汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、Automobile3DPrintingSystemDesign摘要：3D打印被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)，綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，有著非常優(yōu)越的應(yīng)用潛質(zhì)。本文將就3D打印展開討論，并就“汽車車身3D打印”作為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)制造系統(tǒng)的實(shí)施方案。止匕外，本文還將針對3D打印中所遇到的最主要的問題討論起解決方案。Abstract:3D-printingisknownasthecoretechnologyofthe"thirdindustrialrevolution".Itisacombinationofdigital

2、modelingtechnology,mechanicalandelectricalcontroltechnology,informationtechnology,materialsscienceandchemistryandmanyothercutting-edgetechnologies.Soithasaverysuperiorapplicationpotential.Inthisarticle,Iwilltalkabout3D-printinganddesignamanufacturingsystemandimplementationplanfor3D-printingforautomo

3、tivebody.Besides,thisarticlewillalsofocusonthemainproblemsof3D-printingandtheirsolutions.關(guān)鍵詞：3D打印汽車車身熔融沉積成型一、3D打印概述3D打印，是根據(jù)所設(shè)計(jì)的3D模型，通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作“增材制造”。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之不同，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產(chǎn)品

4、的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)?！暗谌喂I(yè)革命”實(shí)質(zhì)就是以數(shù)字制造技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和再生能源技術(shù)的重大創(chuàng)新與融合為代表,從而導(dǎo)致工業(yè)、產(chǎn)業(yè)乃至社會發(fā)生重大變革,這一過程不僅將推動一批新興產(chǎn)業(yè)誕生與發(fā)展以替代已有產(chǎn)業(yè)，還將導(dǎo)致社會生產(chǎn)方式、制造模式甚至生產(chǎn)組織方式等方面的重要變革,最終使人類進(jìn)入生態(tài)和諧、綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的社會。這次科技革命不僅極大地推動了人類社會經(jīng)濟(jì)、政治、文化領(lǐng)域的變革，而且也影響了人類生活方式和思維方式,

5、使人類社會生活和人的現(xiàn)代化向更高境界發(fā)展。二、3D打印技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1、技術(shù)現(xiàn)狀：3D打印技術(shù)經(jīng)過超過半個(gè)世紀(jì)的不過改良，已經(jīng)發(fā)展衍生出了很多打印技術(shù)，如：光敏固化成型(StereoLithographyAppearance,SLA)、熔融沉積成型(FusedDepositionModeling,FDM、)選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering,SLS)、分層實(shí)體制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)。對比國內(nèi)外專利申請記錄，如下圖：從國內(nèi)外趨勢線上反映的總體態(tài)勢看，我國與國外技術(shù)發(fā)展差距近10年,處在不同的發(fā)展時(shí)期。這與研發(fā)者的學(xué)

6、術(shù)敏銳、研發(fā)模式及國家層面的重視有關(guān)。右圖是各國在3D打印技術(shù)應(yīng)用的市場份額，不難看出，我國已經(jīng)能夠在這個(gè)龐大的市場中占據(jù)一席之地，但是，目前，我國3D打印產(chǎn)業(yè)處于起步階段，存在一系列影響3D打印產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的問題，如：缺乏宏觀規(guī)劃和指導(dǎo)；科研投入不足；產(chǎn)業(yè)鏈缺乏統(tǒng)籌發(fā)展。綜合以上科研領(lǐng)域和市場份額的對比，我們可以得出結(jié)論：我國需加強(qiáng)政策扶持，加大研發(fā)投入，不斷進(jìn)行技打研發(fā)創(chuàng)新，逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，縮小與國外的差距。2、3D打印機(jī)的發(fā)展前景：3D打印機(jī)的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認(rèn)為，3D打印機(jī)需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、教育以

7、及制造業(yè)。根據(jù)國際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)WohlersReport2011發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在19882010年間保持著%勺年均增長速度。報(bào)告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)地增長。到2016年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到31億美元，2020年將達(dá)到52億美元。但3D打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難；二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患；三是精度、速度和效率方面，目前3D

8、打印成品的精度還不盡如人意，打印效率遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突；四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技打的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。Gartner公司2011年發(fā)布的最新技打發(fā)展展望報(bào)告判斷：3D打印技打目前正在進(jìn)入概念炒作的高峰階段，其技打還有待充分成熟，主流市場也有待進(jìn)一步培育。Gartner公司研究人員認(rèn)為，3D打印技術(shù)成熟到適應(yīng)市場需求還將需要510年的時(shí)間。在這一段較為漫長的發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè)可能會面臨增長期望落空、技打遭遇瓶頸以及投資撤離等風(fēng)險(xiǎn)。總之，從中長

9、期來看，3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)距離成熟階段尚有較大距離，因此，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)界對3D打印領(lǐng)域的投入應(yīng)以加強(qiáng)創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)和儲備為主，尤其要重視自主知識產(chǎn)權(quán)的建設(shè)和維護(hù)，爭取在未來的市場競爭中占據(jù)有利地位。3、3D打印技打未來發(fā)展的最主要趨勢：隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接

10、面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)；3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/R的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造；拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。三、汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)目標(biāo)：采用3D打印方法打印出汽車車身。車身能夠具有良好的各方面性能，包括承載汽

11、車內(nèi)部各種零件已經(jīng)汽車駕駛員及乘客、能夠保證強(qiáng)度不會過于脆弱或者結(jié)構(gòu)過于不穩(wěn)定。同時(shí)，打印系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，能夠一定程度上應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，并且打印具有可以接受的精度。其次，車身打印要能夠在精確的掌控范圍以內(nèi)，能夠通過數(shù)字化控制手段滿足各種造型的打印要求。最后，打印成本不能過于昂貴，考慮經(jīng)濟(jì)方面的因素。2、設(shè)計(jì)思路：第一，選擇合適的打印材料。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等。由于汽車車身對強(qiáng)度的要求不低，所以普通工程塑料并不能滿足條件，同時(shí)，材料又要又良好的熱塑性，故模仿美國亞利桑那州LocalMotors公司的電動汽車Strati的碳纖維混

12、合材料，ABS呆證了打印原料的良好熱塑性，碳纖維保證車身能夠有足夠的強(qiáng)度。第二，選擇合適的打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D打印。目前，主流的3D打印技術(shù)有敏固化成型(StereoLithographyAppearance,SLA)、熔融沉積成型(FusedDepositionModeling,FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering,SLS)、分層實(shí)體制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)等等。其它的還有的技術(shù)手段在這里不再一一贅述。列舉的四種3D打印技術(shù)中，SLA和SLS能夠有很高的精度，但是價(jià)格過于昂貴，故不在考慮的范圍以內(nèi)，而發(fā)明應(yīng)用LO

13、M勺公司已經(jīng)退出了3D打印的行業(yè)，LOM是一種基本不再使用的打印技術(shù)，與其他三項(xiàng)比較，F(xiàn)DM是一項(xiàng)成熟的強(qiáng)大的又相對廉價(jià)安全的3D打印技術(shù)，因此在本次系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中采用FDM(熱塑擠壓)。第三，選擇合理的模型構(gòu)建軟件。由于3D打印汽車車身并不需要掃描一個(gè)現(xiàn)有的車身并實(shí)現(xiàn)復(fù)制，故這個(gè)模型構(gòu)建軟件只需要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)并且將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的模型就可以達(dá)到目的。目前，3D打印軟件開發(fā)公司站主導(dǎo)地位的是Autodesk和DassaultSystemes。Autodesk的AutoCAD件和DassaultSystemes的SolidWorksCADB件是目前使用率很高的3D打印軟件。它們都能夠輸出*.S

14、TL文件格式的文件，實(shí)現(xiàn)通過程序直接控制3D打印機(jī)。但是，上述的兩款軟件學(xué)習(xí)起來過于復(fù)雜費(fèi)時(shí)，而且這兩款軟件的價(jià)格過于昂貴，因此這次設(shè)計(jì)中選用TrimbleNavigation的SktechUp。第四，3D打印機(jī)。國內(nèi)的3D打印企業(yè)多如牛毛這里不一一贅述。國外最知名的3D打印機(jī)制造商是3DSystems和Stratasys。打印汽車車身需要不同于一般的3D打印機(jī)，所以只能采用訂制的辦法，這里無法給出具體的型號，只能根據(jù)需要打印的汽車車身需要來確定具體的3D打印機(jī)所需要的參數(shù)。3、系統(tǒng)工作原理：見下面的程序框圖信號采集處理板卡打印機(jī)（機(jī)器人）4、控制方法：CAD軟件控制試教在線機(jī)器人，輔助以溫度

15、傳感器和紅外測距傳感器形成負(fù)反饋，達(dá)到控制目的。成形中采用的三維CAD真型以STL格式文件作為控制程序，控制器控制送絲機(jī)（3D打印原材料）和機(jī)器人，作用于工件（汽車車身），同時(shí)兩種傳感器實(shí)時(shí)測量噴頭溫度和工件打印的厚度，發(fā)現(xiàn)異常立刻以原先程序設(shè)定的方案進(jìn)行修正。5、系統(tǒng)特點(diǎn)：第一、個(gè)性化：能夠根據(jù)使用者的需求設(shè)計(jì)不同的車身造型；第二、實(shí)時(shí)性：兩個(gè)負(fù)反饋傳感器保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)修正打印中的誤差；第三、經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)均采用了最經(jīng)濟(jì)合理的方式，最大限度的降低了成本消耗。四、3D打印表面成形質(zhì)量和精度的檢測和控制1、檢測方法：3D打印表面成形質(zhì)量與碰頭溫度控制、工件（被打印層）冷卻速度和單次表面厚度

16、誤差有關(guān)系。因此從這三個(gè)角度對問題提出嘗試解決方案。第一，噴頭溫度控制實(shí)現(xiàn)很簡單，在噴頭處設(shè)計(jì)一個(gè)溫度傳感器和擁有加熱及冷卻功能的溫度控制器，由于要使得3D打印原料處在半流體的狀態(tài)有一個(gè)具體的范圍，只需要在負(fù)反饋中設(shè)計(jì)一個(gè)保準(zhǔn)溫度，溫度傳感器一旦檢測到噴頭的實(shí)時(shí)溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度超過一個(gè)固定的差值，立刻采取加熱或者冷卻，保證碰頭的溫度使得3D打印原料一直處于半流體的狀態(tài)。第二、工件（被打印層）冷卻速度需要經(jīng)過精密的計(jì)算，設(shè)計(jì)一個(gè)保證不會產(chǎn)生很大體積縮小的標(biāo)準(zhǔn)冷卻速度。冷卻的速度的實(shí)現(xiàn)可以通過一個(gè)恒溫箱實(shí)現(xiàn)，由于碰頭溫度已知，材料的散熱性能可以測量，控制材料冷卻環(huán)境的溫度就能實(shí)現(xiàn)對工件（被打印層）冷

17、卻速度的控制第三、單次表面厚度的誤差。這里的檢測有點(diǎn)困難，但是我可以提出一個(gè)認(rèn)為可行的方案，在工件加工表面上方設(shè)計(jì)一個(gè)紅外測距傳感器（保證很高的測量精度，誤差不能超過單層打印厚度的5%即達(dá)到仙m級），每次根據(jù)固定高度減去測量的與加工表面的距離判定單層的厚度，出現(xiàn)誤差立刻進(jìn)行修正。這里的修正方案有兩種，其一：若紅外傳感器位置固定，那么要多設(shè)置幾個(gè)，在碰頭下一層的加工中增加或減少單層厚度（這種方法存在一個(gè)不太科學(xué)的假設(shè)就是噴頭在單層的加工中加工的厚度是一樣的，不能避免單層中出現(xiàn)厚度的波動）；其二，若紅外傳感器與噴頭固定，那么可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單層厚度出現(xiàn)誤差，立刻進(jìn)行修正（這種方法會很大程

18、度的降低打印的速度）。2、信號采集方式：本實(shí)驗(yàn)中使用兩個(gè)傳感器采集一個(gè)溫度信號和一個(gè)距離信號。第一、紅外測距儀：要求精度要高，靈敏性高；第二、溫度傳感器：由于本系統(tǒng)中對溫度的穩(wěn)定性有很高的要求，所以要求傳感器的精度和靈敏性要很高，故選用接觸式熱電偶進(jìn)行溫度的測量。之后采樣過程、保持過程、量化編碼過程、A/D轉(zhuǎn)換過程都交給數(shù)據(jù)采集和處理板卡進(jìn)行處理。3、濾波和信號處理方式：實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中通常有許多干擾因素，如：供電電壓的波動、其他設(shè)備頻繁啟動或負(fù)載波動對電網(wǎng)的干擾、環(huán)境溫度的變化、電磁干擾等等。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中存在兩個(gè)信號，一個(gè)是距離，一個(gè)是溫度，兩者的數(shù)值穩(wěn)定性較好只會有很小的變化，可以采用限

19、幅濾波法，克服由儀器外部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動。限幅濾波法依賴已有的時(shí)域采樣結(jié)果，將本次采樣值與上次采樣值進(jìn)行比較，若它們的差值超出允許范圍，則認(rèn)為本次采樣值受到了干擾，應(yīng)予剔除。對于供電電壓的突變、電磁干擾或者是設(shè)備突然啟動而引起的較大的脈沖信號，采用基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波。拉依達(dá)準(zhǔn)則：當(dāng)測量次數(shù)N足夠多且測量服從正態(tài)分布時(shí)，在各次測量值中，若某次測量值Xi所對應(yīng)的剩余誤差V>3吟則認(rèn)為該Xi為壞值，予以剔除。具體步驟為：（1）求N次測量值Xi至Xn的算術(shù)平均值；（2）求各項(xiàng)的剩余誤差V;（3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差一（4）判斷并剔除奇異項(xiàng)V>3（r,則認(rèn)為該X為壞值，予以剔除

20、。4、控制方式：在本學(xué)期的課程中，我們知道通過使用閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效的控制出現(xiàn)的誤差，信號從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路為前向通路，系統(tǒng)的輸出量經(jīng)過測量元件反饋到輸入端的通路成為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路，此外還有局部反饋回路。本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就采用了負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，希望可以達(dá)到控制誤差的目的。五、預(yù)期創(chuàng)新點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案1、3D打印原材料：根據(jù)前文所述，目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片

21、狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1-100不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。本次系統(tǒng)中采用的是AB第甫助以碳纖維強(qiáng)化。雖然強(qiáng)度可以得到一定保證但仍舊是不足的，打印出的汽車車身并不能滿足很高的時(shí)速要求，因此，在3D打印原料這一方面仍舊有很大的提升空間。如果能夠?qū)⒔饘俜勰┯糜贔DM也就是FDMm并且能夠使得金屬在打印之后依然能夠維持良好的晶體性能，同時(shí)還要解決金屬打印的體積收縮問題。這個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)就在于如何控制冷卻速度和找出適合3D打印的合金成分。2、 誤差控制系統(tǒng)：根據(jù)前文所述，采用閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)能夠一定

22、程度的減少誤差。但是，文中所述的檢測方法還存在有待商榷的地方，同時(shí)，在保證誤差檢測能夠完成的情況下，如何對誤差進(jìn)行修正也值得斟酌。這里的關(guān)鍵技術(shù)就在于程序的編寫，需要有專業(yè)的程序編寫人員參與軟件的修正。3、噴頭的機(jī)械設(shè)計(jì)：從各類文獻(xiàn)和上述我們可以明確的認(rèn)識到，要通過FDMft術(shù)手段實(shí)現(xiàn)3D打印，噴頭在整個(gè)3D打印過程中起到了至關(guān)重要的作用。這里的關(guān)鍵技術(shù)在于：第一、能夠保證噴頭噴出的3D打印原料溫度就是傳感器測量的溫度，就是說保證噴頭內(nèi)3D打印原材料溫度的均勻性，同時(shí)，由于噴頭內(nèi)需要安裝加熱和冷卻裝置，所以也要保證它們對噴頭內(nèi)3D打印原材料溫度改變的均勻性，就這一點(diǎn)，我認(rèn)為可以把噴頭設(shè)計(jì)成為兩

23、個(gè)腔體，一個(gè)為溫度修正腔，一個(gè)絕熱腔，前者用以修正溫度的誤差，后者直接快速用于噴吐原料；第二、能夠保證噴頭3D打印原材料噴射速度的穩(wěn)定性，也就是能夠保證在沒有干擾的環(huán)境中，碰頭不會出現(xiàn)負(fù)反饋能夠發(fā)現(xiàn)的誤差，降低系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān)；第三、噴頭的穩(wěn)定性和走位精確性，這點(diǎn)主要是通過完善機(jī)器人的機(jī)械控制得以實(shí)現(xiàn)。4、智能分層技術(shù)：考慮到FDM技術(shù)如果單層厚度不夠小的話會有明顯的“臺階狀”表面特征，使得3D打印的出的汽車車身不能夠滿足需求，但是如果把每層的厚度都設(shè)計(jì)的很小的話，又會嚴(yán)重的影響打印速度。這里我提出一個(gè)可行的方案：在3D打印第一步數(shù)字化模型構(gòu)建完成并選擇完合適的打印方向之后，程序智能識別打印邊緣的曲率半徑，并根據(jù)事先設(shè)定好的表格根據(jù)不同表面的曲率半徑使用不同的單層打印厚度，打個(gè)比方：如果表面1的曲率半徑是1000mm就選擇單層打印厚度為，如果表面2的曲率半徑為600mm，就選擇單層打印厚度為。這里的數(shù)據(jù)僅僅是假設(shè)，這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵就