光固化3D 打印技術在汽車發動機罩中的應用

陳沖鋒，郭海波

（1.蕪湖機械工程學校，安徽 蕪湖 241200；2.安徽西蒙子智能制造裝備有限公司，安徽 蕪湖 241200）

0 引言

3D 打印機（也稱增材制作）工藝技術是一門非傳統加工工藝，3D 打印技術起源于20 世紀80 年代產生的高速原型設計生產工藝技術，是以3D 建模文件為基準，利用可黏結材質，采用逐層堆疊累加的方法建立與模型相符的物理實體的工藝技術。3D 打印技術是新型的增材加工技術，反映了計算機和先進材料科技、數字化生產科技的緊密融合，是現代化工業的重要部分，可以極大地提升各領域的工作效率，被認為是近年來世界制造技術領域的一次重大突破。我國是汽車保有量大國，汽車行業發展在我國經濟社會中占據越來越重要的地位[1]。在“中國制造2025”戰略背景下，汽車行業發展逐步轉向輕量化、智能化。隨著現代網絡化、數字化技術快速普及，在汽車設計與制造領域中，技術發展為其實現更低成本、更高質量、多元發展提供了重要支持。其中在汽車設計領域，3D 打印技術的出現促使汽車設計能夠順應行業發展方向，解決傳統汽車設計中面臨的技術問題，不斷優化設計水平，為汽車行業發展奠定堅實的基礎。

采用光固化3D 打印技術進行汽車發動機罩模型快速制作，將汽車發動機罩數字模型導入至切片軟件中進行相關前處理工作，并在打印完成后進行相關后處理工作。獲得實物模型，進而協助整車廠和汽車零部件制造商對汽車發動機罩進行性能、結構、設計檢查并進行二次修正，從而加快汽車發動機罩設計的驗證過程。

1 3D 打印技術及立體光固化成型法

3D 打印技術起源于20 世紀80 年代產生的高速設計原型制作技術，是依靠電腦3D 建模，以數字模型文件為基準，借助軟件和數控系統，將特殊物料以逐級堆積、疊加成型的方法構成物品的工藝技術[2]。3D 打印是一種全新的制造方式，被認為是近年來世界制造技術領城的一次重大突破[3]。通俗地說，3D 打印機就是能夠“打印”出真正3D 物品的一類裝置[4]（圖1）。

圖1 3D 打印模型

而光固化成形是高速成形工藝技術中的一類，縮寫為SLA，有時也叫做SL。該方法是最先開展出來的高速成形工藝技術，也是目前研發最大、工藝技術最完善、運用最普遍的高速成形工藝技術之一[5]。光固化成型工藝主要是利用光敏樹脂為主要原材料，利用一定波段和頻率的激光（紫外光）聚焦在紫外光固化樹脂的面上，使其由點到面、由線到面的方式依次凝固，就這樣進行了一次截面的繪制工序。接著再從垂直方向移動打印臺到層厚單位的層面，然后再照射光固化下一層次。如此交替進行凝固、移動的工藝，就這樣層層重疊進行了一個三維立體的印刷工程[6]。

2 3D 打印技術在汽車行業應用

3D 打印技術在車輛零部件領域更深入地運用成為必然趨勢，它將是汽車行業的一個重大突破，隨著“工業4.0 概念”的持續拋出，3D 打印機成為新工業革命技術的精髓所在，近年又被推上技術的風口浪尖，被應用到眾多領域。而工業的驕子——發動機及零件生產也成為3D 打印技術的應用范圍，如圖2 為汽車發動機光固化打印。本次產品汽車發動機罩設計應用，通過3D 打印機工藝技術，能夠快速生產出汽車發動機罩概念模型，同時基于3D 打印機的高速成型特性，對于汽車廠商來講也能夠應用于汽車發動機罩造型設計、結構設計的研究。

圖2 汽車發動機打印

相比較普通的手工制造油泥模具，3D 打印機科技可以更準確的將汽車發動機罩設計圖從2D 轉換為現實，并且耗時也更短，大大提升了汽車發動機罩設計方面的制造效率。因此目前不少汽車企業已經開始在汽車外觀零部件設計方面開始使用3D 打印技術。在產品方面，由于3D 打印機可以多樣化的材質選取，不同的機械性能和更精準的功能性造型設計，使得廠商在汽車發動機罩制造前期就能夠隨時更正錯誤和優化產品設計，從而使得處理錯誤的成本更低。

3 汽車機蓋成型工藝分析

本次應用是在具有模型基礎下進行3D 打印檢驗模型，各主要成型技術參數見表1。

表1 各主要快速成型技術性能對比

根據使用途徑，我們選擇使用光固化成型技術進行打印。

4 成型設備選擇

根據成形需要，本案例采用中瑞科技SLA 系列的SLA300 型3D 打印機。該裝置的優點是：成型部件具有極致的細節和平滑的外表質感，精確度達到0.05 mm，適用于制造精密樣件，根據零部件的規格和復雜性，能在幾分鐘至幾小時內進行對零部件的制造，可制成不同結構復雜的零部件和組裝件。

5 數據處理

數據處理軟件可以看作數字模型和快速制造之間的橋梁，具有對數據進行檢查、修復、優化和分層處理等功能。數據處理軟件對數字模型進行分層處理，并將其處理成層片文件格式后送入3D 打印設備，3D打印設備接收數據處理后的層片文件即可開始進行快速成形制造。本例采用設備專業軟件，生成SLA 系列3D 打印機專用格式文件。

5.1 導入及汽車機蓋擺放分析

在軟件中導入設計好的數字模型，如圖3 所示。

圖3 導入3D 數字模型

在確認數字模型無誤后，就要開始調整零件在加工平臺上的擺放位置和角度。對于SLA 成型技術來講，零件在加工平臺上如何擺放，對加工時間、加工效率和加工質量都會有影響。很多數據處理軟件提供自動擺放零件的功能，依據零件的幾何形狀自動對零件進行嵌套擺放。這是在針對多個零件同時加工的情況時，使加工平臺上可擺放的零件更多，保證在加工時零件之間不會相互干涉，用以提高生產效率。但汽車發動機罩作為單獨制造的零件，模型放置在加工平合中央即可，如圖4 所示，具體擺放角度和方向應根據零件結構及支撐結構來確定。

圖4 汽車機蓋模型擺放

5.2 生成支撐

在快速成形的流程中，大多數零件都用到支撐。支撐的意義不僅僅是承載零件以提高附加穩定性，也是為了防止零件發生變形。零件變形可以是熱應力、過熱或是加載材料時刮板的側向擾動造成的，透過加強支撐構件，以最小的接觸點進行熱能傳輸，能夠得到表面質量較好的零部件，也便于零件進行后處理。設備切片軟件有自動生成支撐的功能模塊，可以自動、簡單、快捷地生成支撐結構。支撐的適用性和可靠性對于零件的最終表面質量至關重要。

汽車機蓋在生成支撐時，必須確定零部件的受力方向，受力方向決定了支撐的產生方式，這一點在SLA 中尤為明顯。發動機蓋模型以一定角度傾斜放置時，應增加底部支撐的厚度和寬度，以提高支撐的穩定性；并且通過創建帶角度的支撐，可以降低后處理的復雜性。完成擺放后設置自動生成支撐結構，其支撐結構如圖5 所示。

自動生成支撐創建完成后預覽，可觀察支撐是否合理。如不合理，需要刪除相關支撐，重新調整、增加零件的支撐結構，然后再次生成支撐，直至達到滿意的效果，如圖6 所示。

圖6 手動設置支撐

5.3 切片處理

在設置好支撐后，就可以開始對模型進行切片，打開設備軟件切片功能對話框，設置好層厚等參數。就可以放到快速成型裝置上進行生產了。切片處理也是數據處理的關鍵過程。

5.4 快速成型

獲取切片信息后，可進入快速成形系統進行制作，將切片的信息輸入SLA 快速成形系統，3D 打印開始前，還需要進行設備的準備工作，先單擊設備“樹脂”按鈕設置成形且設置各參數，接下來，設備內樹脂液位持續上升至所需高度，如圖7 所示。整個SLA 快速成形過程，幾乎不需要人工操作，單擊“打印”按鈕打印機即開始加工在加工平臺上，可以清晰地看到激光的掃描路線。光敏樹脂經激光照射后固化，層層疊加成形，最終制成產品（圖8）。

圖7 設備準備

圖8 設備打印平臺現場

6 后處理

快速成型獲得初步產品時，必須對產品經過相應的后處理流程才可獲得最后的產品。

6.1 去除支撐

發動機蓋模型的支撐有外部的支撐和腔體內部對懸空部分的支撐兩部分，都是塊狀支撐。外部支撐和部分內部支撐只需要用手掰掉即可去除，如圖9 所示，處理支撐時要戴防護手套。內部懸空部分的支撐待酒精清洗時邊洗邊去除。

圖9 剝除支撐

6.2 清洗

從快速成形設備上取下的產品表面附著有黏膩的光敏樹脂，需要進行清洗，清洗劑一般使用95% 的工業酒精。可使用已經用過的酒精，用刷子、清潔布等對汽車機蓋模型的表面進行大致清洗。將表面的附著物大致清洗掉后，再更換較為干凈的酒精進行二次清洗，清洗后要用高壓氣槍沖刷干凈。清洗劑可以儲環使用，但不超過3 次。清洗過程中還要注意采取相關的防護措施，避免受到不必要的傷害。

7 效果

通過后處理及固化過程后最終得到零件如圖10所示，通過光固化成型機可以快速將汽車機蓋從數字模型變為實物外觀的改善、結構驗證、復模原型等原本十分復雜的過程，使汽車部件得到了更加便捷的方式進行驗證零部件性能。

圖10 汽車機蓋成品效果圖

8 小結

綜上所述，光固化的3D 打印機，能夠在數小時至數日內生產出概念模型，進而協助整車廠和汽車零部件制造商進行產品設計，從而加快了產品設計的驗證過程。通過多種不同的材質種類，不同的機械性能以及復雜的功能性原型設計，使得汽車生產商在前期就能夠及時地糾正問題和進行產品設計，使錯誤的成本最低化。在汽車工裝夾具領域，3D 打印機科技已經創造出一個快捷可靠的生產途徑，從而大大減少了手工制造的成本和耗時。也因此，汽車制造商迅速地從生產力、工藝技術和品質等方面都獲得了提高。從而幫助汽車公司進行快速小批量工具定制、降低成本和減少了商品的上市成本。在終用部件生產領域，3D 打印技術可以使得原始部件生產商與零部件廠商之間的部件的制造過程不存在延遲，從而使得汽車廠商定制并生產長久耐用的最終使用商品。通過3D 打印技術，可以打造耐久而堅固的汽車零件。

9 結語

3D 打印機科技目前已進入了一種蓬勃發展的新時期，3D 打印機科技被冠以了“第三次工業革命”的大歷史，以3D 打印機科技為典型的高速成形工藝也被認為是產生了新型產業變革的重要因素。日前，在3D 打印技術領域，盡管我們國內和國外有著很大的技術差異，不過，我們國內的一些領域已經領跑世界，而且大量的專業人員對3D 打印技術給子了很高的重視和巨大的熱忱，這為提高“中國制造”整體實力創造了一次極好的機遇，為3D 打印機的普遍使用和加快普及創造了一次有利的平合。