3D打印技術在汽車內外飾件研發(fā)中的應用

蔣志軍，王如德，呂崇建，張明，李隆欣

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

前言

在汽車內飾件領域中，汽車零部件的開發(fā)往往需要長時間的研發(fā)和驗證工作。以往為了測試設計的產品是否能夠達到功能和性能及匹配要求，做法是當零件3D數(shù)據(jù)設計完成后，直接開發(fā)制造鋼模[1]。這樣一來，如果立即制作零件鋼制模具，不僅時間長，而且成本高。當發(fā)現(xiàn)問題時，修正零件模具也需要同樣漫長的周期。為了免去開發(fā)開模環(huán)節(jié)，縮短新品開發(fā)周期，節(jié)省出更多的人力、財力和時間，需要對3D打印成型設備和加工工藝及產品進行了深入研究。

1 3D打印的原理

3D打印，它是一種以數(shù)字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。與普通打印機相比，3D打印機的“墨水”為原材料，通過若干層材料的堆疊達到立體效果[2]。

2 3D打印特點

2.1 對于產品而言

3D打印技術不但有著能夠對其進行多樣化和個性設計、還能進行低成本和短周期及高精度制造生產。并且生產的產品具有綠色環(huán)保性。

2.2 對于設備而言

3D打印成型機不但有著較強的操作性和便攜性，還能適合小型化生產模式[1]。

2.3 對于原材料而言

能夠適用于打印的原材料有很多種可供選擇（如PA、PC等）。

3 3D打印技術有七種基本類型

目前3D打印技術有七種基本類型，分別為材料熔融擠出FDM、粘合劑噴射3DP、材料微滴噴射、粉材平鋪融化、直接能量沉積LENS、薄材疊加LOM、選擇性激光燒結SLS。其中選擇性激光燒結（SLS）技術目前運用比較廣泛[2]。

4 選擇性激光燒結（SLS）工藝技術

4.1 SLS快速成型工藝技術概念

通過激光頭對切層截面給予選擇性燒結的技術。

4.2 主要工藝路線如下所示

圖1 工藝示意圖

4.3 特點

該技術不但能自動、快速、精準的將設計3D數(shù)據(jù)轉化為模型，甚至還能直接制造任何復雜的零件或模具，并且整體成型強度高，一體成型，無需拼接，產品各處強度一致，能有效縮短研發(fā)驗證周期的特點。

4.4 開發(fā)周期

相對于目前國內零部件45天以上的開發(fā)周期，3D打印技術依據(jù)零部件的復雜程度，只需要1～7天的開發(fā)周期。

4.5 超大件的組合方法

對于一些超大件可采用雙組份的 AB膠水粘接成一體（見圖2）。

圖2 膠水拼接

4.6 材料選用

所燒結的材質為粉末狀的物質（如：PA2200、PA3200GF、PA Carbon、PC等）。

5 出風口總成3D打印快速成型

5.1 為了研究出風口總成的快速成型技術

同時考慮到出風口總成的造型和結構比較復雜、尺寸較大（Φ92mm*205mm）等特點，我們對其加工設備和軟件及材料進行了仔細的挑選。加工設備方面我們選擇了 SLS-3D打印機[6](見圖3)，其加工精度為0.10mm，其成型平臺尺寸為300*350*450mm，打印速度20～120mm/s，其定位精度XY軸：0.011mm，Z軸：0.0025mm，軟件格式STL和GCode，操作系統(tǒng)Windows7，MAC OS，Linux，其能加工的最小壁厚：0.8mm，其加工多零件的間隙為 0.4mm，軟件方面分別選擇了Untrtled-Magics 17.02和PSW V3.6.62，材料方面選用PA2200。

圖3 3D打印機

5.2 出風口的3D打印快速成型加工流程

5.2.1 3D打印設備預熱，鋪底層粉6mm

5.2.2 打開Untrtled-Magics 17.02軟件界面

進入場景模式界面，然后將出風口STL格式的3D數(shù)模導入。

5.2.3 擺放出風口的3D數(shù)據(jù)，兩件間距保證在3mm

5.2.4 選擇激光曝光方式

5.2.5 選中出風口

5.2.6 導出要出風口零件的各3D數(shù)據(jù)

5.2.7 進入切層軟件，檢查是否切層完成

5.2.8 打開PSW軟件

5.2.9 導入切層完成的出風口3D數(shù)據(jù)

5.2.10 檢查產品數(shù)模有無錯誤（如：破面、飛邊、重疊、去除錯誤等）。

5.2.11 檢查產品之間是否重疊和粘合，如果沒有問題，可直接進行打印。

5.2.12 將需要打印的出風口零件3D數(shù)模發(fā)送給3D打印設備進行快速成型加工。

5.2.13 加工完成后

待溫度冷卻到60℃以下，在原料回收槽中進行拆包從粉中取出出風口零部件（見圖4）。

圖4 出風口零件

圖5 出風口總成

5.2.14 對出風口零件進行噴砂和清潔

5.2.15 將出風口零部件組裝成總成（見圖5）。

6 研究成果

6.1 效率和成本及性能

6.1.1 通過使用激光燒結快速成型設備能在3個工作日之內一次性加工出出風口等模型

可見加工效率非常高，免去了開鋼模的時間和節(jié)約了開發(fā)成本。

6.1.2 通過對模型進行了測試和分析

得出產品輪廓度可以達到公差 0.5以上的要求，組裝后開啟和翻轉自如沒有干涉問題，產品表面可以包覆織物和PVC表皮及噴漆等處理，尺寸穩(wěn)定性好。

6.2 材料差異性

因為激光燒結出的出風口是使用尼龍 PA2200材料加工的，其表面不僅較粗糙，而且其材料和產品性能與采用 PP材料注塑加工出的模具件相比，不能反映零件材料和產品的實際性能，無法對其性能進行驗證（如：耐高低溫性能、耐沖擊性能、VOC性能等），目前SLS技術所選用的樹脂材料機械韌性稍差，可達到類ABS等級，還不能完全符合真實材料的性能，對于用真實的塑料粒子（PP或ABS材料）激光燒結加工零件這一課題還在研究階段。

7 結論

在汽車零部件制造、整車開發(fā)過程中需要對汽車外形、內外飾件造型進行設計、評審和確定，應用3D打印技術可以制定儀表板、門飾板、立柱和風管等零部件快速成型件[4]。此外，對于整車開發(fā)過程中產品設計可靠性的驗證環(huán)節(jié)，3D打印技術可以在設計前期制作樣件驗證，降低設計風險和維修成本，減少研發(fā)成本，這是3D打印技術在汽車零部件領域應用的優(yōu)勢[5]。

[1] 趙婧.碩士研究生學位論文.3D打印技術在汽車設計中的應用研究與前景展望.太原理工大學.2014年6月10日.

[2] 中國汽車工業(yè)信息網.3D打印技術在汽車零部件領域的應用.2015年3月26日.

[3] 王燦才.3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].絲網印刷,2012,（9）:37-41.

[4] 許廷濤.3D打印技術-產品設計新思維.全球IT新浪潮.2012,（9）:5-7.

[5] 古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷,2011,（10）:64-67.

[6] 黃烽堅,封小影,黃昊. 3D打印技術應用前景展望與分析.中國衛(wèi)生質量管理.2014年02期.