光固化成型技術在汽車塑料件制造中的應用

李志文，趙林君，黃飛騰，王素芳，何芳玲，袁定康

光固化成型技術在汽車塑料件制造中的應用

李志文1，趙林君2，黃飛騰1，王素芳1，何芳玲1，袁定康1

（1.江西制造職業技術學院，江西 南昌 330000；2.南昌職業大學，江西 南昌 330000）

目前我國的汽車行業正處于技術與產業變革的關鍵階段，朝著智能制造與先進制造方向發展，為新的制造工藝提供了很好的發展契機。在汽車零部件產品的設計過程中，模型的可視化非常重要，這是設計交流和設計改進的基礎。與計算機中的平面二維模型和虛擬三維模型相比，光固化成型制造的真實原型能夠顯示更多的設計細節，更加直觀可靠，更有利于研發過程的評審和校核。文章介紹了光固化成型技術的原理，分析了其工藝特點，并以汽車空調進氣管的光固化成型制造為例，分析了零件成型過程中工藝參數對零件成型性能的影響，并對工藝參數進行優化，探索了光固化成型技術在汽車塑料件制造中的應用。

3D打??；光固化；汽車；制造工藝

前言

在當前應用較多的3D打印技術中，光固化成型（Stereo Lithography Apparatus, SLA）由于具有成型過程自動化程度高、制作原型表面質量好、尺寸精度高以及能夠實現比較精細的尺寸成型等特點，使之得到最為廣泛的應用。在概念設計的交流、單件小批量精密鑄造、產品模型、快速工業模具及直接面向產品的模具等諸多方面均可體現出光固化成型技術的優勢[1-2]，目前光固化成型技術已廣泛應用于航空、汽車、電器、消費品以及醫療等行業[3]。

1 光固化成型技術的概念

光固化成型技術是3D打印技術的一種，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。相比傳統制造工藝的生產周期長和開模成本高，光固化成型技術具有顯著優勢，可制造復雜形狀零件，且成型時間短、成本低[4-5]。

1.1 成型原理

光固化是指具有光敏性的液態樹脂受光源能量激發發生化學變化的相轉變過程，液態樹脂會經歷凝膠和玻璃化轉變過程形成固態網格。光固化成型過程中，光敏樹脂材料受紫外激光照射時發生交聯反應，由低聚物和單體聚合為高聚物，從而由液態轉化為固態結構。通過對每一層的液態光敏樹脂進行有選擇性的照射，可以固化成型特定的圖形，重復該過程即可逐層疊加形成三維實體[6-7]，光固化成型技術原理如圖1所示：

圖1 光固化成型技術原理

1.2 關鍵技術

（1）3D建模：構建3D模型是指在計算機上通過三維建模軟件或逆向掃描等工具，設計出產品的可視立體模型，包括產品的外形、結構、色彩、質感等[8]。

（2）支撐設計：對于結構復雜的模型，光固化成型過程中需要對懸空區域添加支撐結構，以完成逐層制造的過程。支撐添加方法有兩種：一是在構建3D模型的時候手動添加支撐；二是通過專業的軟件自動添加支撐。

（3）切片處理：由于光固化成型技術是逐層制造的，所以需要對三維模型進行切片處理，即將三維模型按一定的層厚離散成有限個二維平面圖形。通常，切片處理前需對三維模型進行近似處理，如將其轉換成為標準的STL格式文件，即采用小三角形面片去三維實體的曲面。

（4）后處理：后處理技術指的是模型的清洗，去除支撐，后固化以及必要的表面處理等。通常直接光固化成型的零件是不能直接使用的，必須經過必要的后處理才能滿足使用要求。

2 光固化技術的制造工藝過程

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[9]。其原理圖如圖2所示：

圖2 光固化成型過程圖

3 應用案例

3.1 建立3D模型

光固化前處理技術中最基礎的環節是3D建模，建立3D數字模型的方法有兩種：一是3D建模軟件正向建模，二是三維掃描逆向建模[10]。目前市場上已經有很多商業化的3D建模軟件，如AutoCAD、Pro/Engineer、UG、Solidworks等，而汽車行業普遍使用的三維建模軟件為Catia。以汽車空調進氣管為例，通過Catia三維建模軟件，建立其三維模型，該結構為汽車空調進氣硬管總成，主要由上、下兩片殼體通過卡扣連接在一起，如圖3所示：

圖3 汽車空調進氣硬管總成

由于目前3D打印使用的3D模型基本上都是STL的文件，因此在使用3D建模軟件建立好模型之后，還需要將其格式轉化為STL格式，目前大部分的3D建模軟件均有轉化為STL格式的數據接口。STL文件不同于其它一些基于特征的實體模型，STL格式采用小三角形面片去逼近三維實體的自由曲面，即對三維模型進行三角形網格化，類似于有限元中的網絡劃分。其特點是格式簡單，易于處理，但無法保存模型的顏色、紋理、材質等信息，也無法表達物體的中空結構。盡管如此，STL格式仍是3D打印機支持的最常見的3D文件格式，其已成為行業內的默認標準，后續的模型處理即是對STL格式模型的處理。

3.2 模型處理

模型處理主要是對STL模型進行加工平臺的擺放、支撐添加等工作，零件模型的擺放方式使零件實體對水平面的角度不同，當這個角度小于3D打印技術的成型極限就需要對零件進行支撐添加。合適的擺放角度不僅可以節省加工空間，還可以減少支撐的添加，使后處理去除支撐的工作量減少。同時，為零件添加支撐可以使零件在加工過程中的穩定性和可成型性得到保障。因此零件的擺放方式和支撐的設計都是模型處理過程中的關鍵步驟，對零件的成型質量影響較大。

因此設計支撐時，既要能夠對模型起到較好的支撐作用，又要盡量減少支撐的復雜程度，方便后處理時去除支撐。根據汽車空調進氣硬管的零件特點，按圖4所示方向進行擺放，一方面可以盡量減少支撐的數量，便于后處理，另一方面可以增加零件的穩定性，減少成型過程中刮刀與模型的接觸面積，防止模型被刮刀刮壞。支撐添加后的模型如圖4所示。

圖4 生成支撐后的模型

切片處理也是模型處理中較為關鍵的一個步驟。切片處理就是使3D模型數據離散分層化，并以特定格式文件輸出到3D打印設備以控制打印全過程。切片過程中，三維模型將被離散成二維平面圖形，而這一系列的二維平面圖形與三維模型求交，得到三維模型在該二維平面圖形上的切片輪廓，相鄰兩層之間的間隔高度稱為層厚。切片處理時，層厚越小，成型精度越高，成型時間越長，效率越低且對成型設備的要求也更高，反之精度低，效率高，根據零件的制造精度要求和光固化成型設備的性能，設置層厚為0.1 mm[11-12]。

比利時Materialise公司開發的3D打印軟件Materialise Magics是一款功能強大的數據處理軟件，該軟件不僅可以進行零件的擺放、支撐添加等，還可以通過設置光斑補償、切片層厚度等參數對模型數據進行直接切片處理。切片后的格式文件可以直接導入3D打印機，并成為直接控制打印機完成3D打印全過程的代碼程序。

3.3 光固化成型制造

汽車空調進氣管一般通過注塑或吹塑等模具加工方式進行制造，其硬管部分多采用PVC或PP等塑料材料，對零件表面的輪廓精度和粗糙度要求不高，因此采用光固化成型技術進行制造，加之必要的后處理之后，可以達到零件的性能要求[13]。根據零件的要求選擇ZBOT-88光敏樹脂材料，設備采用的是廣州立體易公司的型號為SLA660的光固化成型機。

成型過程中，工作平臺和刮刀的移動速度對模型的影響也是不容忽視的。零件成型過程中應盡量減少液體樹脂中氣泡的生成，工作平臺在液體樹脂中上下的運動是造成氣泡生產的原因之一，同時刮刀和工作平臺的移動也易造成液體流動、液面不同，影響模型的成型質量，因此在成型過程中工作平臺的移動速度設置為5 mm/s，刮刀速度設置30 mm/s，即可保證成型效率，又可減少氣泡的生產和液面的流動。

成型完成后的模型如圖5所示。

圖5 光固化成型后的模型

3.4 模型后處理

成型后的零件模型從工作臺取下后，首先對其進行酒精浸泡和清洗，所用酒精為濃度為75%的工業酒精，浸泡時間為10分鐘，時間過短不利于去除支撐，時間過長易造成零件薄壁部分軟化。清洗過程中用毛刷去除表面的樹脂，并將支撐剝離實體。

由于制作得到的零件可能未完全固化，同時也為了使得到的零件具有一定的強度和韌性，需要將制作的零件放置于紫外固化箱中進行后固化，固化時長約1個小時。由于零件是逐層疊加制造的，因此零件的表面難免會有臺階紋，影響美觀，所以需要對其表面進行打磨處理，底面因與支撐接觸，支撐去除后也會殘留一些顆粒狀的突起，這部分也要進行相應的打磨處理。

4 結語

光固化成型技術應用于汽車零部件的制造，尤其是塑料件的制造，具有很大的應用前景[14-15]。隨著汽車市場的競爭越來越激烈，縮短研發周期、低成本、輕量化的要求也不斷提高，汽車零件結構越來越復雜，尺寸、形狀極限要求越來越突出，導致傳統的模具制造等工藝難度越來越大。傳統的制造工藝對汽車零件性能的優化是目前大部分汽車企業遇到的難題，尋求新的解決方案是在激烈的競爭中站穩腳跟的關鍵。而光固化成型技術因其自身的優勢，將是對傳統制造工藝很好的優化和補充。

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Application of SLA Technology in the Manufacturing of Automotive Plastic Parts

LI Zhiwen1, ZHAO Linjun2, HUANG Feiteng1, WANG Sufang1, HE Fangling1, YUAN Dingkang1

（1.Jiangxi Technical College of Manufacturing, Jiangxi Nanchang 330000;2.Nanchang Vocational University, Jiangxi Nanchang 330000）

The automobile industry of China is at a critical stage of technological and industrial transformation at present,it is developing in the direction of intelligent manufacturing and advanced manufacturing,which provides a good development opportunity for new manufacturing processes. In the design process of auto parts products, the visualization of parts model is very important as it is the basis for design communication and design improvement. Compared with the plane two-dimen- sional model and virtual three-dimensional model in the computer, the real prototype manufactured by SLA can display more design details, it is more intuitive and reliable, and more conducive to the review and verification of the research and development process. This article introduces the principle of SLA technology, analyzes its process characteristics, and takes the SLA manufacturing of automobile air-conditioning air intake pipes as an example, analyzes the influence of process parameters on the molding performance of parts during the molding process, and analyzes the process parameters optimization, explored the application of SLA technology in the manufacture of automotive plastic parts.

3D print;SLA;Automobile;Manufacturing process

A

1671-7988(2021)22-141-04

U466

A

1671-7988(2021)22-141-04

CLC NO.: U466

李志文，碩士，工程師，就職于江西制造職業技術學院，主要從事3D打印與逆向工程方面的研究。

江西省教育廳科技項目“光固化增材制造技術在汽車零部件試制中的應用研究”（項目編號：204708）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.036