【技术文章】基于 3D 打印成形的汽车尾管装饰罩设计与应用

汽车工业在我国国民经济的发展当中有着举足轻重的地位，尤其是进入21世纪以来，我国汽车工业发展迅速，汽车市场规模不断扩大，汽车行业的竞争也越来越激烈。创新汽车零部件的制造工艺、缩短研发周期、降低零部件成本已经成为汽车制造业竞争的核心，也是目前各汽车制造厂家的研究重点。

3D打印技术又称为增材制造，是完全不同于传统“减材”制造的一种先进制造方式，其应用范围主要集中在航空航天、工业零件、电子电路等各个领域。在汽车制造领域，3D打印技术已逐渐应用于汽车零部件的研发和试制阶段，凭借3D打印技术的优势，可以节约汽车零部件研发过程中大量的模具费用，以及缩短其研发和试制周期。

1 熔融沉积技术的概念

熔融沉积技术（Fused Deposition Modeling, FDM）是 3D 打印技术的一种，它以三维数字模型 为基础，将材料通过逐层堆积的方式来制造所需 零件的三维实体。它的特点是高效、快速、材料 成本低、可实现任意复杂形状零件的制造。

1.1 基本原理

熔融沉积技术从原理上已突破了复杂异型构件的技术瓶颈，真正实现了设计引领制造的转变。该成型技术采用的材料一般为热塑性材料，如蜡、尼龙、ABS塑料、聚乳酸（PLA）等。其基本原理如图1所示，材料在喷头内被加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料有选择性地涂敷在工作台上，快速冷却并与周围的材料黏结后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型新的一层，直至形成整个实体造型。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。 1.2 技术难点

1.2.1打印速度的控制

由于熔融沉积技术是通过逐层堆积成型的，而且每一层的厚度很薄，所以必然导致该技术的成型速度不会很快。因此，熔融沉积技术的优势在于小规模、分布式生产方面，并不适用于大批量、规模化的生产方面。

1.2.2成型精度的控制

熔融沉积技术的特点是通过三维建模软件建立三维模型，再将模型分成逐层的截面，机器通过读取文件中每层的信息，逐层打印成实体。正因为该特点，导致分层制造过程中“台阶效应”的出现，如图2所示。台阶效应的存在限制了该技术的成型精度，特别是零件具有圆弧特征时会有较大偏差，所以熔融沉积技术并不适用于制造精度要求较高的零件。而且该技术制造的零件一般都需经过后处理加工，如表面的打磨、抛光等处理，能在一定程度上减少台阶效应带来的影响、提升成型零件的表面质量。 1.2.3成型材料的限制

熔融沉积技术采用的材料一般为热塑性材料，目前普遍应用的为价格较为低廉的PLA材料。由于材料的限制，熔融沉积技术只能打印塑料零件，应用范围及制造的零件比较单一，所以在汽车领域的应用中，通常用于制造样件，以辅助研发阶段的评审和校核。 2 3D 打印模型的制作过程

2.1 模型的构建

熔融沉积技术的基础是3D建模技术，建立3D数字模型的方法主要有两种，一是正向设计，即通过计算机三维建模软件直接建模；二是通过三维扫描技术逆向建模。在汽车制造行业中，通常使用的正向设计软件是Catia，目前Catia已成为汽车制造业零部件设计的标准软件之一。三维扫描技术又称逆向技术，虽然也是获取三维模型数据的方式之一，但由于其技术特点，并不适用于汽车零部件的直接设计。但逆向技术可用于模型的检测和修补，可以帮助汽车维修、售后部门对零件进行数据建模，也适用于对模型进行适当的修补或精度检测。

2.2 切片处理

由于熔融沉积3D打印机并不能直接读取三维模型数据，因此，在3D打印之前必须对3D模型经过专业的切片处理。所谓切片处理，即将三维模型按一定的层厚离散成有限个二维平面图形。通常，切片处理前需对三维模型进行近似处理，如将其转换成为标准的STL格式文件，即采用小三角形面片去三维实体的曲面。切片处理技术是3D打印成型过程中的核心技术之一，切片处理是否能够做好，关系到模型的整体成型质量。目前市场上使用的切片软件种类较多，通常熔融沉积3D打印机的厂家也会开发自己的切片软件。切片软件有两方面的功能，一是切片功能；二是打印功能。使用切片处理软件将STL文件进行处理整合出G-code控制文件，G-code控制文件既能被3D打印机识别，又能控制打印机完整地完成操作指令。

2.3 支撑设计

由于熔融沉积技术是通过逐层堆积成型的，在成型过程中需要对悬空区域添加支撑结构，以保证模型正常打印，并且需要在打印结束后去除支撑。支撑的设计也是模型成型质量、效率的关键影响因素之一[9]。在熔融沉积技术中，支撑结构的作用主要有以下几个方面。

2.3.1应对悬垂结构

这是设计支撑结构的主要作用，由于受重力作用，每打印一层需要在上一层打印结构的基础上给予支撑，这种单向堆积的方式使得三维模型悬垂结构无法打印，因此，添加支撑对于悬垂结构的打印至关重要。

2.3.2避免零件翘曲

支撑结构除了支持零件成型外，又由于与零件直接接触，还能起到拉住已成型部分的作用。而在成型过程中，由于急冷急热，会使零件内部产生应力变形，造成零件翘曲现象，所以支撑结构对零件的支持作用和热量传导作用，可以有效抑制翘曲现象的发生。

2.4 分层叠加成型

熔融沉积3D打印机会按照控制系统的指令，喷头作xy平面运动，挤出机受CAD分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，将熔融的材料涂敷在工作平台上，冷却后形成模型的第一层截面。当一层截面成型后，喷头上移一层高度并进行下一层涂敷，这样逐步分层叠加成型，形成最终需要的零件模型。

2.5 模型后处理

为提高模型的表面质量、达到外观要求，必须对3D打印成型后的模型进行后处理。后处理工艺包括去除支撑、表面打磨、抛光、喷涂上色等。由于台阶效应的存在，以及去除支撑不完全，或者去除支撑的过程中不可避免地会留下痕迹，通常会导致模型表面质量不高或存在缺陷。对于装饰罩这类具有外观要求的零件，模型表面的缺陷是不能被接受的，通过对模型表面的打磨、抛光、喷涂等操作，可以很好地解决这些缺陷，得到可用于外观评审的装饰罩模型，3D打印后处理工艺的重要性也由此凸显。

2.6 三维数据检测

产品的三维检测属于逆向工程中的一项应用，在逆向工程中，获取被测物的三维点云信息是逆向工程的基础；获得被测物三维点云信息后，需要将获得的多片点云统一到同一坐标系下，从而得到被测物的完整点云模型；然后就是对点云进行预处理，包括去噪、光顺、精简滤波等操作；接下来就是将预处理后的点云进行三维实体的重构工作，最后可以根据需要对被测物进行精度分析和光顺性分析，从而完成被测物的检测工作。

3 汽车尾管装饰罩的 3D 打印制造

在汽车制造中，3D打印技术可以作为一种新的制造工艺进行应用，其工艺优势可以为汽车零部件的研发阶段节约大量的模具成本和制造周期，进而提升汽车行业的整体制造水平。汽车结构设计中，尾管装饰罩的设计是汽车外观造型中非常重要的一部分，往往需要经过严苛的设计评审后再投入量产。由于装饰罩的外观性评审是必不可少的，手工样件的制作是无法达到评审要求的，而进行开模制作既耗费成本又需要较长时间，因此，尾管装饰罩这类兼具功能性和外观性的零件，在汽车研发阶段具有一定的设计评审难度。3D打印技术的出现很好地解决了此类难题，本文将以汽车的尾管装饰罩为例，对3D打印技术在汽车零部件的设计和应用进行研究。

3.1技3D术数在据汽车建模

在汽车研发阶段构建零件模型，通常是根据零部件的性能、外观、尺寸等要求进行正向开发。本文使用Catia软件进行正向设计，根据汽车尾管装饰罩的造型要求进行建模，考虑到量产阶段的模具生产，我们将装饰罩模型设计为蚌壳式结构，即装饰罩的主体结构由上、下两片蚌壳形状的片体组成，这种结构是为了方便量产阶段的模具冲压成型。而这种结构在研发评审阶段，也可以很方便地通过3D打印工艺制造出来。 3.2 打印前的预处理

在进行熔融沉积3D打印之前，必须对模型进行预处理，包括转换模型为stl格式、模型切片和设计支撑。由于汽车尾管装饰罩存在曲率较大的曲面造型，将模型切片层高设置为0.1mm，以获得较好的模型表面质量，壁厚以及底层、顶层厚度设置为1.2mm。由于模型造型面最薄处只有0.8mm，对于此类薄壁零件通常填充密度设置为100%，否则容易造成模型表面破损、不连续等缺陷。打印速度通常设置为80mm/s以下，对于具有复杂造型面的模型，其打印速度应适当降低，这里将模型打印速度设置为50mm/s，打印机喷头温度设置为210℃，工作平台的温度设置为60℃。