三維重建及3D打印在復(fù)雜鈑金試制焊接工裝中的實(shí)踐應(yīng)用

趙燁菊 徐寧 崔海林

摘要：三維重建及3D打印技術(shù)目前是較為前沿的技術(shù)，逐漸吸引了大眾的眼球，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。由于三維重建與3D打印技術(shù)與所需創(chuàng)造的物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度無關(guān)，所以現(xiàn)階段我國創(chuàng)造出利用三維技術(shù)和3D打印技術(shù)形成成形塊用于一種新型焊接定位的技術(shù)，從而達(dá)到高精度的定位和焊接，快速高效完成產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)復(fù)雜鈑金的快速高質(zhì)量制造，三維重建及3D打印技術(shù)還可以應(yīng)用于多方面焊接工作中，可以大幅度提高焊接精準(zhǔn)度。

Abstract： Three-dimensional reconstruction and 3D printing technology are currently relatively cutting-edge technologies， which have gradually attracted the attention of the public and become the focus of research by domestic and foreign scholars. Since three-dimensional reconstruction and 3D printing technology have nothing to do with the complexity of the object structure to be created， at this stage， my country has created a new type of welding positioning technology that uses three-dimensional technology and 3D printing technology to form a shaped block to achieve high-precision positioning And welding， complete products quickly and efficiently， and improve product quality， thereby realizing the rapid and high-quality manufacturing of complex sheet metal in the modern automobile industry. Three-dimensional reconstruction and 3D printing technology can also be applied to various welding tasks， which can greatly improve welding accuracy.

關(guān)鍵詞：三維重建;3D打印;復(fù)雜鈑金;焊接工裝

Key words： three-dimensional reconstruction;3D printing;complex sheet metal;welding tooling

中圖分類號：P755.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0082-02

0? 引言

在我國汽車領(lǐng)域行業(yè)中，汽車零件的批量生產(chǎn)前會經(jīng)過一系列的試制環(huán)節(jié)，相對于正式批量生產(chǎn)來說，試制環(huán)節(jié)具有一套比較完整的流程，生產(chǎn)周期長，對其投入的資金力度大。但這些滿足不了現(xiàn)代社會的需求，零件在批量生產(chǎn)的過程中，往往更希望達(dá)到快速、低成本、高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。因此，對零件生產(chǎn)采用三維重建和3D打印技術(shù)，可以進(jìn)一步縮短復(fù)雜鈑金的生產(chǎn)周期，降低了復(fù)雜鈑金在生產(chǎn)時所花費(fèi)的費(fèi)用;采用三維重建和3G打印技術(shù)，對復(fù)雜鈑金件進(jìn)行生產(chǎn)，可以達(dá)到高效生產(chǎn)，低經(jīng)濟(jì)成本生產(chǎn)等一系列人們所追求的目標(biāo)。下面通過用三維重建和3D打印技術(shù)在汽車儀表臺金屬管梁支架試制方面的應(yīng)用為例，來探索三維重建及3D打印技術(shù)在復(fù)雜鈑金試制焊接工裝中的實(shí)踐應(yīng)用。

1? 提出問題

1.1 對汽車儀表臺管梁支架相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行分析

在我國的汽車生產(chǎn)中，汽車的中控主儀表臺的金屬管梁支架，一般來說是連接了汽車的儀表板，在汽車中所有的指示開關(guān)和點(diǎn)火器的一個總控開關(guān)稱為儀表板，同時儀表板也是汽車中部分設(shè)備的控制中心和裝飾對象，儀表板一般在汽車中都比較顯眼，為了讓司機(jī)在駕駛中能夠更加高效地觀察到汽車的狀況，也是整個汽車中最吸引駕駛員的地方，儀表板在發(fā)揮功能時，要借助管梁來連接汽車中多個設(shè)備從而來實(shí)現(xiàn)它所具有強(qiáng)大而復(fù)雜的功能，汽車的管梁支架一般為金屬制造，金屬管梁支架通常由一根圓管和圍繞在它周圍的一些零件組成，組合結(jié)構(gòu)相對于其他來說較復(fù)雜，而且形狀不是規(guī)律性的，這樣子就為批量生產(chǎn)的時候帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1.2 汽車管梁支架在傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中所存在的問題

1.2.1 管梁支架在批量生產(chǎn)時一般所需的流程? 在汽車生產(chǎn)的過程中對金屬管梁支架在批量生產(chǎn)的時候，通常采用將各個部分的零件逐個開模沖壓成形，然后再將各個部分的零件與中心圓管相結(jié)合，在中心圓管和各個部分的零件連接起來后，然后通過制造焊接夾具與工裝對組裝的各個接口進(jìn)行焊接和定位，從而完成焊接。

1.2.2 管梁支架在傳統(tǒng)制作的流程? 管梁支架的傳統(tǒng)制作流程與批量生產(chǎn)流程大體相同，傳統(tǒng)的制作過程則需要對各個零件采用激光切割、鈑金折疊、簡易沖壓等方式使之成型，在模具沖壓成型后，再與中央圓管相連接，繼而進(jìn)行焊接從而達(dá)到定位的目的，這樣的定位需要設(shè)計和制造出較為簡易的焊接定位工裝和夾具來進(jìn)行定位，一般來說較為復(fù)雜，所制造出來的管梁支架效率較低。

1.2.3 傳統(tǒng)和批量制作管梁支架中所存在的問題? 在傳統(tǒng)的批量制作管梁支架中，這樣可以保證所制造管梁支架的焊接精度和高精度定位，但在焊接工裝中所需花費(fèi)的時間較長，延長了做工周期，影響了后續(xù)的生產(chǎn)進(jìn)度，生產(chǎn)成本相對來說也較高。傳統(tǒng)的批量生產(chǎn)在工裝本身的設(shè)計和制造中占據(jù)了絕大部分時間和預(yù)算，從而加大了所需預(yù)算成本，這樣的預(yù)算在試制項目中會增大開銷，從而降低效率。這種傳統(tǒng)制作方法只適合于那些大批量產(chǎn)品的焊接制造。而樣品制造則需要縮短制造時間，降低制造成本，從而提高制造效率，而傳統(tǒng)制造方法所需要花費(fèi)的時間較長，預(yù)算較大，不適合樣品制造。

2? 解決問題

三維重建和3D打印技術(shù)通常來說是一種以數(shù)字模型文件作為基礎(chǔ)，通過液態(tài)光敏樹脂或塑料或金屬粉末來進(jìn)行粘合從而制造產(chǎn)品，是一種較為簡便的制造產(chǎn)品方式。使用者可以通過逐層打印的方式來對所需構(gòu)造的物體進(jìn)行創(chuàng)造，簡單來說就是在較短時間內(nèi)通過花費(fèi)較少的預(yù)算來進(jìn)行加工產(chǎn)品或者制造產(chǎn)品的一種快速成型技術(shù)。在現(xiàn)代一些加工產(chǎn)品或者制造產(chǎn)品方面，三維重建和3D打印技術(shù)可以快速制造出任何形狀的物體。在我國原型制造和工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域上面，三維重建和3D打印技術(shù)得到了設(shè)計驗(yàn)證，隨著該技術(shù)的發(fā)展，一些產(chǎn)品的直接制造方面上也使用此方法。在產(chǎn)生時，對產(chǎn)品質(zhì)量也有著非常高的要求，需要采用簡易模具沖壓成形，鈑金折彎、焊機(jī)等鈑金加工工藝和流程，都需要單獨(dú)完成，然后將每個零件焊接在中心圓管上面，保證軸向和圓周方向的精準(zhǔn)焊接。

3? 三維重建和3D打印技術(shù)在焊接定位方面上的探索歷程

三維重建和3D打印技術(shù)可以快速成型，將三維重建和3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相結(jié)合，從而可以找到一種適合開發(fā)小部件或小批量復(fù)雜鈑金試制的焊接新方法，接下來將以在汽車領(lǐng)域中對中控主儀表臺金屬管梁焊接來進(jìn)行簡單說明。

3.1 所需制造產(chǎn)品的要求

在我國汽車領(lǐng)域中，對金屬管梁焊接的工作，通常要求在焊接中將各個部位的零件采用簡易模具沖壓成型的方法，進(jìn)而通過鈑金折疊，焊接與鈑金加工使零件成型，然后將各個部位的成型零件與中心圓管相互焊接，在焊接過程中切要注意焊接的定位精度，從而保證軸向和圓周方向。

3.2 在焊接定位中所需的具體步驟

步驟一：在制造金屬管的前期，要以中心圓管為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計模型，在設(shè)計過程中通過三維重建和3D打印技術(shù)將定位模型圍繞中心圓管的形狀制造出來，完成后將各個部分焊接的零件與中央圓管結(jié)合的輪廓曲面提取出來，進(jìn)而生成相應(yīng)的定位孔和定位槽，在生成的定位孔和定位槽面上，定位孔和定位槽的形狀和位置要與零件設(shè)計位置上面的圓周和軸向相同，從而提高精準(zhǔn)度。步驟二：將所設(shè)計好的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)而進(jìn)行三維重建和3D打印，所采用的材料可以選取SLA光敏樹脂，打印后則可以發(fā)現(xiàn)打印出的材料與所設(shè)計的數(shù)據(jù)幾乎完全一致，各個零件上的定位孔和定位槽在圓周和軸向上的方向位置與各個部位的零件設(shè)計方面上的形狀和位置幾乎完全一致。步驟三：利用三維重建和3D打印技術(shù)打印出來的定位工裝模型與中心圓管相套，再根據(jù)所打印出來的模型，使上面的定位孔和定位槽與中心圓管上的定位孔和定位槽裝配對接，將需要焊接的各個零件，用螺絲或點(diǎn)焊的方式進(jìn)行簡單固定。步驟四：對定位模型工裝進(jìn)行破壞拆除。由于所用的材料是光敏樹脂，極其容易破壞，在定位模型工裝破壞后對每個金屬零件進(jìn)行補(bǔ)焊牢固，在補(bǔ)焊牢固之后就可發(fā)現(xiàn)原本較為復(fù)雜麻煩的部分也順利完成。步驟五：進(jìn)行產(chǎn)品焊接效果評估。產(chǎn)品在采用三維重建和3D打印技術(shù)試制完成生產(chǎn)后，主要需要對產(chǎn)品進(jìn)行效果評估，對試制產(chǎn)品效果評估是對接下來批量生產(chǎn)的一個重要開端。將焊接好的金屬管進(jìn)行3D掃描，將掃描出來的云數(shù)據(jù)與最開始所設(shè)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，通過對各個部分的誤差進(jìn)行測量分析，可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)打印出來的試制產(chǎn)品，通過擬合檢測，所采用3D打印技術(shù)，打印出來的零件與標(biāo)準(zhǔn)零件誤差均小于一毫米，可以滿足產(chǎn)品在規(guī)定誤差內(nèi)使用的要求，因此，使用三維重建和3D打印技術(shù)制造試制產(chǎn)品定位焊接方法應(yīng)用成功。

4? 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化的進(jìn)程加速，“中國制造2025”相比美國“再工業(yè)化構(gòu)想”、日本“工業(yè)智能化”和德國“工業(yè)4.0”等，我們不難發(fā)現(xiàn)目前全球先進(jìn)制造業(yè)都聚焦在3D打印等方面。利用三維重建和3D打印技術(shù)打印，我國市場上開始大量需求，一些小批量、多樣化、柔性化的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的生產(chǎn)由于生產(chǎn)數(shù)量較多，采用傳統(tǒng)生產(chǎn)方式則可能導(dǎo)致時間周期拉長，產(chǎn)品的預(yù)算花費(fèi)增加，這些都會降低實(shí)際生產(chǎn)效果，而生產(chǎn)周期、產(chǎn)品預(yù)算花費(fèi)、生產(chǎn)效果等都是制約產(chǎn)品發(fā)展的重要因素。通過三維重建和3D打印技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行制造，可以很好的把控這些因素，進(jìn)而滿足工廠和市場對產(chǎn)品的需求。再通過對三維重建和3D打印技術(shù)的多次應(yīng)用分析后可以發(fā)現(xiàn)三維重建和3D打印技術(shù)可以減少前期設(shè)計所需要的時間和成本，采用三維重建和3D打印技術(shù)，可以在半個小時或者數(shù)小時之內(nèi)便可完成所需制造，進(jìn)而大大縮短了制造時間，減少了花費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，相比傳統(tǒng)制造來說，大大節(jié)省了時間成本。三維重建和3D打印技術(shù)可以減少前期所需制備的設(shè)計量，在對產(chǎn)品進(jìn)行3D打印和三維重建之前往往會進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)計，定位工裝模型通常以產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為根本，采用3D打印技術(shù)，可以直接提取所需焊接零件的特性和曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，可以在較短時間內(nèi)達(dá)到廠家生產(chǎn)的目的，大大減少了前期所需制備的設(shè)計量

三維重建和3D打印技術(shù)制造出的產(chǎn)品可以完全與設(shè)計數(shù)據(jù)相吻合，通過對三維重建和3D打印后的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析可得，所制造出產(chǎn)品的數(shù)據(jù)與可用數(shù)據(jù)完美吻合，本方法適用于研發(fā)單個或少量生產(chǎn)樣品，后期可以在其他鈑金件焊接中進(jìn)行推廣，技術(shù)效應(yīng)十分顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻雄偉.3D打印在復(fù)雜鈑金試制焊接工裝中的應(yīng)用[J].模具制造，2019，19（11）：59-61.

[2]亢寧寧.石墨烯調(diào)控3D打印高強(qiáng)高孔隙率功能鈦的研究[D].西安理工大學(xué)，2020.

[3]李政潔.基于3D打印模具的陶瓷靜態(tài)螺旋切割器成型研究[D].江南大學(xué)，2020.

[4]王龍軒.鑄鋼分叉節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計與3D打印制造研究[D].河南大學(xué)，2020.

[5]胡支棟，李信麗.汽車鈑金焊接質(zhì)量研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（18）：47.

[6]馬智，徐念.鈑金加工組焊工藝分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（12）：153-154.

[7]周欣科，周成林.一種新型激光鈑金焊接工藝與設(shè)備的開發(fā)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（10）：100-102.

[8]楊曉龍，李冰，劉鑫.鈑金加工組焊工藝分析[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2017（02）：179-180.