基于光固化快速成型技術(shù)的汽車換擋手柄成型研究

涂承剛 郭奕文

（常德財經(jīng)中等專業(yè)學(xué)校 湖南·常德 415101）

1 立項背景和必要性

傳統(tǒng)的汽車零部件成型方式有鑄造、鍛造、冷沖壓、金屬切削加工等，此類加工方式均需要模具和零件毛胚。在加工過程中通過去除材料的方式，使汽車零部件逐漸成型。通常情況下，此類成型過程較復(fù)雜，步驟較為繁瑣，成本較高。

光固化快速成型技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，它不需要模具和毛胚，通過增加材料的方法并結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué)中的數(shù)據(jù)生成用戶需要的物體，它的最基本的思想是“增材制造”。此技術(shù)與傳統(tǒng)汽車零部件成型技術(shù)相比有以下好處：（1）降低了生產(chǎn)的成本。由于此技術(shù)不需要生產(chǎn)線，因此大大的降低了材料在生產(chǎn)過程中的浪費，導(dǎo)致成本的降低。（2）制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)線無法制造的外形。因為此技術(shù)是分層制造實體，能設(shè)計并生成很多的復(fù)雜實體。（3）在良好的設(shè)計概念和過程中，簡化設(shè)計的過程，快速的生成出物體。

雖然這項技術(shù)在各個領(lǐng)域都在慢慢得到應(yīng)用，但是在汽車零部件領(lǐng)域，這項技術(shù)的應(yīng)用還不夠廣泛，而在國內(nèi)更是處于一個起步狀態(tài)。雖然已經(jīng)有完全由3D打印技術(shù)制成的汽車的出現(xiàn)，但這在汽車行業(yè)只是少數(shù)，而使用光固化成型技術(shù)的地方更是少之又少，只是少量制造工廠在少量汽車零部件的設(shè)計和制造上使用這個新興技術(shù)。因此，光固化快速成型技術(shù)在汽車零部件成型領(lǐng)域?qū)芯薮蟮膽?yīng)用價值。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

光固化成型技術(shù)（SL/SLA），又可稱為立體光刻成型技術(shù)。它主要采用液態(tài)光敏樹脂原料，通過3D設(shè)計軟件設(shè)計出三維數(shù)字模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計掃描路徑，按設(shè)計的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，分層掃描固化疊加成三維工件原型。它能簡便快捷的加工制造出各種傳統(tǒng)加工方法難以加工制作的復(fù)雜的三維實體模型，在加工領(lǐng)域中具有劃時代的意義。采用SLA技術(shù)制作的模型一般制作層厚在0.05至0.15mm之間，且成型的零件精度較高，表面質(zhì)量較好，系統(tǒng)分辨率較高，并且可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)！?/p>

當(dāng)前SLA技術(shù)的發(fā)展主要在如下幾個方面：（1）數(shù)據(jù)處理軟件性能越來越強(qiáng)。（2）激光技術(shù)的進(jìn)步使成型速度大幅度提升，如成本更低、穩(wěn)定性更高、壽命更長的紫外固體激光器的應(yīng)用。（3）光敏樹脂材料技術(shù)的進(jìn)步使光固化成型技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣。例如，一種適用于消失鑄造的低粘度光敏樹脂，一種可直接用于加工注塑模具的高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫的復(fù)合光敏樹脂。

3 主要研究內(nèi)容

主要目標(biāo)：對光固化快速成型技術(shù)在汽車換擋手柄成型領(lǐng)域中進(jìn)行更深層次的探索。由于光固化快速成型技術(shù)在汽車零部件的領(lǐng)域的探索還處于初步階段，所有的探索暫時只是停留在建模軟件的優(yōu)化和開發(fā)或者是打印材料和打印技術(shù)的開發(fā)和優(yōu)化。對于在汽車領(lǐng)域的使用也暫時停留在概念汽車的設(shè)計或者是汽車的美學(xué)研究和汽車內(nèi)飾的設(shè)計。本項目的研究能夠在此空白領(lǐng)域進(jìn)行一定的探索研究和創(chuàng)新，使光固化快速成型技術(shù)將來在汽車零部件的領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用，并且能夠為大眾所接受。此項增材制造的方式將會給制造業(yè)帶來大幅度的節(jié)約成本的作用。

創(chuàng)新點：使用光固化快速成型技術(shù)生產(chǎn)汽車零部件?？梢源蠓冉档蜕a(chǎn)成本，對于小批量生產(chǎn)尤為明顯；加快生產(chǎn)進(jìn)度，避免了模具設(shè)計等大量的前期工作，可根據(jù)零部件三維模型直接打印生產(chǎn)；光固化快速成型技術(shù)可以最大限度的滿足消費者的個性化需求。

我國的汽車零部件產(chǎn)業(yè)幾乎都是依附汽車廠而存在的，制造方法也大多是比較傳統(tǒng)的制作方法，比如：車削，銑削，刨削，磨削，鏜削等。這些制造方式都是減材的制造，在制造的過程中將要浪費大量的材料，另外，假如在加工過程中出現(xiàn)失誤，那么結(jié)果就只能是報廢。這些方式都將會造成大量的資源浪費。如果是采用模具制造的話，那么制作模具也會要消耗大量的時間。而且，傳統(tǒng)的設(shè)計也需要在不斷的失敗之中才能得到最后成功的零件，這其中消耗的人力物力也不少。

對于中國目前的狀況來說，中國正打算由“工業(yè)大國”轉(zhuǎn)向“工業(yè)強(qiáng)國”，而光固化快速成型技術(shù)可以一定程度上加快中國目前的制造業(yè)由傳統(tǒng)機(jī)械或手工制造轉(zhuǎn)向智能化的進(jìn)程。使得我國的工業(yè)領(lǐng)域能夠和信息領(lǐng)域進(jìn)行更加深層次的融合，提升我國的工業(yè)實例和競爭力。

本項目的技術(shù)關(guān)鍵：（1）光固化材料技術(shù)。光敏樹脂材料對光固化成型的應(yīng)用至關(guān)重要，其直接決定了光固化快速成型技術(shù)的應(yīng)用價值；不同的光敏樹脂性能區(qū)別大，用途廣泛；本項目所研究的汽車換擋手柄需要疲勞強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定的光敏樹脂材料。（2）激光技術(shù)。激光器的功率直接決定了光固化的成型速度；當(dāng)前激光器還存在使用壽命不長的缺陷有待改善；光固化快速成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用還有待激光器的小型化。

4 項目技術(shù)路線和組織實施

技術(shù)路線：（1）經(jīng)過討論后，確定所研究的汽車零部件。（2）設(shè)計出所需產(chǎn)品或零件的計算機(jī)三維數(shù)據(jù)模型；然后根據(jù)光固化快速成型技術(shù)的工藝要求，按照一定的方式將該模型離散為一系列有序的二維單元，即將原來的三維模型變成一系列的二維層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；由成型系統(tǒng)將一系列二維層片自動成型的同時進(jìn)行相互粘結(jié)，最終得到所需的三維物理實體或功能制件。（3）檢測光固化快速成型的零件質(zhì)量。（4）比較光固化快速成型技術(shù)和傳統(tǒng)成型方式在特定汽車零部件制造方面的優(yōu)缺點。

組織實施：（1）資料收集。查閱光固化快速成型技術(shù)在汽車部件成型應(yīng)用方面的文獻(xiàn)和研究成果；召開3D打印專業(yè)教師座談會，對光固化快速成型在汽車部件成型應(yīng)用方面的可行性、優(yōu)勢、不足之處進(jìn)行討論。（2）研究探索。研究光固化快速成型技術(shù)可應(yīng)用于哪些汽車零部件的成型制造，及其與傳統(tǒng)成型制造方式的比較。（3）實驗驗證。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先利用CAD軟件（UG、Inventor等）對汽車換擋手柄進(jìn)行實體建模，然后將模型導(dǎo)出成STL標(biāo)準(zhǔn)文件格式，然后在快速成型機(jī)配套的數(shù)據(jù)處理軟件直接打開STL文件并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主要是進(jìn)行零件造型方向和支撐設(shè)計，分層處理；然后在光固化快速成型機(jī)上快速制造產(chǎn)品模型，設(shè)定打印參數(shù)，并檢驗光固化快速成型的汽車擋把手柄質(zhì)量是否能滿足實際需求。（4）整理研究資料，申請外觀造型專利。

5 市場需求預(yù)測及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)與帶動作用

根據(jù)美國P＆S市場研究中心近日發(fā)布的市場研究報告，2017年全球3D打印市場價值為85.836億美元，年增長率為24.6%。預(yù)計到2023年，全球3D打印市場價值預(yù)計將達(dá)到318.63億美元。目前，3D打印技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)主要集中在工業(yè)產(chǎn)品的樣件制作領(lǐng)域，如家電、模具、玩具、汽車等新產(chǎn)品，新工藝品的開發(fā)與包裝，以及外觀要求較高的零部件或元器件的快速加工與制作。當(dāng)前，國內(nèi)企業(yè)3D打印設(shè)備條件有限，僅對于單個小批量的3D打印的原形件的有一定需求量。但是工業(yè)領(lǐng)域中快速成型生產(chǎn)方式已漸漸應(yīng)用，市場需求進(jìn)一步加大。

本項目所研究的光固化快速成型技術(shù)主要用于汽車部件成型，汽車行業(yè)市場需求廣泛，特別是DIY定制及汽車改裝市場前景廣闊、客戶需求增長迅速。本項目所研究的使用光固化快速成型技術(shù)生產(chǎn)汽車零部件技術(shù)迎合市場的發(fā)展方向，對汽車零部件換擋把手進(jìn)行工藝設(shè)計，先進(jìn)的光固化快速成型技術(shù)不需要單獨設(shè)計模具，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，適于消費者DIY定制、汽車個性改裝等小批量生產(chǎn)；加快生產(chǎn)效率，根據(jù)消費者的需要設(shè)計零部件擋把手三維模型直接打印生產(chǎn)使用，可以最大限度的滿足消費者的需求。以先進(jìn)的光固化快速成型技術(shù)來推動汽車行業(yè)的發(fā)展，帶動相關(guān)汽車多樣化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

6 對環(huán)境的影響及預(yù)防治理方案

本項目所研究3D打印機(jī)的光固化成型主要使用液態(tài)光敏樹脂作為材料，原材料的利用率將近100%。但是原材料為液體樹脂，在固化過程中，會少量揮發(fā)一部分化合物，這些化合物的濃度顯著的低于監(jiān)管機(jī)構(gòu)規(guī)定的上限。后續(xù)處理將3D打印產(chǎn)品浸沒在腐蝕性的液體中進(jìn)行浸泡一段時間。這個過程還可能需要用到刷子、鑷子等工具輔助，建議使用丁腈橡膠手套，防濺擋板，面罩和防護(hù)眼鏡(CMU)進(jìn)行防護(hù)。治理方案是將廢水送入梯級溫差濃縮裝置進(jìn)行廢水的濃縮與分離的方式。

噪音方面，3D打印機(jī)附近的噪聲等級符合職業(yè)安全與衛(wèi)生局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。3D打印機(jī)的外部噪音平，內(nèi)部噪音大約符合職業(yè)安全與衛(wèi)生局低于85分貝的要求。

光固化快速成型技術(shù)的汽車換擋手柄成型研究，這一新的生產(chǎn)工藝，不需要傳統(tǒng)的刀具、機(jī)床、夾具，便可快速而精密的制造出復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的零件，在新產(chǎn)品生產(chǎn)前期的設(shè)計、評價、修改階段，發(fā)揮著重要作用，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，特別是在汽車零部件改進(jìn)生產(chǎn)上，發(fā)揮了突出作用。