光固化成型技術在汽車零部件設計中的應用研究

佘亞娟 郭奕文 吳巍 李魯 張柏橋

摘 要：計算機與相關技術的廣泛應用極大地改變了新產品設計的技術手段、工藝與方法。本文在了解3D打印發展狀況的基礎上，分析了光固化快速成型原理及其工作過程。結合光固化成型技術與汽車零部件設計之間的關系，對兩者之間的共同發展做具體的描述。通過對汽車零部件建模設計的具體案例進行對比分析，指出光固化成型技術在汽車零部件領域應用的優勢，為3D打印技術提供可靠的發展方向。

關鍵字：3D打印技術;光固化成型技術;汽車零部件;建模設計;應用

中圖分類號：TQ324;TH16? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-41-04

The Application Research on Stereo Lithography Apparatus in Auto Parts Design*

She Yajuan， Guo Yiwen， Wu Wei， Li Lu， Zhang Boqiao

（Hunan Applied Technology University， School of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Changde 415000）

Abstract： The wide application of computer and related technology has greatly changed the technical means， procedures and methods of new product design. On the basis of understanding the development status of 3D printing， this paper analyzes the principle and working process of Stereo Lithography. Combined with the relationship between Stereo Lithography and auto parts design， the common development between the two is described in detail. The specific cases of auto parts modeling design is compared and analyzed， and the advantages of the application of light curing printing technology in automotive parts and parts are pointed out. In addition， the development direction of 3D printing technology will be explored in the future.

Keywords： 3D printing technology; Stereo Lithography; Auto parts; Modeling design; Application

CLC NO.： TQ324; TH16? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-41-04

前言

3D打印技術是完全不同于傳統的“減材”制造的新興制造方式，是通過“增材”加工來對所需零件進行直接加工制造。光固化成型是最早的3D打印技術，該技術以液態光敏樹脂作為材料，這種液態樹脂材料在一定波長的紫外光照射下能迅速發生聚合反應，由液態轉為固態[1]。只需將模型的切片文件輸入到光固化打印機器中，設備便會對模型進行逐層打印。其制造方式就是“增材”加工方式。

1 光固化快速成型原理

光固化成型技術，又稱為立體光刻成型技術，是通過成型設備進行光固化成型。根據切片模型進行零件的制作加工，當一層固化完畢后，按照設定值，工作臺會下降一個層厚，然后光敏樹脂就會覆蓋已經固化的一層，刮平后再進行新一輪的輪廓加工直至加工完畢[2]。光固化快速成型原理如圖1所示：

2 光固化快速成型技術的工作過程

光固化快速成型系統由五個部分組成，分別為液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統和計算機控制系統。工作時，在液槽中盛滿液態光固化聚合物，帶有很多小孔洞的可升降工作臺在步進電動機的驅動下，沿Z軸方向做往復運動[3]。激光器為紫外激光器，如氦—鎘激光器，氬離子激光器、固態激光器等。掃描系統由一組定位鏡組成，它能依據計算機控制系統發出的指令，按照每一層的截面的輪廓信息做高速往復擺動，使得激光器發出的激光束反射后聚焦在液槽里液態聚合物的表面上，同時沿此面做X-Y平面的掃描運動。當一層液態光固化聚合物受到紫外激光束照射時，其就會快速地固化且形成相應的一層固態截面輪廓。

光固化快速成型技術工作原理圖如圖2所示[3]：

3 汽車門把手的設計

3.1 三維模型的建立

根據對目前生活中常見的汽車門把手的觀察，進行尺寸設計，我們使用UG來進行前期的模型建立[4]。車門把手的外面部分能被看到的部分不是對稱規則的形狀，而是含有各種曲面[5]。因此，在進行模型建立時選擇適合設計復雜、精細的不規則形狀的曲面建模，由點連成線，由線構成面，再進行片體的拉伸和片體的修剪，得到車門把手的外部UG模型如圖3所示。

汽車門把手內部的結構則較為復雜并且形狀同樣不規則，在進行了多次實物觀察之后，發現車門把手的內部結構并無過多的圓弧形狀的部分，更多的是由大量的方形組成的。因此在進行設計和模型建立時，可以將其看作是由無數個規則形狀進行拼接組合而成的模型。在設計時，要嚴格注意內部模型與外部模型的匹配狀況，同時也要考慮到安裝位置的整體狀況。經過多次優化設計和實踐，建成的模型如圖4所示。

在設計完車門把手外部和內部結構并且完成建模后，則要其考慮其連接部件的設計[6]。連接部件需要連接內外部分，使車門把手能夠進行正常使用并且發揮其應有的功能。因此連接部件的設計需要根據已經設計完成的內外部部件的尺寸來配合進行設計，在經過設計計算后，畫出草圖，再利用UG進行拉伸建模，最后的優化模型如圖5所示。

3.2 支撐的處理

建模完成后就是要對已經建好的模型進行切片分層處理，目前的切片軟件有Magics、Cura、Miracl grue、QuickCast、Rapid Tool等數十種軟件，在設計支撐上選擇的是Magics21.0軟件[7]。Magics21.0是包含創建模型、修復模型、調整模型打印位置、生成零件支撐、切片等功能的軟件[8]。將已經建立好三維實體模型保存，打開Magics21.0，可直接將建立的三維實體模型拖入軟件的指定位置處，也可直接導入零件[9]。將設計好的部件模型文件導入Magics軟件后，對模型位置進行平移旋轉等操作調整，然后進行設計零部件成型所需要的支撐，再進行分層切片處理。經過多次的實驗與優化，最終使打印出的成品能夠達到使用效果。各零部件支撐優化設計支撐圖如圖6所示。

STL文件是利用無數個微小的三角形面片來逼近實體模型，近似地表現出實體模型，并且可以達到簡化計算的目的[10] [11]。不過這種近似的逼近實體模型的方法容易產生逼近誤差，因此在生成三角形面片時，盡量生成多的三角形面片，以減少逼近誤差。但隨著三角形面片的數目增多，數據量的處理時間也會同時增加[12]。因此，為了達到需要的精度，在進行三角形面片處理時，要綜合考慮。

同時，分層的厚度也會影響打印精度，分層厚度越小，成型制件的表面精度越高。為了達到車門把手所需的精度，需要進行多次分層厚度實驗，以達到最佳的效果。

除以上兩點之外，掃面速度，掃描間距，光斑直徑等因素都將影響制件的表面精度。因此在進行分層設計時，要充分考慮到這幾點。

3.3 模型的打印

利用Magics21.0做完切片和基本支撐設計之后，將已保存好的文件輸入到光固化成型設備中，進行模型打印。汽車把手及底座成型過程圖如7所示。

3.4 成型后處理

打印完成之后，需要進行后處理。首先要將支撐以及多余部分去除。由于打印零件使用的材料是光敏樹脂，需要用酒精對零件的表面殘余的光敏樹脂進行清洗。清洗完后進行固化處理，再對零件表面進行打磨和適當的拋光處理，使之變得較為平整光滑。最后得到汽車門把手快速成型件如圖8所示。

通過車門把手的實際案例的打印操作可知，一般光固化成型的過程為三維實體模型的建立、模型分層、建立支撐（即前處理）、后處理（包含打磨、拋光等）。其中實體設計建模占了很大的一個比重。只有一個完整的實體設計UG圖形完成后才可以進行模型的切片、設計支撐等操作。而切片和設計支撐則決定了模型打印完成的效果和完整程度。

此次光固化成型過程持續時間大概是一個零件4小時左右，利用光固化成型設備打印出來的車門把手實體模型經過清洗、打磨、拋光等后處理，可以完整的拼接起來，并且不影響活動，在進行完涂漆等操作后能夠進行實際的應用。由此可知，利用光固化成型技術可以進行車門把手的打印并且成功應用，這對于今后汽車其他零部件的3D打印能夠提供一定的參考。

4 結語

隨著我國人民消費水平的日益提高，對汽車的需求在不斷的擴大，光固化成型技術在汽車零部件領域的設計應用也將越來越多，優勢也將越來越明顯。

采用實際案例分析的方法，對光固化快速成型技術的特點、原理、優勢等進行了分析，并且對后處理工藝技術進行了簡單的分析，得出了以下的結論：

（1）光固化快速成型技術在汽車零部件領域的優勢明顯，可以減少在加工時間同時，? 依舊能保證應有的精度。

（2）光固化打印技術易于進行參數的調整和修改，設計工藝簡單，不需要進行模具的設計，非常適合在產品的開發和初步設計時使用。

（3）面成型光源，可同時打印多個零件，有效推動汽車研發加工設計進程，減少生產成本，效率高。

以汽車零部件為例，進行3D建模、模型切片、模型打印、后處理等步驟后，打印出的實體模型經檢驗，可以滿足實際生產需要。由此可見，塑料材料定將不斷優化升級，而光固化成型技術在汽車零部件的設計領域有著很大的發展和應用空間。

參考文獻

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