使用3D打印技術(shù)打印汽車(chē)的方案

1、汽車(chē)車(chē)身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5120519012 蔣沐陽(yáng)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料制造數(shù)字化技術(shù)基礎(chǔ)課程論文汽車(chē)車(chē)身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)課程題目：作者姓名： 蔣沐陽(yáng)班 級(jí)： F1205101學(xué) 號(hào)： 5120519012成績(jī)?cè)u(píng)定： 18目錄摘要1第一章：課題背景21.1 3D打印技術(shù)概述21.2 3D打印的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀31.2.1 3D打印技術(shù)在國(guó)際上的發(fā)展現(xiàn)狀31.2.2 3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀4第二章：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案62.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)62.2 設(shè)計(jì)思路61.耗材選擇62.打印系統(tǒng)概述63.STL切片模型的構(gòu)建流程設(shè)計(jì)84.溫度控制回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)95.噴頭移動(dòng)、XYZ方向控制設(shè)計(jì)10

2、2.3系統(tǒng)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)可行性分析11第三章：3D打印表面成型質(zhì)量和精度的檢測(cè)和控制123.1 控制3D打印成品質(zhì)量的方法123.2 表面粗糙度檢測(cè)方法123.3 信號(hào)采集方法133.4 濾波和信號(hào)處理方式133.5 表面粗糙度檢測(cè)的控制方式14第四章： 預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案154.1 預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)154.2 關(guān)鍵技術(shù)154.3 解決方案15第五章： 結(jié)論15參考文獻(xiàn)：16摘要： 3D打印技術(shù)是快速打印技術(shù)的一種，是當(dāng)今科學(xué)界最為炙手可熱的研究對(duì)象之一，號(hào)稱(chēng)是第三次工業(yè)革命的帶頭技術(shù)。本文從3D打印的前世今生說(shuō)起，簡(jiǎn)略地概括了3D打印的歷史與定義，描述了幾種基本的3D打印方法，并且闡述了

3、3D打印在目前的幾種應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)，也大致分析了一下3D打印在目前的國(guó)際和國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀。本文的重點(diǎn)在于描述一種使用3D打印技術(shù)制造汽車(chē)車(chē)身的方案。方案涵蓋了材料選擇、打印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、基于STL模型的切片模型的構(gòu)建、基于PID控制的溫控回路的設(shè)計(jì)以及機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)地描述了各步驟的要點(diǎn)，繪制了各步驟的框圖。 之后，本文講述了一些影響3D打印表面成型質(zhì)量的因素，介紹了一種檢測(cè)模型表面粗糙程度的方法：光散射法檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)信號(hào)采集、濾波方式和信號(hào)處理辦法講述了測(cè)量信號(hào)的使用辦法。最后，本文也總結(jié)了一些本方案的不足之處。關(guān)鍵詞：3D打印 汽車(chē)車(chē)身 FDM技術(shù) 切片法 PID控制 光散射法檢測(cè) 第

4、一章：課題背景人類(lèi)的歷史，就是一部不斷挑戰(zhàn)自然、發(fā)明新技術(shù)以改善生活的故事。從延續(xù)幾萬(wàn)年的石器時(shí)代，到戰(zhàn)爭(zhēng)的炮火轟開(kāi)科技大爆炸的種子；從蒸汽機(jī)為第一次工業(yè)革命吹響號(hào)角，到福特汽車(chē)流水線上滾滾的長(zhǎng)龍。而今距離現(xiàn)代社會(huì)的開(kāi)端僅僅幾十年，我們?cè)缫殉两谛畔⒒鐣?huì)的海洋中。美國(guó)著名的經(jīng)濟(jì)學(xué)家里弗金，早在2008年的一本著作第三次工業(yè)革命中便寫(xiě)道，以信息、能源、制造、營(yíng)銷(xiāo)、物流的民主化為主要支撐的第三次工業(yè)革命已經(jīng)到來(lái)。在這個(gè)新的工業(yè)時(shí)代中，新能源將會(huì)和互聯(lián)網(wǎng)緊密相連，產(chǎn)生分布式的能源網(wǎng)絡(luò)，而3D打印技術(shù)，將以其簡(jiǎn)單、快捷、廉價(jià)的特性為人們實(shí)現(xiàn)個(gè)人自主制造，即制造的民主化，從而極大地提升我們的社會(huì)生產(chǎn)效

5、率。11.1 3D打印技術(shù)概述3D打?。═hree Dimension Printing），顧名思義，就是像將文字打印到平面紙張上（2D打?。┮粯?，通過(guò)層層疊加的方式，制造出三維的工件來(lái)，這實(shí)際上是一種更為通俗的說(shuō)法。它的許多別稱(chēng)有，增材制造(Additive Manufactory)、快速成型(Rapid Prototyping)、任意成型(Freedom Fabrication)、快速原型/零件制造(Rapid Prototyping/Manufactory)等等2。要使用3D技術(shù)來(lái)打印一個(gè)物體，首先電腦里應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)數(shù)字模型，這個(gè)模型可以使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或是其他制作3D模型的

6、軟件來(lái)完成，也可以使用3D掃描儀來(lái)掃描一個(gè)真實(shí)存在的物體來(lái)獲得。之后，3D打印機(jī)的軟件會(huì)將這個(gè)數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為切片模型，即將它以模擬的方式切割成許多薄層，在3D打印機(jī)的工作流程中，切片模型被轉(zhuǎn)化為打印頭的行走軌跡，通過(guò)一些特定的材料可以通過(guò)物體的形式一層一層地精確打印出來(lái)，直至完成一個(gè)完整的3D物體3。3D打印直接將虛擬的數(shù)字化實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，極大的簡(jiǎn)化了生產(chǎn)的流程，使得生產(chǎn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)成為可能，也是實(shí)現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。3D打印是一種堆積成型的成型方式，其基礎(chǔ)步驟包括了構(gòu)造三維模型、三維模型的切片與曲面的近似、薄層打印與疊加、打印后打磨等后處理流程等

7、過(guò)程（見(jiàn)圖1）。如今已經(jīng)有十幾種切實(shí)可行的3D打印技術(shù)，不過(guò)，幾乎所有的技術(shù)都基于3種基本方法。3在第一種方法中，3D打印機(jī)通過(guò)擠壓打印噴頭來(lái)形成鑄件或半液體材料。最常見(jiàn)的方法即為不斷擠壓流出熱塑性材料，這種材料能夠在離開(kāi)噴頭的時(shí)候迅速凝固成型。這里的材料可以是融化的金屬，也可以是奶酪、巧克力等食品原料，甚至還可以是液態(tài)混凝土，想象一下使用3D打印技術(shù)將一整棟樓打印出來(lái)的場(chǎng)景吧。第二種方法使用的是感光性樹(shù)脂，顧名思義，這種液體在暴露于激光或是其他光源中時(shí)會(huì)發(fā)生光聚合反應(yīng)而固化。3D打印機(jī)先是按照打印系統(tǒng)生成的路徑進(jìn)行掃描，噴射出一個(gè)單獨(dú)的液體層與托板相粘結(jié)，然后將托板下降一層的距離，同時(shí)使用光

8、線將液體固化，這時(shí)候，生成的第二層液體賤貨牢固地粘結(jié)在第一層固體之上，如此類(lèi)推，直至整個(gè)工件打印完畢。第三種方法，3D打印硬件通過(guò)逐層粘合一些精細(xì)的材料粉末來(lái)制作模型。材料高溫熔化成液態(tài)后，通過(guò)噴嘴擠壓出非常細(xì)小的球狀顆粒。再?lài)姵龊?，這些顆粒粉末會(huì)很快固化，從而在立體空間中緊密地組合排列成實(shí)物。這種技術(shù)精度非常高，強(qiáng)度也很可觀，但是成型之后表面粗糙度有待處理。隨著科技的完善與發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊。它可以用于改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)：相比于傳統(tǒng)的模型制造方法，3D打印無(wú)疑更為便捷快速且與計(jì)算機(jī)圖形更為貼合相近，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)的3D模型的模擬，設(shè)計(jì)者可以很方便地找出設(shè)計(jì)呈現(xiàn)在實(shí)物中的各方各面

9、的缺陷所在。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，雷諾F1車(chē)隊(duì)自從1988年以來(lái)便一直使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)賽車(chē)零件原型，從而測(cè)試賽車(chē)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力性能。它也可以用于打印模具，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式：傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程需要的夾具、模具等在制造過(guò)程中都費(fèi)時(shí)且昂貴，但是使用3D打印可以節(jié)省大量的金錢(qián)與時(shí)間。比如，在3D砂模鑄造模型的過(guò)程中，3D打印技術(shù)直接在熔化的金屬中打印鑄造模型，可以節(jié)省70%的總生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)更高的精度和更復(fù)雜的模具創(chuàng)建。43D打印最廣泛的應(yīng)用在于它可以直接參與數(shù)字化制造，即制造出最終的產(chǎn)品或部分的零件。它可以在不斷開(kāi)項(xiàng)鏈的情況下將它打印出來(lái)，也可以直接打印出一整套變速箱中的各種運(yùn)轉(zhuǎn)零件，從而繞開(kāi)組裝

10、的環(huán)節(jié)。當(dāng)然，這一切的一切都正在隨著科技的進(jìn)步不斷發(fā)展，相信在未來(lái)，我們還能夠看到3D打印機(jī)直接將一整架商業(yè)客機(jī)打印出來(lái)呢。圖1：一般3D打印技術(shù)的工藝流程1.2 3D打印的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1 3D打印技術(shù)在國(guó)際上的發(fā)展現(xiàn)狀從上世紀(jì)八十年代，3D打印技術(shù)的萌芽到如今，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已經(jīng)能夠在0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率。國(guó)際上較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)25mm厚度的垂直速率，并可實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印。5 在全球3D打印機(jī)行業(yè)，美國(guó)3D Systems和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。此外，在此領(lǐng)

11、域具有較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力和特色的企業(yè)/研發(fā)團(tuán)隊(duì)還有美國(guó)的FabHome和Shapeways、英國(guó)的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型設(shè)備開(kāi)發(fā)公司。于2011年11月收購(gòu)了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專(zhuān)利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。當(dāng)前，國(guó)際3D打印機(jī)制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過(guò)程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。目前,在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式（行業(yè)分布見(jiàn)圖2）。如在消費(fèi)電子業(yè)、航空業(yè)和汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的

12、造型。6圖2：全球3D打印技術(shù)行業(yè)分布示意圖圖3:3D打印設(shè)備數(shù)量區(qū)域分布圖在汽車(chē)制造方面，早在2010年年初，世界首款3D打印汽車(chē)Urbee便在美國(guó)面世。作為一款絕大部分零部件都是3D打印產(chǎn)物的混合動(dòng)力汽車(chē)，它的造價(jià)為5萬(wàn)美元。雖然外形比較獵奇，技術(shù)也不夠成熟，但這也給3D打印汽車(chē)的進(jìn)程開(kāi)了個(gè)好頭。在最近幾年里，3D打印技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。參加2012年世界賽車(chē)錦標(biāo)賽的BMWMINI Countryman車(chē)隊(duì)在那時(shí)就開(kāi)始與站在汽車(chē)技術(shù)最前沿的Prodrive公司合作，從最開(kāi)始的車(chē)手顯示屏，到空氣動(dòng)力學(xué)傳感器外殼，再蔓延到幾乎整輛賽車(chē)：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、賽車(chē)頂部變流片等等，都在3D打印

13、技術(shù)中得到了應(yīng)用。現(xiàn)在，汽車(chē)中有100多個(gè)部件都可以使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)。使用3D打印或者其他增材制造方式可以有效減少零部件從供應(yīng)商到組裝商的運(yùn)輸成本，對(duì)汽車(chē)制造廠商來(lái)說(shuō)無(wú)疑是很大的便利。1.2.2 3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的許多高校就陸陸續(xù)續(xù)地開(kāi)始了3D打印的研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢(shì)；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢(shì)，并已推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開(kāi)發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料。但是總體而言，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國(guó)外相比還有較大差距 7。

14、近年來(lái)，國(guó)內(nèi)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷(xiāo)售，這些企業(yè)共同的特點(diǎn)是由海外歸國(guó)團(tuán)隊(duì)建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國(guó)外廠商同類(lèi)產(chǎn)品相比尚處于低端。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提升。在服務(wù)領(lǐng)域，我國(guó)東部發(fā)達(dá)城市已普遍有企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口3D打印設(shè)備開(kāi)展了商業(yè)化的快速成型服務(wù)，其服務(wù)范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設(shè)計(jì)、文物復(fù)原等多個(gè)領(lǐng)域。與內(nèi)地相比，我國(guó)港臺(tái)地區(qū)3D打印技術(shù)引入起步較早，應(yīng)用更為廣泛，但港臺(tái)主要著重于技術(shù)應(yīng)用，而非自主研發(fā)。而在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，包括奇瑞汽車(chē)、長(zhǎng)安福

15、特、東風(fēng)汽車(chē)公司等我國(guó)的汽車(chē)企業(yè)及其零部件配套生產(chǎn)企業(yè)在研發(fā)和制作缸體、缸蓋、變速器齒輪等產(chǎn)品過(guò)程中也已經(jīng)開(kāi)始使用 3D 打印技術(shù)?？梢钥吹?，無(wú)論是國(guó)外的車(chē)企還是國(guó)內(nèi)的這些生產(chǎn)廠商，普遍更為青睞使用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)汽車(chē)的零部件，而非將汽車(chē)整輛打印出來(lái)，原因大致有以下幾方面：首先，3D打印技術(shù)如今的應(yīng)用尚不成熟，Urbee作為第一輛大部分車(chē)身都來(lái)自3D打印的汽車(chē)，耗時(shí)近三個(gè)月，造價(jià)相比傳統(tǒng)汽車(chē)也毫無(wú)優(yōu)勢(shì)。其次，世界上傳統(tǒng)的車(chē)企如今已經(jīng)形成了一條穩(wěn)定的零部件產(chǎn)業(yè)輸送鏈，而作為新興的產(chǎn)業(yè)，3D制造技術(shù)還沒(méi)有擁有一條穩(wěn)定可靠的物流網(wǎng)絡(luò)作為大批量生產(chǎn)的媒介。所以，如果不能夠解決成本與物流的問(wèn)題的話，3

16、D打印汽車(chē)只能是實(shí)驗(yàn)室的新奇玩意兒。相信隨著時(shí)間的推進(jìn)，3D打印汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)可以蓬勃地發(fā)展。那么，3D打印技術(shù)會(huì)不會(huì)淹沒(méi)在歷史的洪流里呢？這點(diǎn)我們倒不用擔(dān)心。3D打印出的汽車(chē)更具有模塊化，無(wú)論是維修還是組裝都相比傳統(tǒng)汽車(chē)要便捷很多，它的普及也只是時(shí)間問(wèn)題了。圖5：世界首款3D打印汽車(chē)Urbee第二章：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)使用3D打印技術(shù)，選取適當(dāng)?shù)牟牧希O(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單快捷的車(chē)體打印系統(tǒng)，用戶(hù)可以使用自己的CAD模型通過(guò)軟件轉(zhuǎn)化為STL文件進(jìn)行打印。該套系統(tǒng)對(duì)于工作環(huán)境以及打印設(shè)施沒(méi)有苛刻的需求，打印出的車(chē)身務(wù)求光滑、復(fù)合動(dòng)力學(xué)特征。在可能發(fā)生的交通事故中，減少因?yàn)閼?yīng)力集中或者材料堆積

17、不當(dāng)造成的車(chē)身開(kāi)裂或是膨脹變形等悲劇。同時(shí)，在保證車(chē)身質(zhì)量以及制造效率的同時(shí)，能夠?qū)r(jià)格維持在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。2.2 設(shè)計(jì)思路1. 耗材選擇3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹(shù)脂、橡膠類(lèi)材料、金屬材料和陶瓷材料等8。從已有的材料中可以看出，無(wú)論是Local Motors所研制的strati3D打印電動(dòng)汽車(chē)還是聞名遐邇的第一、第二代Urbee混合動(dòng)力汽車(chē)都沒(méi)有使用金屬材料作為打印材料。Strati汽車(chē)使用的是黑色ABS塑料層以及碳纖維加固層，無(wú)獨(dú)有偶，Urbee汽車(chē)也是絕大部分都使用

18、ABS工程塑料打印而成。從這兩個(gè)例子里不難發(fā)現(xiàn)，相比起金屬材料，工程塑料明顯更受汽車(chē)廠商的青睞。一方面，工程塑料變形溫度大大低于金屬材料，加工方便；另一方面，工程塑料的強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度以及抗老化性都極其優(yōu)秀，在3D打印的拉伸、抽絲、冷卻固化這些步驟里可以很好地完成自己的任務(wù)。目前在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中最常用的工程塑料是ABS材料（在熔融沉積造型中經(jīng)常使用）以及PC材料9。ABS材料（Acrylonitrile Butadiene Styrene）強(qiáng)度高，韌性好，在90以上即可進(jìn)行機(jī)械加工（鉆孔、噴漆、電鍍等）。同時(shí)，它有許多的顏色種類(lèi)，可以滿足口味挑剔的買(mǎi)家。而PC材料（聚碳酸酯）是真正的熱

19、塑性材料，它的高強(qiáng)度、耐高溫和抗沖擊、抗彎曲能力都達(dá)到了一定程度，從而可以直接在汽車(chē)上裝配使用。綜合以上兩種材料，我們?cè)谶@里使用PC-ABS材料8。它具備了ABS的韌性和PC材料的耐高溫和耐熱性，能夠有效地保障汽車(chē)的使用者；同時(shí)具有一定的流動(dòng)性，在3D打印的過(guò)程中能夠提供一定的便捷；ABS材料的特性也使它能夠應(yīng)用在汽車(chē)這樣的大塊頭成品中。PC-ABS材料的熔化溫度為230300攝氏度，其分解溫度大致在250攝氏度左右，在后文的溫度控制環(huán)節(jié)中將會(huì)對(duì)此加以注意。2. 打印系統(tǒng)概述根據(jù)使用的材料PC-ABS材料，這里使用FDM（熔絲沉積制造）技術(shù)，即第一章中提到的第一種基礎(chǔ)方法，其打印流程見(jiàn)圖6。從

20、硬件上，打印系統(tǒng)分為三部分：文件存儲(chǔ)和傳輸部分、驅(qū)動(dòng)控制電路部分以及機(jī)械傳動(dòng)部分。首先，通過(guò)單片機(jī)上的存儲(chǔ)設(shè)備直接從計(jì)算機(jī)上讀取事先建好的3D模型，由單片機(jī)對(duì)之進(jìn)行分析與切片（或者直接將打印所需的STL文件存儲(chǔ)入單片機(jī)中），同時(shí)，建立一個(gè)X-Y軸的平面，并且該平面能夠在Z軸上上下運(yùn)動(dòng)，從而為稍后的噴頭打印做準(zhǔn)備；其次，從單片機(jī)輸出控制指令，通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用解析過(guò)的數(shù)據(jù)處理控制噴頭以及X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)；機(jī)械傳動(dòng)部分包括了X、Y、Z軸的直線運(yùn)動(dòng)與定位，以及對(duì)噴頭模塊的加熱和供料系統(tǒng)的控制。在實(shí)際工作中，單片機(jī)讀取了三維模型之后，輸出控制指令，控制噴頭的溫度使材料熔化，同時(shí)控制噴頭

21、的噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的量。每打好一層，從外部的存儲(chǔ)設(shè)備讀取下一層的參數(shù)，打印下一層，直到全部模型完成。在后面的第3、4、5節(jié)中將分別詳細(xì)闡述對(duì)于切片程序、溫度控制以及噴頭移動(dòng)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 程序的總框架見(jiàn)圖7。圖6：FDM成型流程圖 圖7：總程序框架3. STL切片模型的構(gòu)建流程設(shè)計(jì)10對(duì)3D模型的切片模擬過(guò)程是整個(gè)3D打印中最開(kāi)始的步驟。這部分的內(nèi)容涉及到了STL模型的切割，其中的三個(gè)重要環(huán)節(jié)是建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、求交線以及生成截面輪廓線。流程圖見(jiàn)圖8。圖8：STL切片模型流程在切片處理過(guò)程中有許多的算法，比如直接求交線切片算法以及進(jìn)階的模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法等。在這里使用基于Z坐標(biāo)的分層算法，這

22、種算法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的拓?fù)潢P(guān)系算法。在讀取STL文件數(shù)據(jù)時(shí)記錄各頂點(diǎn)的Z坐標(biāo)并排序，分層時(shí)通過(guò)分層高度Z來(lái)讀取西藥進(jìn)行求交計(jì)算的目標(biāo)三角形面片。通過(guò)對(duì)各個(gè)微小三角形面片之間逐次求交線來(lái)連接得到封閉的輪廓線。主要步驟如下：(1)讀入STL文件的所有三角形面片，記錄各頂點(diǎn)的Z坐標(biāo)并標(biāo)記 ID 號(hào)。 (2)將讀取的三角形面片按Z坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序。 (3)按照從Z軸從小到大的方向進(jìn)行切片，根據(jù)分層切片的高度Zh來(lái)確定需要進(jìn)行求交的三角形(4)任選一三角形面片進(jìn)行求交，再根據(jù)連續(xù)性索引到下一個(gè)集合中的三角形，以此類(lèi)推最終得到閉合輪廓線，分層高度增加一個(gè)單位 Z。 (5)重復(fù)步驟(3)、(4),直到分

23、層高度大于所有三角形 Z 坐標(biāo)的最大值，分層結(jié)束。此處對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立不再贅述。4. 溫度控制回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)噴頭處的溫度控制的大致流程圖見(jiàn)下文框圖9。溫度檢測(cè)（熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換）主程序在可視化界面上顯示溫度與預(yù)設(shè)溫度比較大于等于小于加熱保持狀態(tài)停止加熱返回主程序圖9：溫度控制回路流程圖在3D打印時(shí)，噴頭處的溫度控制極為重要。若是溫度過(guò)低，則液體會(huì)過(guò)于黏稠，若是溫度過(guò)高，則液體不易凝結(jié)。上文中已經(jīng)得知，PC-ABS材料的最適宜處理溫度為250攝氏度左右，故設(shè)置環(huán)境溫度為248攝氏度，噴頭溫度為250攝氏度。在這樣的狀態(tài)下打印最為有效。這部分溫度控制回路檢測(cè)的是噴頭處材料加熱部分的溫度，目標(biāo)是

24、使其保持在預(yù)設(shè)值的范圍之內(nèi)，在實(shí)際溫度較高時(shí)停止加熱，而在實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)將溫度加熱控制到材料的熔點(diǎn)處。*在對(duì)溫度進(jìn)行精確控制的環(huán)節(jié)中可以使用PID溫度控制技術(shù)，以決定每一步的加熱應(yīng)該增加多少具體的操作量。PID溫控系統(tǒng)的核心就是，在采樣時(shí)間間隔t內(nèi)，采樣得到測(cè)量值xn與預(yù)定值x0的偏差值e，然后根據(jù)偏差值e與系統(tǒng)設(shè)備本身所決定的一些常數(shù)，求出操作量y。系統(tǒng)的主要設(shè)備有計(jì)算機(jī)（工控機(jī)），測(cè)量熱電偶、數(shù)據(jù)采集控制卡（A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，I/O接口等）與信號(hào)調(diào)理模塊、控溫元件等。除了計(jì)算機(jī)以外的其他元件都可以集成在3D打印機(jī)中，與計(jì)算機(jī)相連接。模擬控制的PID算法表示為： yt=KPxt+

25、1T10txtdt+TDdx(t)dt11 (2-1)在式中，KP為比例常數(shù)，TI為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間。通過(guò)計(jì)算機(jī)采樣輸入，將式（2-1）中的連續(xù)微積分方程式使用離散的方式表示。同時(shí)采用增量式算法,將第n次調(diào)節(jié)時(shí)的控制量由第n-1次的控制量加上一個(gè)增量得到，即： yn=yn-1+yn (2-2) 如此即可得到： yn=yn-1+yn=Aen-Ben-1+Cen-2 (2-3)上式中，A、B、C均為與Kp、T、TL、TD相關(guān)的常數(shù)。en在上文中已經(jīng)提到，是采樣的溫度以及預(yù)設(shè)溫度的偏差值。在溫控環(huán)節(jié)中加入上述的增量式PID算法，能夠有效又便捷地讓計(jì)算機(jī)只輸出增量，占用內(nèi)存較小。5. 噴頭移動(dòng)

26、、XYZ方向控制設(shè)計(jì)在上述兩個(gè)步驟，切片模型的建立以及溫度控制回路的確定之后，來(lái)到了3D打印最為關(guān)鍵的步驟，即對(duì)模型的打印過(guò)程。上文已經(jīng)介紹過(guò)，使用PC-ABS塑料打印時(shí)最宜使用FDM成型法，這種方法雖然打印的精度不大高，但是由于其打印速度快，對(duì)環(huán)境要求不太高，所以對(duì)于大型零部件（尤其是汽車(chē)車(chē)身）的打印最為適合。在打印時(shí)使用化繁為簡(jiǎn)的方法，將三維打印簡(jiǎn)化為許許多多的二維打印在Z軸上的疊加，同時(shí)將二維打印轉(zhuǎn)化為一個(gè)平面上許多直線的一維打印。首先使用特定材料，PVAL與AA（聚乙烯醇與丙烯酸混合材料12）搭建支撐材料，之后的所有步驟在支撐材料之上進(jìn)行。通過(guò)對(duì)于切片模型的讀取，驅(qū)動(dòng)控制模塊與機(jī)械傳動(dòng)

27、模塊協(xié)同運(yùn)作，將切片模型的每一層轉(zhuǎn)化為一個(gè)邊界函數(shù)，噴頭的軌跡即在這個(gè)邊界函數(shù)的區(qū)域中進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)打印完一層，噴頭加工到邊界時(shí)，打印機(jī)通過(guò)信號(hào)反饋停止此層的加工。此時(shí)，步進(jìn)機(jī)構(gòu)將會(huì)將X-Y平面沿著Z軸向下移動(dòng)一個(gè)微小量，計(jì)算機(jī)再讀取下一層的切片模型，重復(fù)進(jìn)行打印，直到模型打印結(jié)束為止。這個(gè)過(guò)程的流程圖見(jiàn)圖10。打印時(shí)對(duì)于噴頭系統(tǒng)的功能要求有如下幾點(diǎn)：（1）噴頭連接裝滿用料的絲筒，保證噴頭直徑足夠小（0.05mm左右），以確保模型的分辨率夠高。（2）原料在進(jìn)入噴頭的出液點(diǎn)之前確保經(jīng)過(guò)溫度控制回路，固態(tài)料絲經(jīng)過(guò)及時(shí)且充分的預(yù)熱、熔化轉(zhuǎn)化為預(yù)定溫度的熔融狀態(tài)的液態(tài)料絲。（3）熔融態(tài)的液態(tài)物料需按照直

28、線行進(jìn)進(jìn)行堆積。同時(shí)，出絲速度可以控制。具體的程序設(shè)計(jì)不加贅述。 至此，整個(gè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框架搭建完畢。開(kāi)始，搭建支撐材料 (n為當(dāng)前層數(shù)，N為切片模型確認(rèn)的總層數(shù))n=0n=N？否是從存儲(chǔ)模型中獲得第n層的參數(shù)程序結(jié)束使用D/A轉(zhuǎn)換器將切片模型轉(zhuǎn)化為平面上噴頭的軌跡函數(shù)，以設(shè)置各電機(jī)的參數(shù)噴頭根據(jù)函數(shù)運(yùn)行，結(jié)束時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)在Z軸上向下移動(dòng)一個(gè)單位圖10：打印過(guò)程主要流程圖2.3系統(tǒng)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)可行性分析本設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度高韌性抗熱性極強(qiáng)的PC-ABS材料，能夠在汽車(chē)的整體機(jī)身上很好地工作，Urbee和Strati的成功很好地證明了這一點(diǎn)。打印技術(shù)采用了熔絲沉積制造技術(shù)（FDM），打印速度在3D打印

29、技術(shù)中首屈一指，同時(shí)對(duì)于外部環(huán)境的需求并不高，成本很低廉，可以解決汽車(chē)的造價(jià)問(wèn)題。汽車(chē)的車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪軸等結(jié)構(gòu)都可以使用這個(gè)方法制造。溫度傳感器等各種打印機(jī)上的附帶元件可以通過(guò)藍(lán)牙或是其他無(wú)線連接設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接，減少設(shè)備的復(fù)雜度。對(duì)3D打印產(chǎn)品的表面成型質(zhì)量以及精度的檢測(cè)、控制見(jiàn)下一章。第三章：3D打印表面成型質(zhì)量和精度的檢測(cè)和控制3.1 控制3D打印成品質(zhì)量的方法上文提到了步進(jìn)機(jī)構(gòu)能夠在每一個(gè)二維圖案打印完畢之后向下步進(jìn)一個(gè)微小的單位，這個(gè)單位就是每一層的厚度。厚度與分辨率關(guān)系密切，分層越小則分辨率越高，在汽車(chē)工業(yè)中，這個(gè)分辨率最好能夠達(dá)到600dpi（每英寸長(zhǎng)度上的層數(shù)）。在我們的設(shè)計(jì)

30、中，若是層厚控制在0.3mm0.4mm左右，則分辨率可以達(dá)到600800dpi，能夠滿足表面粗糙度的要求。另外，X 軸和Y 軸的分辨率由設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)決定（噴頭的粗細(xì)、打印的波動(dòng)等），一般無(wú)法調(diào)整。 除了Z軸上的分辨率需要調(diào)整之外，需要設(shè)定的參數(shù)還有噴嘴直徑、填充方式、網(wǎng)格間距、理想輪廓線的補(bǔ)償量、偏置掃描中的偏置值、開(kāi)啟延遲時(shí)間、關(guān)閉延遲時(shí)間、成型材料、加密層及其參數(shù)設(shè)置、成型室吹熱風(fēng)的方式、空行程速度、工件相對(duì)于工作臺(tái)面的成型角度、添加支撐等都會(huì)影響表面質(zhì)量和成型時(shí)間等13。以上的這些參數(shù)都可以在軟件中設(shè)置或是改變環(huán)境條件來(lái)達(dá)成。 通常來(lái)說(shuō)小的補(bǔ)償量、大的擠出速度、小的填充速度、小的分層厚

31、度、小的開(kāi)啟延時(shí)和關(guān)閉延時(shí)可以得到表面質(zhì)量與成型時(shí)間的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，此處不作詳述。3.2 表面粗糙度檢測(cè)方法表面粗糙度（Surface Roughness）最早以前稱(chēng)作表面光潔度（Surface Finish），是反映工件表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。國(guó)標(biāo) GB3505-83 中定義：“加工表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特征。一般由所采用的加工方法和（或）其它因素形成?！?4在我們的設(shè)計(jì)中，由于3D打印過(guò)程中可能出現(xiàn)的每層厚度與設(shè)計(jì)厚度產(chǎn)生偏差而導(dǎo)致的三維形狀與實(shí)際形狀不符，或是由于X-Y平面上的dpi太小而導(dǎo)致的表面光潔度減小，這些都可能導(dǎo)致最終成品上不太樂(lè)觀的表面粗糙度。如何測(cè)量表面

32、粗糙度，這個(gè)步驟是需要貫穿于整個(gè)3D打印過(guò)程中的。在第二章中描述的3D打印過(guò)程中，每打印完成一層二維的平面，系統(tǒng)就將執(zhí)行一次判斷，然后將Z軸下降一個(gè)單位。在這個(gè)過(guò)程中，可以考慮當(dāng)Z軸每下降510個(gè)像素點(diǎn)時(shí)執(zhí)行一次表面檢測(cè)。由于汽車(chē)車(chē)身動(dòng)輒長(zhǎng)達(dá)三至五米，高度也有一米多，所以這種表面檢測(cè)技術(shù)必須是極為迅捷，同時(shí)，由于噴頭直徑大致在0.1mm左右，所以每一層的斷面處的表面光潔度在1微米級(jí)別的微觀結(jié)構(gòu)上一定是非常粗糙，所以并無(wú)需使用極為精密的表面粗糙度測(cè)量方法（如觸針?lè)ǖ龋恍铚y(cè)量每一層的斷面處是否在0.1毫米級(jí)的平面上保持水平，并且表面相對(duì)光滑與否。通過(guò)以上兩點(diǎn)的分析，為了滿足測(cè)量迅速、工件簡(jiǎn)單便

33、捷的要求，這里使用光學(xué)散射測(cè)量技術(shù)。光學(xué)散射的實(shí)質(zhì)是，一束光以一定角度照射到具有微小不平度的粗糙表面時(shí)，反射光出現(xiàn)散射現(xiàn)象，此時(shí)在反射方向的光強(qiáng)有所減弱，在其它方向的光強(qiáng)則有所增加。15（見(jiàn)圖11）研究表明，發(fā)生散射現(xiàn)象是由于物體表面的粗糙不平引起的，說(shuō)明表面粗糙度和散射光強(qiáng)度分布有一定的關(guān)系。對(duì)于表面粗糙度數(shù)值較小的表面，反射光能較強(qiáng)，散射光能較弱；反之，表面粗糙度數(shù)值較大的表面，反射光能較弱，散射光能較強(qiáng)。所以使用光學(xué)散射法可以非常簡(jiǎn)單快捷地大致測(cè)量每一個(gè)斷面的表面粗糙度情況，比針觸法等傳統(tǒng)方法速度快了5倍以上。圖11：光學(xué)散射現(xiàn)象 3.3 信號(hào)采集方法如圖11中所示的那樣，在工件上方一定

34、角度的位置放置一臺(tái)X光發(fā)射儀，發(fā)射出一束極細(xì)小的平行光，而在發(fā)射儀的另一邊放置一臺(tái)感光儀器，光帶打在感光儀器上之后，可以由感光儀器得到反射光與散射光的相對(duì)量的大小。感光儀器連接一臺(tái)數(shù)字傳感器，將得到的非電學(xué)量：相對(duì)光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出信號(hào)，即表面粗糙度的數(shù)值。數(shù)字輸出信號(hào)可以是散射光與反射光的光強(qiáng)度比值，因?yàn)橥ǔ１戎递^小，所以這里可以乘以100，這里將這個(gè)數(shù)字成為散射指數(shù)。這個(gè)數(shù)值在010內(nèi)為正常范圍。同時(shí)，使用散射法中反射光線與入射光線的相對(duì)位置還可以得到測(cè)量點(diǎn)的垂直高度Zn。在測(cè)量進(jìn)行之前，可以使用一開(kāi)始打印了十層左右的樣品的表面粗糙度進(jìn)行參照。在測(cè)量過(guò)程中，x光將行進(jìn)與觸頭同樣的路徑，

35、即將二維平面轉(zhuǎn)化為許多一維直線，從頭到尾按照表面的邊界函數(shù)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槠?chē)車(chē)身的打印尺寸巨大，所以可以考慮同時(shí)使用四臺(tái)光散射粗糙度測(cè)量設(shè)備，從而加快檢測(cè)進(jìn)程。最后通過(guò)數(shù)字傳感器得到一個(gè)散射指數(shù)與采樣時(shí)間的關(guān)系圖表。 由3D打印的特性，光學(xué)散射法獲得的表面粗糙度必定是無(wú)規(guī)律且復(fù)雜的，但由于液體直徑（0.1mm以上）比光學(xué)散射法的分辨率（1um）要大得多，所以數(shù)字傳感器的采樣頻率不能太小，也不需要太大，具體視散射系統(tǒng)的參數(shù)而定。3.4 濾波和信號(hào)處理方式1. 濾波方法我們已經(jīng)知道，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)環(huán)境不可能和在實(shí)驗(yàn)室里一樣整潔無(wú)干擾。供電電壓的波動(dòng)、其他設(shè)備的影響以及負(fù)載波動(dòng)、環(huán)境溫度的影響

36、都有可能會(huì)影響到3D打印過(guò)程的進(jìn)行。在3D打印的過(guò)程中，我們使用到了溫度傳感器（熱電偶），而在表面粗糙度的測(cè)量中，使用的是將光學(xué)結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的數(shù)字傳感器。這兩臺(tái)傳感儀器都有可能收到不同程度的干擾，前者受到干擾后會(huì)導(dǎo)致液體受熱不均勻，使得樣品表面粗糙度提升，而后者受到干擾后會(huì)影響到樣品表面粗糙度的測(cè)量。因?yàn)閭鞲衅鞯玫降男盘?hào)本身就沒(méi)什么規(guī)律，而且受到的干擾又是各式各樣，同時(shí)，對(duì)測(cè)量的精度要求并不是很高。所以此處使用一種復(fù)合濾波法：去極值平均濾波算法。這種方法能夠有效地先排除粗大的脈沖干擾，然后將剩下的采樣值進(jìn)行平均濾波。連續(xù)采樣n次后，剔除其中的最大值與最小值，求剩下的n-2個(gè)采樣的平均值。

37、此處選取n=10，既不太大，也不太小。2. 信號(hào)處理方法在表面粗糙度的檢測(cè)中，通過(guò)前面的采樣、濾波步驟，已經(jīng)可以得到相對(duì)光滑的“散射指數(shù)-采樣時(shí)間”和“表面高度Zn-采樣時(shí)間”關(guān)系了。因?yàn)槊看螜z測(cè)都是檢測(cè)一整個(gè)橫截面，而且采樣的速度是一個(gè)恒定的值，所以每個(gè)采樣時(shí)間實(shí)際上代表著在橫截面上的某個(gè)特定位置。假設(shè)橫截面是個(gè)正方形，則此時(shí)橫截面上的每個(gè)點(diǎn)都可以用坐標(biāo)表示，通過(guò)對(duì)采樣時(shí)間和坐標(biāo)進(jìn)行換算，很容易可以得到“散射指數(shù)”與表面高度與截面上的坐標(biāo)的關(guān)系。從而可以知道在某個(gè)截面的什么位置上表面粗糙度更高，什么位置上表面粗糙度很低，同時(shí)可以得到表面高度的最大值與最小值。設(shè)得到的散射指數(shù)為Sn。數(shù)據(jù)處理方

38、式如下：1） 將截面分為若干塊區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)對(duì)散射指數(shù)求平均值，每個(gè)平均值都不應(yīng)該超過(guò)臨界平均值Sm。2） 將截面上的最高位置Zmax與最低位置Zmin相減，結(jié)果不應(yīng)超過(guò)某個(gè)臨界 Zm值。3.5 表面粗糙度檢測(cè)的控制方式 在3D打印的過(guò)程中，每隔5層左右執(zhí)行一次散射光表面檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字傳感器后傳輸給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)的濾波以及進(jìn)行3.4.2中的信號(hào)處理后，如果數(shù)字超出了Sm和 Zm，即為明顯的表面粗糙現(xiàn)象，為了穩(wěn)妥起見(jiàn)重新進(jìn)行一次檢測(cè)，若數(shù)字異?，F(xiàn)象依舊存在，則暫時(shí)停止打印，交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，進(jìn)行一定的吐絲流量與溫度設(shè)置的更正，之后重新開(kāi)始打印，檢測(cè)方法如上所述。第四章： 預(yù)期創(chuàng)

39、新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案4.1 預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)使用相對(duì)普及、易得的PC-ABS工程塑料，既能夠達(dá)到車(chē)身所需的強(qiáng)度要求，也能夠?qū)⒊杀究刂圃谝粋€(gè)合理范圍之內(nèi)。而使用熔絲沉積制造技術(shù)（FDM）與STL文件分層切片法繪制模型相互配合，結(jié)合了FDM的快速、容易制作大型模型以及切片方法的簡(jiǎn)單快捷、減少計(jì)算機(jī)計(jì)算量的特點(diǎn)，這些都保證了制造的效率將會(huì)很高。同時(shí)融入了PID溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)控制出絲的溫度使得樣品內(nèi)部的材料密度分布均勻，也保證了表面的粗糙度能夠控制在合理范圍之內(nèi)。在檢測(cè)過(guò)程中使用光散射法檢測(cè)，簡(jiǎn)單便捷有效。4.2 關(guān)鍵技術(shù)1. 將溫度控制回路、單片機(jī)、寄存器、驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備以及之后的光散射

40、測(cè)量?jī)x集成在一個(gè)3D打印設(shè)備中，通過(guò)藍(lán)牙或是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式與計(jì)算機(jī)相連，減少消費(fèi)者（3D打印成品制作者）的工作量。2. 噴頭移動(dòng)路徑的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。（2.2.5中提到）4.3 解決方案1. 通過(guò)模塊化的方式將單片機(jī)、溫度控制回路、驅(qū)動(dòng)模塊與機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備相連，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)顯示可視化的內(nèi)容。機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備可以覆蓋在一個(gè)中大型的車(chē)床上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)龐大的車(chē)身的制造。在制造大型車(chē)身之前可以將上述模塊與一個(gè)小型的機(jī)械設(shè)備相連，通過(guò)制造小型模型的方式發(fā)現(xiàn)解決工業(yè)生產(chǎn)中可能有的問(wèn)題。2. 在切片模型結(jié)束之后，對(duì)每一個(gè)薄層截面再進(jìn)行一次一維處理，使其分散為一條條線段的集合。設(shè)計(jì)的函數(shù)可以是由一條長(zhǎng)線來(lái)來(lái)回回地在這些線段上折出來(lái)的結(jié)果。第五章： 結(jié)論經(jīng)過(guò)了上述的工程描述、實(shí)現(xiàn)方式、粗糙度檢驗(yàn)等工序，一套使用3D打印技術(shù)的車(chē)身打印方案已經(jīng)初具雛形。過(guò)程中使用的原料是現(xiàn)在最流行的