基于3D打印成形的汽車尾管裝飾罩設(shè)計與應用

於旭

摘 要：為了對汽車尾管燈飾罩設(shè)計運用3D打印技術(shù)的可行性加以驗證，本文通過對3D打印技術(shù)以及汽車尾管燈飾罩結(jié)構(gòu)原理的闡述，再綜合汽車尾管燈飾罩的外觀設(shè)計及裝配等要求，探討了汽車尾管燈飾罩設(shè)計應用3D打印技術(shù)的方法及策略。其中便提到了逆向工程手段以及運用三維檢測技術(shù)對3D打印技術(shù)制作的汽車尾管燈飾罩樣件進行了檢測。結(jié)果顯示，以3D打印技術(shù)來進行汽車尾管燈飾罩的制作，能夠同時滿足外觀、裝配等多方面要求。不僅如此，3D打印技術(shù)還有其獨特的優(yōu)勢，譬如工藝系統(tǒng)化、開發(fā)周期短等。這對汽車行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)無疑有著激起重要的影響。且隨著3D打印技術(shù)的不斷完善，未來對汽車工業(yè)的影響還將進一步加深。

關(guān)鍵詞：3D打印 汽車尾管 燈飾罩設(shè)計

在我國的國民經(jīng)濟中，汽車工業(yè)的地位可謂極其關(guān)鍵。尤其是在科技發(fā)展異常迅猛的21世紀，汽車行業(yè)的不斷壯大更是加劇了行業(yè)整體的競爭。基于此，如今汽車行業(yè)各大制造廠家也將此作為了研究的重點。

3D打印技術(shù)因與傳統(tǒng)“減材”制造的方式截然不同，故又被稱作增材制造技術(shù)。當前，該技術(shù)在國內(nèi)諸多重要領(lǐng)域均得到了極其廣泛的運用，譬如電子電路、航空康田以及工業(yè)零件等。而在汽車制造領(lǐng)域的運用，最普遍的當屬汽車零部件的研發(fā)與試制階段，該技術(shù)不僅為汽車零部件的研發(fā)節(jié)約了大量的費用，也讓研發(fā)與試制周期明顯縮短。

1 熔融沉積技術(shù)的概念

熔融沉積是3D打印技術(shù)的主要技術(shù)之一，其以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，能夠通過逐層堆積的方式將材料制造為三維實體。當然，也正是基于該技術(shù)是以逐層堆積的方式來進行零件制造，故能制造出任意復雜形狀的零件，同時還具有高效、成本低的特點。

1.1 基本原理

當前，熔融沉積技術(shù)使用的材料通常包含以下幾類，如尼龍、聚乳酸、ABS塑料以及蠟等。其具體工作原理是在加熱噴頭使材料融化后，計算機便會利用掃描獲取的截面輪廓信息，將融化的材料有選擇性的涂敷在工作臺，待其冷卻便形成了一層截面，定型后噴頭再進行下一層的噴涂，此時，上層凝固的材料將演變?yōu)橄聦硬牧系耐糠笃脚_，也便是說噴涂的下層完全依靠上層的穩(wěn)固與支撐，詳細原理如圖1所示。

2 3D打印模型的制作過程

2.1 模型的構(gòu)建

3D建模作為熔融沉積技術(shù)的核心，主要有正向和逆向兩種構(gòu)建方式。二者因所依循原理的差異而在應用領(lǐng)域方面也有所差別。如正向設(shè)計大多是使用軟件Catia，主要適用于汽車零部件的設(shè)計；而被稱為逆向技術(shù)的三維掃描技術(shù)，因其最主要的功能在于獲取三維模型數(shù)據(jù)，故在汽車零部件設(shè)計領(lǐng)域不甚適用，但在模型的檢測與修補方面卻成效突出，因此適用于模型的修補與精度檢測。

2.2 切片處理

關(guān)于三維模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，因熔融沉積3D打印機并不能直接進行讀取，因此在具體打印前還需經(jīng)過專業(yè)的切片處理。而所謂的切片處理，顧名思義，即指將三維模型視為切片對象，以橫切的方式將三維模型切成有限個層厚相等的三維平面圖形。除此之外，在切片處理前通常還需要對三維模型進行近似處理，也便是將三維模型轉(zhuǎn)化為標準STL格式以小三角形面去片取三維實體曲面，經(jīng)過處理后方可進入到切片的工序，而此時的切片處理質(zhì)量將直接對成型的整體制造產(chǎn)生影響。因此，為保證良好的切片處理效果，各大熔融沉積3D打印機的研發(fā)廠家也會開發(fā)自己的切片軟件，該軟件主要囊括了兩項功能，即切片與打印。目的便是為了能讓自身生產(chǎn)的熔融沉積3D打印機能夠?qū)碗s的操作指令完整的完成，從而控制好切片處理的效果來為模型的成型質(zhì)量提供保障。

2.3 支撐設(shè)計

以逐層堆積原理成型的熔融沉積技術(shù)，其成型過程需要有支撐機構(gòu)來輔助懸空區(qū)域的添加，從而為模型的正常打印提供保障。同時，在打印結(jié)束后也要將支撐去處，并且不能與支撐部位產(chǎn)生任何的粘黏，否則都將影響到打印成型的結(jié)果。由此可見，支撐設(shè)計也是影響模型成型質(zhì)量的關(guān)鍵。不僅如此，在熔融沉積技術(shù)中，支撐結(jié)構(gòu)還具有以下幾方面重要作用：

2.4 分層疊加成型

熔融沉積3D打印機的工作過程是以系統(tǒng)發(fā)出的指令為參照，通過控制噴頭，以x、y軸為參考作平面運動。當運動到設(shè)定位置便會由噴頭將半流動狀態(tài)的熔絲材料擠壓出來，使材料在固定的工作平臺上涂敷，直至材料冷卻便形成了第一層截面，緊接著將平臺的高度下移，再將材料涂敷在上一層已經(jīng)凝固成型的材料之上，如此循環(huán)往復，直至完成完整零件模型的制作。

2.5 模型后處理

為使打印出的汽車零部件滿足表面質(zhì)量及外觀等要求，需在打印完成后進行后處理。此項工藝主要包含了去處支撐、打磨表面、拋光以及噴涂上色等工序。而考慮到3D打印過程運用的臺階效應可能導致模型表面出現(xiàn)缺陷，如當支撐去處不完全或是去除過程因處理不當而導致了痕跡遺留，便會導致模型質(zhì)量不佳甚至于存在較大缺陷，而存在缺陷的模型自然也不適用于燈飾罩這類本身對外觀要求較高的零件。因此，為解決這些缺陷，3D打印后處理工藝的重要性也便不言而喻。

2.6 三維數(shù)據(jù)檢測

對產(chǎn)品的三維檢測屬于逆向工程的應用形式。在你想工程中，當被測物的三維點云信息被測得后，便需對多片點的云信息進行統(tǒng)一，當將多片點的云統(tǒng)一到同一坐標系后，被測物的完整點云模型也能由此測得。之后再經(jīng)過對點云的光順、精簡、濾波和去噪等乙烯類的預處理，便可重新構(gòu)建三維實體，最終透過分析被測物的精度與光順性便可完成整個檢測工作。

3 汽車尾管裝飾罩的3D打印制造

3.1 3D數(shù)據(jù)建模

通常，研發(fā)某項汽車零件模型的首要工作便是明確研發(fā)的主要要求，包括性能、尺寸以及外觀等。隨即按照要求利用Catia軟件進行零件造型建模，完成建模并在通過評審后便會進入到量產(chǎn)階段。基于此，本文將燈飾罩模型設(shè)計為蚌殼結(jié)構(gòu)，簡言之，即上下兩片蚌殼形狀的片體組成了燈飾罩的主體結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計一來可以利用3D打印技術(shù)快速制造出來，以滿足研究評審階段的要求；二來則可方便量產(chǎn)階段的模具沖壓成型。

3.2 打印前的預處理

熔融沉積3D打印前的預處理主要包含了如下幾項工作，分別是轉(zhuǎn)換模型格式、切片模型以及支撐設(shè)計。考慮到汽車的尾管裝飾罩為曲面造型，該造型有較大的曲率，故為保證良好的模型表面質(zhì)量，將其模型切片的層高設(shè)置為了0.1mm，而壁厚、底層與頂層的厚度則均為1.2m。此外，鑒于模型的最薄造型面僅有0.8mm，故為避免損壞模型表面，在填充此類薄壁零件時的密度設(shè)置也要選擇100%。最后，鑒于模型的造型面相對較為復雜，故在打印速度方面也應適當放緩，正常打印速度通常為80mm/s，此時可將速度降低為50mm/s，打印機噴頭與工作臺溫度分別保持在210℃與60℃為最佳。同時，為確保所添加的支撐能夠切實發(fā)揮出良好的模型支撐效果，可選擇全部支撐來為所有大于45°懸空角度的區(qū)域提供結(jié)構(gòu)上的支護。

3.3 模型打印

由于汽車尾管燈飾的安裝位置與保險杠相同，故在研發(fā)階段，為盡可能讓二者位置上的沖突顯得不突兀，評審的重點也便放到了外觀造型之上，甚至會為了造型而在材料方面降低要求。除此之外，為節(jié)約模型制作成本并縮短制作周期，廠商通常會選擇以熔融沉積3D打印機來制造樣件。如今，市面上運用最廣泛的熔融沉積3D打印機則是由極光爾沃公司所生產(chǎn)，型號為A8/FDM。

在打印開始前，除了要確保模型能良好的粘附在工作平臺上之外，也要防止翹邊的情況出現(xiàn)。因此，打印過程需首先將打印的速度調(diào)低。通常，在打印初期會將速度設(shè)置為正常速度的75%，當打印10層左右后再恢復正常，這樣可有效防止上述情況的發(fā)生。

3.4 模型后處理

打印完的模型需要經(jīng)過一系列的后處理，具體包含了去處支撐、打磨表面、拋光以及噴漆等工序。通常，在去除支撐結(jié)構(gòu)后，模型表面仍會殘留下顆粒狀的支撐，此時便需以砂紙或砂輪去打磨表面，打磨結(jié)束后便已基本滿足了評審對外觀造型的要求。隨即為了讓表面質(zhì)量的效果得到提升，拋光后還會作噴漆處理，最終便可得到如圖2所示的燈飾罩模型。

4 汽車尾管裝飾罩的逆向檢測

本文對3D打印技術(shù)所制作汽車尾燈飾罩模型的數(shù)據(jù)采集主要運用了三維天下的WIN3DD單目三維掃描儀，相關(guān)處理的處理則是采用了Geomagic軟件

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

為了能準確獲取到被測零件的全部點云信息，本文使用了三維掃描儀進行數(shù)據(jù)采集。同時，為避免出現(xiàn)相同區(qū)域重復測量的情況，此次測量還經(jīng)過了多次反復，為最終的點與數(shù)據(jù)拼接提供了便利。經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集、處理與分析我們了解到，后續(xù)的去噪、平滑處理、光順性分析等工序均將受到點云數(shù)據(jù)拼接精準度的影響。

4.2 三維檢測分析

本文對Geomagic controlX軟件的應用主要是對比分析逆向采集的三維數(shù)據(jù)與標準設(shè)計模型。而基于此次3D打印制作的汽車尾管燈飾罩模型僅是以滿足研發(fā)階段需求為標準，故在對模型的外形公差設(shè)定上也較為寬松，具體可以允許3mm的外形公差，而通過3D比較逆向與正向采集的三維模型，最終結(jié)果如圖3所示：

從圖3可知，該模型雖存在偏差，但也在公差允許的范圍之內(nèi)。至于具體的偏差數(shù)據(jù)則如表1所示。

4.3 誤差來源分析

在逆向工程中，誤差是很難避免的常見現(xiàn)象，諸多因素包括被測物本身也均可能是導致誤差產(chǎn)生的原因。除此之外，以下因素亦可能導致誤差產(chǎn)生：

4.4 模型自身的因素

在測量汽車尾管裝飾罩模型時，諸多因素均將會三維測量的結(jié)果產(chǎn)生較大影響，譬如噴漆處理的光亮度、后處理的涂膠厚度以及表面打磨的粗糙度等。

4.5 數(shù)據(jù)測量過程中引起的誤差

人為的諸多因素亦可能導致三維數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)誤差，譬如在對表面進行噴粉操作時，一旦所使用的工藝技巧不正確或是標志點粘貼位置有所出入便可能產(chǎn)生誤差。但由于本文所得之數(shù)據(jù)均是經(jīng)過了反復的測量后方得出的最合理數(shù)據(jù)，故此部分導致誤差的可能性較小，本文也不再加以贅述。

4.6 數(shù)據(jù)進行預處理過程中產(chǎn)生的誤差

因利用三維激光掃描儀所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)有一定的噪點和離群點存在。基于此，當在去除噪點時若所用的去噪算法不同，也會導致部分有用云點被意外除掉。此外，在對數(shù)據(jù)進行精簡濾波時也可能導致部分有效點云數(shù)據(jù)被遺漏，以上因素均可能使導致誤差產(chǎn)生的原因。

5 結(jié)語

總之，3D打印技術(shù)在汽車零部件的制造中具有一定的應用價值。其中，最大的應用優(yōu)勢便是能夠彌補傳統(tǒng)制造工藝的不足以及降低零件制作的成本與周期。相信在不久的將來，隨著3D打印技術(shù)的不斷完善，不僅在應用領(lǐng)域方面會更加廣闊，且應用效果也會更加理想，繼而在為我國各行各業(yè)的發(fā)展提供前進動力同時促進我國國民經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

[1]顏穎李志文.基于3D打印成形的汽車尾管裝飾罩設(shè)計與應用[J].汽車實用技術(shù)， 2022，47（23）：186-191.

[2]白路遙，惠延波，周穎，等.基于3D打印技術(shù)的個性化鼻罩設(shè)計[J].工程塑料應用， 2020，48（3）：5.

[3]蔡唐瑭.3D打印在汽車塑料件設(shè)計中的應用淺析[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（11X）：1.