(shù);光固化成型技術(shù);汽車零部件;建模設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ324;TH16? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-41-04

The Application Research on Stereo Lithography Apparatus in Auto Parts Design*

She Yajuan， Guo Yiwen， Wu Wei， Li Lu， Zhang Boqiao

（Hunan Applied Technology University， School of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Changde 415000）

Abstract： The wide application of computer and related technology has greatly changed the technical means， procedures and methods of new product design. On the basis of understanding the development status of 3D printing， this paper analyzes the principle and working process of Stereo Lithography. Combined with the relationship between Stereo Lithography and auto parts design， the common development between the two is described in detail. The specific cases of auto parts modeling design is compared and analyzed， and the advantages of the application of light curing printing technology in automotive parts and parts are pointed out. In addition， the development direction of 3D printing technology will be explored in the future.

Keywords： 3D printing technology; Stereo Lithography; Auto parts; Modeling design; Application

CLC NO.： TQ324; TH16? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-41-04

前言

3D打印技術(shù)是完全不同于傳統(tǒng)的“減材”制造的新興制造方式，是通過“增材”加工來對(duì)所需零件進(jìn)行直接加工制造。光固化成型是最早的3D打印技術(shù)，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)[1]。只需將模型的切片文件輸入到光固化打印機(jī)器中，設(shè)備便會(huì)對(duì)模型進(jìn)行逐層打印。其制造方式就是“增材”加工方式。

1 光固化快速成型原理

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[2]。光固化快速成型原理如圖1所示：

2 光固化快速成型技術(shù)的工作過程

光固化快速成型系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，分別為液槽、可升降工作臺(tái)、激光器、掃描系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。工作時(shí)，在液槽中盛滿液態(tài)光固化聚合物，帶有很多小孔洞的可升降工作臺(tái)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，沿Z軸方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)[3]。激光器為紫外激光器，如氦—鎘激光器，氬離子激光器、固態(tài)激光器等。掃描系統(tǒng)由一組定位鏡組成，它能依據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，按照每一層的截面的輪廓信息做高速往復(fù)擺動(dòng)，使得激光器發(fā)出的激光束反射后聚焦在液槽里液態(tài)聚合物的表面上，同時(shí)沿此面做X-Y平面的掃描運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一層液態(tài)光固化聚合物受到紫外激光束照射時(shí)，其就會(huì)快速地固化且形成相應(yīng)的一層固態(tài)截面輪廓。

光固化快速成型技術(shù)工作原理圖如圖2所示[3]：

3 汽車門把手的設(shè)計(jì)

3.1 三維模型的建立

根據(jù)對(duì)目前生活中常見的汽車門把手的觀察，進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，我們使用UG來進(jìn)行前期的模型建立[4]。車門把手的外面部分能被看到的部分不是對(duì)稱規(guī)則的形狀，而是含有各種曲面[5]。因此，在進(jìn)行模型建立時(shí)選擇適合設(shè)計(jì)復(fù)雜、精細(xì)的不規(guī)則形狀的曲面建模，由點(diǎn)連成線，由線構(gòu)成面，再進(jìn)行片體的拉伸和片體的修剪，得到車門把手的外部UG模型如圖3所示。

汽車門把手內(nèi)部的結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜并且形狀同樣不規(guī)則，在進(jìn)行了多次實(shí)物觀察之后，發(fā)現(xiàn)車門把手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并無過多的圓弧形狀的部分，更多的是由大量的方形組成的。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)和模型建立時(shí)，可以將其看作是由無數(shù)個(gè)規(guī)則形狀進(jìn)行拼接組合而成的模型。在設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格注意內(nèi)部模型與外部模型的匹配狀況，同時(shí)也要考慮到安裝位置的整體狀況。經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)踐，建成的模型如圖4所示。

在設(shè)計(jì)完車門把手外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且完成建模后，則要其考慮其連接部件的設(shè)計(jì)[6]。連接部件需要連接內(nèi)外部分，使車門把手能夠進(jìn)行正常使用并且發(fā)揮其應(yīng)有的功能。因此連接部件的設(shè)計(jì)需要根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的內(nèi)外部部件的尺寸來配合進(jìn)行設(shè)計(jì)，在經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算后，畫出草圖，再利用UG進(jìn)行拉伸建模，最后的優(yōu)化模型如圖5所示。

3.2 支撐的處理

建模完成后就是要對(duì)已經(jīng)建好的模型進(jìn)行切片分層處理，目前的切片軟件有Magics、Cura、Miracl grue、QuickCast、Rapid Tool等數(shù)十種軟件，在設(shè)計(jì)支撐上選擇的是Magics21.0軟件[7]。Magics21.0是包含創(chuàng)建模型、修復(fù)模型、調(diào)整模型打印位置、生成零件支撐、切片等功能的軟件[8]。將已經(jīng)建立好三維實(shí)體模型保存，打開Magics21.0，可直接將建立的三維實(shí)體模型拖入軟件的指定位置處，也可直接導(dǎo)入零件[9]。將設(shè)計(jì)好的部件模型文件導(dǎo)入Magics軟件后，對(duì)模型位置進(jìn)行平移旋轉(zhuǎn)等操作調(diào)整，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)零部件成型所需要的支撐，再進(jìn)行分層切片處理。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化，最終使打印出的成品能夠達(dá)到使用效果。各零部件支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐圖如圖6所示。

STL文件是利用無數(shù)個(gè)微小的三角形面片來逼近實(shí)體模型，近似地表現(xiàn)出實(shí)體模型，并且可以達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的[10] [11]。不過這種近似的逼近實(shí)體模型的方法容易產(chǎn)生逼近誤差，因此在生成三角形面片時(shí)，盡量生成多的三角形面片，以減少逼近誤差。但隨著三角形面片的數(shù)目增多，數(shù)據(jù)量的處理時(shí)間也會(huì)同時(shí)增加[12]。因此，為了達(dá)到需要的精度，在進(jìn)行三角形面片處理時(shí)，要綜合考慮。

同時(shí)，分層的厚度也會(huì)影響打印精度，分層厚度越小，成型制件的表面精度越高。為了達(dá)到車門把手所需的精度，需要進(jìn)行多次分層厚度實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到最佳的效果。

除以上兩點(diǎn)之外，掃面速度，掃描間距，光斑直徑等因素都將影響制件的表面精度。因此在進(jìn)行分層設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到這幾點(diǎn)。

3.3 模型的打印

利用Magics21.0做完切片和基本支撐設(shè)計(jì)之后，將已保存好的文件輸入到光固化成型設(shè)備中，進(jìn)行模型打印。汽車把手及底座成型過程圖如7所示。

3.4 成型后處理

打印完成之后，需要進(jìn)行后處理。首先要將支撐以及多余部分去除。由于打印零件使用的材料是光敏樹脂，需要用酒精對(duì)零件的表面殘余的光敏樹脂進(jìn)行清洗。清洗完后進(jìn)行固化處理，再對(duì)零件表面進(jìn)行打磨和適當(dāng)?shù)膾伖馓幚恚怪兊幂^為平整光滑。最后得到汽車門把手快速成型件如圖8所示。

通過車門把手的實(shí)際案例的打印操作可知，一般光固化成型的過程為三維實(shí)體模型的建立、模型分層、建立支撐（即前處理）、后處理（包含打磨、拋光等）。其中實(shí)體設(shè)計(jì)建模占了很大的一個(gè)比重。只有一個(gè)完整的實(shí)體設(shè)計(jì)UG圖形完成后才可以進(jìn)行模型的切片、設(shè)計(jì)支撐等操作。而切片和設(shè)計(jì)支撐則決定了模型打印完成的效果和完整程度。

此次光固化成型過程持續(xù)時(shí)間大概是一個(gè)零件4小時(shí)左右，利用光固化成型設(shè)備打印出來的車門把手實(shí)體模型經(jīng)過清洗、打磨、拋光等后處理，可以完整的拼接起來，并且不影響活動(dòng)，在進(jìn)行完涂漆等操作后能夠進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用。由此可知，利用光固化成型技術(shù)可以進(jìn)行車門把手的打印并且成功應(yīng)用，這對(duì)于今后汽車其他零部件的3D打印能夠提供一定的參考。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)人民消費(fèi)水平的日益提高，對(duì)汽車的需求在不斷的擴(kuò)大，光固化成型技術(shù)在汽車零部件領(lǐng)域的設(shè)計(jì)應(yīng)用也將越來越多，優(yōu)勢(shì)也將越來越明顯。

采用實(shí)際案例分析的方法，對(duì)光固化快速成型技術(shù)的特點(diǎn)、原理、優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行了分析，并且對(duì)后處理工藝技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，得出了以下的結(jié)論：

（1）光固化快速成型技術(shù)在汽車零部件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)明顯，可以減少在加工時(shí)間同時(shí)，? 依舊能保證應(yīng)有的精度。

（2）光固化打印技術(shù)易于進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整和修改，設(shè)計(jì)工藝簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)，非常適合在產(chǎn)品的開發(fā)和初步設(shè)計(jì)時(shí)使用。

（3）面成型光源，可同時(shí)打印多個(gè)零件，有效推動(dòng)汽車研發(fā)加工設(shè)計(jì)進(jìn)程，減少生產(chǎn)成本，效率高。

以汽車零部件為例，進(jìn)行3D建模、模型切片、模型打印、后處理等步驟后，打印出的實(shí)體模型經(jīng)檢驗(yàn)，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。由此可見，塑料材料定將不斷優(yōu)化升級(jí)，而光固化成型技術(shù)在汽車零部件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著很大的發(fā)展和應(yīng)用空間。

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