基于3D打印成形的汽車尾管裝飾罩設計與應用

顏 穎，李志文

基于3D打印成形的汽車尾管裝飾罩設計與應用

顏 穎，李志文*

（江西制造職業技術學院 機械工程學院，江西 南昌 330095）

為探究3D打印技術在汽車尾管裝飾罩設計中應用的可行性、有效性，文章在闡述3D打印技術原理和技術難點的基礎上，結合汽車尾管裝飾罩的結構原理、外觀及裝配要求，并綜合考慮在產品研發階段的樣件試制和評審問題，面向需求多樣化、工藝系統化、開發周期縮短的現實需求，分別探討了3D打印技術在汽車尾管裝飾罩的設計和制造等方面的應用。并結合逆向工程手段，對采用3D打印制作的汽車尾管裝飾罩樣件進行了三維檢測，檢測分析結果顯示使用3D打印技術制作的汽車尾管裝飾罩樣件能夠滿足外觀和裝配要求。3D打印以其獨特的優勢，對汽車行業的產品研發和生產制造有著重要的影響，隨著3D打印技術在材料、工藝等方面的不斷完善，將來必定會對汽車工業的發展產生影響。

3D打??；熔融沉積技術；汽車尾管裝飾罩；逆向工程

汽車工業在我國國民經濟的發展當中有著舉足輕重的地位，尤其是進入21世紀以來，我國汽車工業發展迅速，汽車市場規模不斷擴大，汽車行業的競爭也越來越激烈。創新汽車零部件的制造工藝、縮短研發周期、降低零部件成本已經成為汽車制造業競爭的核心，也是目前各汽車制造廠家的研究重點[1-2]。

3D打印技術又稱為增材制造，是完全不同于傳統“減材”制造的一種先進制造方式，其應用范圍主要集中在航空航天、工業零件、電子電路等各個領域[3]。在汽車制造領域，3D打印技術已逐漸應用于汽車零部件的研發和試制階段，憑借3D打印技術的優勢，可以節約汽車零部件研發過程中大量的模具費用，以及縮短其研發和試制周期。

1 熔融沉積技術的概念

熔融沉積技術（Fused Deposition Modeling, FDM）是3D打印技術的一種，它以三維數字模型為基礎，將材料通過逐層堆積的方式來制造所需零件的三維實體。它的特點是高效、快速、材料成本低、可實現任意復雜形狀零件的制造[4]。

1.1 基本原理

熔融沉積技術從原理上已突破了復雜異型構件的技術瓶頸，真正實現了設計引領制造的轉變。該成型技術采用的材料一般為熱塑性材料，如蠟、尼龍、ABS塑料、聚乳酸（PLA）等。其基本原理如圖1所示，材料在噴頭內被加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料有選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻并與周圍的材料黏結后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型新的一層，直至形成整個實體造型。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。

圖1 熔融沉積技術原理

1.2 技術難點

1.2.1打印速度的控制

由于熔融沉積技術是通過逐層堆積成型的，而且每一層的厚度很薄，所以必然導致該技術的成型速度不會很快。因此，熔融沉積技術的優勢在于小規模、分布式生產方面，并不適用于大批量、規模化的生產方面。

1.2.2成型精度的控制

熔融沉積技術的特點是通過三維建模軟件建立三維模型，再將模型分成逐層的截面，機器通過讀取文件中每層的信息，逐層打印成實體。正因為該特點，導致分層制造過程中“臺階效應”的出現[5]，如圖2所示。臺階效應的存在限制了該技術的成型精度，特別是零件具有圓弧特征時會有較大偏差，所以熔融沉積技術并不適用于制造精度要求較高的零件。而且該技術制造的零件一般都需經過后處理加工，如表面的打磨、拋光等處理，能在一定程度上減少臺階效應帶來的影響、提升成型零件的表面質量。

圖2 臺階效應

1.2.3成型材料的限制

熔融沉積技術采用的材料一般為熱塑性材料，目前普遍應用的為價格較為低廉的PLA材料[6]。由于材料的限制，熔融沉積技術只能打印塑料零件，應用范圍及制造的零件比較單一，所以在汽車領域的應用中，通常用于制造樣件，以輔助研發階段的評審和校核。

2 3D打印模型的制作過程

2.1 模型的構建

熔融沉積技術的基礎是3D建模技術，建立3D數字模型的方法主要有兩種，一是正向設計，即通過計算機三維建模軟件直接建模；二是通過三維掃描技術逆向建模[7]。在汽車制造行業中，通常使用的正向設計軟件是Catia，目前Catia已成為汽車制造業零部件設計的標準軟件之一。三維掃描技術又稱逆向技術，雖然也是獲取三維模型數據的方式之一，但由于其技術特點，并不適用于汽車零部件的直接設計。但逆向技術可用于模型的檢測和修補，可以幫助汽車維修、售后部門對零件進行數據建模，也適用于對模型進行適當的修補或精度檢測。

2.2 切片處理

由于熔融沉積3D打印機并不能直接讀取三維模型數據，因此，在3D打印之前必須對3D模型經過專業的切片處理。所謂切片處理，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。切片處理技術是3D打印成型過程中的核心技術之一，切片處理是否能夠做好，關系到模型的整體成型質量[8]。目前市場上使用的切片軟件種類較多，通常熔融沉積3D打印機的廠家也會開發自己的切片軟件。切片軟件有兩方面的功能，一是切片功能；二是打印功能。使用切片處理軟件將STL文件進行處理整合出G-code控制文件，G-code控制文件既能被3D打印機識別，又能控制打印機完整地完成操作指令。

2.3 支撐設計

由于熔融沉積技術是通過逐層堆積成型的，在成型過程中需要對懸空區域添加支撐結構，以保證模型正常打印，并且需要在打印結束后去除支撐。支撐的設計也是模型成型質量、效率的關鍵影響因素之一[9]。在熔融沉積技術中，支撐結構的作用主要有以下幾個方面。

2.3.1應對懸垂結構

這是設計支撐結構的主要作用，由于受重力作用，每打印一層需要在上一層打印結構的基礎上給予支撐，這種單向堆積的方式使得三維模型懸垂結構無法打印，因此，添加支撐對于懸垂結構的打印至關重要。

2.3.2避免零件翹曲

支撐結構除了支持零件成型外，又由于與零件直接接觸，還能起到拉住已成型部分的作用。而在成型過程中，由于急冷急熱，會使零件內部產生應力變形，造成零件翹曲現象，所以支撐結構對零件的支持作用和熱量傳導作用，可以有效抑制翹曲現象的發生。

2.4 分層疊加成型

熔融沉積3D打印機會按照控制系統的指令，噴頭作平面運動，擠出機受CAD分層數據控制，使半流動狀態的熔絲材料從噴頭中擠壓出來，將熔融的材料涂敷在工作平臺上，冷卻后形成模型的第一層截面。當一層截面成型后，噴頭上移一層高度并進行下一層涂敷，這樣逐步分層疊加成型，形成最終需要的零件模型。

2.5 模型后處理

為提高模型的表面質量、達到外觀要求，必須對3D打印成型后的模型進行后處理。后處理工藝包括去除支撐、表面打磨、拋光、噴涂上色等。由于臺階效應的存在，以及去除支撐不完全，或者去除支撐的過程中不可避免地會留下痕跡，通常會導致模型表面質量不高或存在缺陷。對于裝飾罩這類具有外觀要求的零件，模型表面的缺陷是不能被接受的，通過對模型表面的打磨、拋光、噴涂等操作，可以很好地解決這些缺陷，得到可用于外觀評審的裝飾罩模型，3D打印后處理工藝的重要性也由此凸顯。

2.6 三維數據檢測

產品的三維檢測屬于逆向工程中的一項應用，在逆向工程中，獲取被測物的三維點云信息是逆向工程的基礎；獲得被測物三維點云信息后，需要將獲得的多片點云統一到同一坐標系下，從而得到被測物的完整點云模型；然后就是對點云進行預處理，包括去噪、光順、精簡濾波等操作；接下來就是將預處理后的點云進行三維實體的重構工作，最后可以根據需要對被測物進行精度分析和光順性分析，從而完成被測物的檢測工作。

3 汽車尾管裝飾罩的3D打印制造

在汽車制造中，3D打印技術可以作為一種新的制造工藝進行應用，其工藝優勢可以為汽車零部件的研發階段節約大量的模具成本和制造周期，進而提升汽車行業的整體制造水平[10]。

汽車結構設計中，尾管裝飾罩的設計是汽車外觀造型中非常重要的一部分，往往需要經過嚴苛的設計評審后再投入量產。由于裝飾罩的外觀性評審是必不可少的，手工樣件的制作是無法達到評審要求的，而進行開模制作既耗費成本又需要較長時間，因此，尾管裝飾罩這類兼具功能性和外觀性的零件，在汽車研發階段具有一定的設計評審難度。3D打印技術的出現很好地解決了此類難題，本文將以汽車的尾管裝飾罩為例，對3D打印技術在汽車零部件的設計和應用進行研究。

3.1 3D數據建模

在汽車研發階段構建零件模型，通常是根據零部件的性能、外觀、尺寸等要求進行正向開發。本文使用Catia軟件進行正向設計，根據汽車尾管裝飾罩的造型要求進行建模，考慮到量產階段的模具生產，我們將裝飾罩模型設計為蚌殼式結構，即裝飾罩的主體結構由上、下兩片蚌殼形狀的片體組成，這種結構是為了方便量產階段的模具沖壓成型。而這種結構在研發評審階段，也可以很方便地通過3D打印工藝制造出來，最終建立的模型如圖3所示。

圖3 裝飾罩3D模型

3.2 打印前的預處理

在進行熔融沉積3D打印之前，必須對模型進行預處理，包括轉換模型為stl格式、模型切片和設計支撐。由于汽車尾管裝飾罩存在曲率較大的曲面造型，將模型切片層高設置為0.1 mm，以獲得較好的模型表面質量，壁厚以及底層、頂層厚度設置為1.2 mm。由于模型造型面最薄處只有0.8 mm，對于此類薄壁零件通常填充密度設置為100%，否則容易造成模型表面破損、不連續等缺陷。打印速度通常設置為80 mm/s以下，對于具有復雜造型面的模型，其打印速度應適當降低，這里將模型打印速度設置為50 mm/s，打印機噴頭溫度設置為210 ℃，工作平臺的溫度設置為60 ℃。具體切片參數設置如圖4所示。

圖4 切片參數設置

為保證所添加的支撐既能夠對模型起到較好的支撐作用，又能達到模型支撐最少，方便后處理時去除的效果，選擇裝飾罩模型的前端面為底面，支撐類型選擇全部支撐，即所有懸空角度大于45°的區域均生產支撐結構。具體的模型打印方向及所添加支撐如圖5所示。

圖5 預處理后的模型

3.3 模型打印

汽車尾管裝飾罩一般與汽車后保險杠安裝在一起，通常采用塑料材質。在汽車零部件的研發階段，由于外觀造型評審的試制樣件對材料、精度、表面粗糙度等要求都不會太高，因此，為節約模型制作過程中的成本，縮短制作周期，使樣件制作更加簡單方便，選擇市場上最常用的熔融沉積3D打印機進行樣件的制造，材料為直徑φ1.75 mm的PLA線材，所選擇的3D打印機為極光爾沃公司生產的型號為A8的FDM桌面級3D打印機。

模型打印開始時，一方面為保證模型與工作平臺良好的粘附性，另一方面為防止模型出現翹邊現象，需適當地調低打印速度，我們在打印開始時將打印速度降低至設置速度的75%，當打印至第10層左右時，恢復至正常的打印速度。

3.4 模型后處理

模型打印完成后，需進行后處理，包括去除支撐、表面打磨、拋光、噴漆等。將打印好的模型從工作平臺上取下之后，首先要進行的是支撐結構的去除，通常支撐結構去除之后，在模型表面仍然會有顆粒狀的支撐殘留，需要用砂紙或砂輪進行表面打磨，一般后處理進行到這一步，裝飾罩表面質量已基本可以滿足外觀造型評審的要求了，但為了得到更好的表面效果，我們使用電動砂輪對模型表面進行拋光，然后再作鍍鉻色的噴漆處理，最終后處理得到的裝飾罩模型如圖6所示。

圖6 經過后處理的裝飾罩模型

4 汽車尾管裝飾罩的逆向檢測

本文采用三維天下的Win3DD單目三維掃描儀對3D打印制作的汽車尾管裝飾罩模型進行數據采集，采用Geomagic軟件進行數據處理。

4.1 數據采集與處理

在使用三維掃描儀進行數據采集時，為了獲取被測零件的全部點云信息，通常需要對被測零件進行多次反復測量，在測量過程中應保證每次測量的區域與其他測量子區域有互相重復區域，以便后期對多次測量的點云數據進行拼接處理，多片點云數據的拼接處理就是將不同局部坐標系下的多片點云通過轉化關系完成坐標系的統一[11]。

由于汽車尾管裝飾罩的外形曲面較復雜，對其進行三維數據采集時我們共進行了三次測量，以保證點云數據拼接的完整性。點云數據拼接的精準度對后續的去噪、平滑處理、曲面重構、光順性分析等步驟將會產生直接的影響[12]。點云拼接的本質是將一個坐標系下的點云通過旋轉、平移或者縮放等形式轉換到另外一個坐標系下，即完成一個剛體變換的過程。假設和分別為兩片待拼接點云數據中對應的點，用齊次坐標表示點坐標為

=[xyZ1]T（1）

用齊次坐標表示點坐標為

=[xyZ1]T（2）

如果將點轉換至點的坐標系下，其轉換公式如下：

=（3）

式（3）中的為轉換矩陣，其表達式如下：

其中，為正交矩陣，為投影轉換向量，為平移向量，為整體比例因子。

4.2 三維檢測分析

采用Geomagic controlX軟件將逆向采集的三維數據與標準設計模型進行分析對比。因3D打印制作的汽車尾管裝飾罩模型適用于研發階段的試樣，且綜合考慮到其裝配要求，設定其模型的外形公差為±3 mm。將逆向采集的三維模型與正向設計的模型進行3D比較，其結果如圖7所示。

圖7 模型3D比較

根據三維數據的分析比較結果，模型最大偏差為-2.778 2 mm，滿足公差要求的±3 mm。綜合分析，3D打印制作出的尾管裝飾罩模型能夠滿足搭載樣車進行整車驗證的要求。其中3處典型位置對比的偏差數據如表1所示。

表1 模型3D比價誤差值

4.3 誤差來源分析

在逆向工程中，誤差的來源主要包括被測物體自身的因素、數據測量過程中引起的誤差、數據進行預處理過程中產生的誤差等。通過對汽車尾管裝飾罩的誤差來源進行分析，引起誤差產生的因素如下。

4.3.1模型自身的因素

在對汽車尾管裝飾罩的模型進行測量時，其表面打磨后的的粗糙度、噴漆處理后光亮表面的折射率、后處理過程中涂膠和噴漆的厚度等因素均會對模型的三維測量產生一定影響。

所以在進行汽車零部件的3D打印制作中，后處理技術是關鍵之一，其對模型的制造精度會產生較大的影響。

4.3.2數據測量過程中引起的誤差

三維數據檢測過程中人為因素占據著主導因素，表面噴粉的技巧、標志點粘貼的位置均會對數據檢測帶來誤差，但由于本文在測量過程中進行了多次反復的測量并取最合理的數據，所以人為引起的這部分誤差占比較小。

4.3.3數據進行預處理過程中產生的誤差

由于通過三維激光掃描儀獲得的數據會存在一定的噪點或離群點，在對噪點進行去除時可能會因為不同的去噪算法導致去除掉一些有用的點云，在進行數據平滑處理過程很可能會導致一些不需要移動位置的點云發生移動，在進行數據精簡濾波時，也可能會遺漏掉一些有效的點云數據。這些點云的預處理步驟都會導致一些誤差的存在。

5 結語

3D打印技術在汽車零部件的制造過程中，有其一定的應用價值。3D打印技術的優勢和特征可以彌補傳統制造工藝的不足，很好地服務于汽車零部件研發過程中的樣件試制和評審，如汽車零部件的輕量化設計驗證、外觀造型驗證等[13-14]。從未來的發展來看，3D打印技術正在不斷地創新和完善，在汽車的結構件、外觀件等方面均有巨大的應用前景[15]，目前我國的汽車行業也面臨著技術革新，越來越激烈的競爭勢必要求新的技術、新的突破，而3D打印技術的應用將會是未來關鍵的一個突破點[16-17]。最后，從本文的研究來看，3D打印制作的零部件，其精度和表面質量受后處理工藝的影響較大，因此，3D打印技術能夠在汽車制造領域中得到發展，必然離不開3D打印后處理工藝的不斷發展和創新。

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Design and Application of Automotive Tailpipe Decorative Cover Based on 3D Printing

YAN Ying, LI Zhiwen*

( School of Mechanical Engineering, Jiangxi Technical College of Manufacturing, Nanchang 330095, China )

To explore the feasibility and effectiveness of 3D printing technology in the design of automobile tailpipe decorative cover. On the basis of expounding the principle and technical difficulties of 3D printing technology, combined with the structural principle, appearance and assembly requirements of automobile tailpipe decorative cover, and considering the sample trial production and review in the product development stage, this paper discusses the application of 3D printing technology in the design and manufacturing of automobile tailpipe decorative cover, and combined with reverse engineering, The sample of automobile tailpipe decorative cover made by 3D printing is inspected in 3D. The inspection and analysis results show that the sample of automobile tailpipe decorative cover made by 3D printing technology can meet the appearance and assembly requirements. With its unique advantages, 3D printing has an important impact on product development and manufacturing in the automotive industry. With the continuous improvement of 3D printing technology in materials, processes, etc., it will certainly have an impact on the development of the automotive industry in the future.

3D printing;Fused deposition modeling; Automotive tailpipe decorative cover; Reverse engineering

U466

A

1671-7988(2022)23-186-06

U466

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.034

顏穎（1984—），女，碩士，副教授，研究方向為機械制造工藝，E-mail:1433562@qq.com。

李志文（1987—），男，碩士，工程師，研究方向為增材制造與逆向工程技術，E-mail:594146433@qq.com。

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）。