使用3D打印技术打印汽车的方案Word文件下载.docx

1、第一章：课题背景人类的历史，就是一部不断挑战自然、发明新技术以改善生活的故事。从延续几万年的石器时代，到战争的炮火轰开科技大爆炸的种子；从蒸汽机为第一次工业革命吹响号角，到福特汽车流水线上滚滚的长龙。而今距离现代社会的开端仅仅几十年，我们早已沉浸在信息化社会的海洋中。美国著名的经济学家里弗金，早在2008年的一本著作第三次工业革命中便写道，以信息、能源、制造、营销、物流的民主化为主要支撑的第三次工业革命已经到来。在这个新的工业时代中，新能源将会和互联网紧密相连，产生分布式的能源网络，而3D打印技术，将以其简单、快捷、廉价的特性为人们实现个人自主制造，即制造的民主化，从而极大地提升我们的社会生产

2、效率。11.1 3D打印技术概述3D打印（Three Dimension Printing），顾名思义，就是像将文字打印到平面纸张上（2D打印）一样，通过层层叠加的方式，制造出三维的工件来，这实际上是一种更为通俗的说法。它的许多别称有，增材制造（Additive Manufactory）、快速成型（Rapid Prototyping）、任意成型（Freedom Fabrication）、快速原型/零件制造（Rapid Prototyping/Manufactory）等等2。要使用3D技术来打印一个物体，首先电脑里应当存在一个数字模型，这个模型可以使用计算机辅助设计（CAD）或是其他制作3D模型

3、的软件来完成，也可以使用3D扫描仪来扫描一个真实存在的物体来获得。之后，3D打印机的软件会将这个数字模型转化为切片模型，即将它以模拟的方式切割成许多薄层，在3D打印机的工作流程中，切片模型被转化为打印头的行走轨迹，通过一些特定的材料可以通过物体的形式一层一层地精确打印出来，直至完成一个完整的3D物体3。3D打印直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品，极大的简化了生产的流程，使得生产任意复杂结构零部件的生产成为可能，也是实现材料微观组织结构和性能的可设计的重要技术手段。3D打印是一种堆积成型的成型方式，其基础步骤包括了构造三维模型、三维模型的切片与曲面的近似、薄层打印与叠加、打印后打磨等后处理流程

4、等过程（见图1）。如今已经有十几种切实可行的3D打印技术，不过，几乎所有的技术都基于3种基本方法。3在第一种方法中，3D打印机通过挤压打印喷头来形成铸件或半液体材料。最常见的方法即为不断挤压流出热塑性材料，这种材料能够在离开喷头的时候迅速凝固成型。这里的材料可以是融化的金属，也可以是奶酪、巧克力等食品原料，甚至还可以是液态混凝土，想象一下使用3D打印技术将一整栋楼打印出来的场景吧。第二种方法使用的是感光性树脂，顾名思义，这种液体在暴露于激光或是其他光源中时会发生光聚合反应而固化。3D打印机先是按照打印系统生成的路径进行扫描，喷射出一个单独的液体层与托板相粘结，然后将托板下降一层的距离，同时使用

5、光线将液体固化，这时候，生成的第二层液体贱货牢固地粘结在第一层固体之上，如此类推，直至整个工件打印完毕。第三种方法，3D打印硬件通过逐层粘合一些精细的材料粉末来制作模型。材料高温熔化成液态后，通过喷嘴挤压出非常细小的球状颗粒。再喷出后，这些颗粒粉末会很快固化，从而在立体空间中紧密地组合排列成实物。这种技术精度非常高，强度也很可观，但是成型之后表面粗糙度有待处理。随着科技的完善与发展，3D打印技术的应用前景也越来越广阔。它可以用于改善产品设计：相比于传统的模型制造方法，3D打印无疑更为便捷快速且与计算机图形更为贴合相近，通过对计算机的3D模型的模拟，设计者可以很方便地找出设计呈现在实物中的各方各

6、面的缺陷所在。举个例子来说，雷诺F1车队自从1988年以来便一直使用3D打印技术生产赛车零件原型，从而测试赛车设计的空气动力性能。它也可以用于打印模具，转变传统的生产方式：传统的生产过程需要的夹具、模具等在制造过程中都费时且昂贵，但是使用3D打印可以节省大量的金钱与时间。比如，在3D砂模铸造模型的过程中，3D打印技术直接在熔化的金属中打印铸造模型，可以节省70%的总生产时间，同时也能实现更高的精度和更复杂的模具创建。43D打印最广泛的应用在于它可以直接参与数字化制造，即制造出最终的产品或部分的零件。它可以在不断开项链的情况下将它打印出来，也可以直接打印出一整套变速箱中的各种运转零件，从而绕开组

7、装的环节。当然，这一切的一切都正在随着科技的进步不断发展，相信在未来，我们还能够看到3D打印机直接将一整架商业客机打印出来呢。图1：一般3D打印技术的工艺流程1.2 3D打印的国内外技术现状1.2.1 3D打印技术在国际上的发展现状从上世纪八十年代，3D打印技术的萌芽到如今，经过数十年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。5 在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此

8、领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。目前,在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式（行业分布见图2）。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细

9、的造型。6图2：全球3D打印技术行业分布示意图图3:3D打印设备数量区域分布图在汽车制造方面，早在2010年年初，世界首款3D打印汽车Urbee便在美国面世。作为一款绝大部分零部件都是3D打印产物的混合动力汽车，它的造价为5万美元。虽然外形比较猎奇，技术也不够成熟，但这也给3D打印汽车的进程开了个好头。在最近几年里，3D打印技术在汽车领域得到了很大的发展。参加2012年世界赛车锦标赛的BMWMINI Countryman车队在那时就开始与站在汽车技术最前沿的Prodrive公司合作，从最开始的车手显示屏，到空气动力学传感器外壳，再蔓延到几乎整辆赛车：发动机进气口、赛车顶部变流片等等，都在3D打

10、印技术中得到了应用。现在，汽车中有100多个部件都可以使用3D打印技术生产出来。使用3D打印或者其他增材制造方式可以有效减少零部件从供应商到组装商的运输成本，对汽车制造厂商来说无疑是很大的便利。1.2.2 3D打印技术在国内的发展现状从上世纪90年代开始，国内的许多高校就陆陆续续地开始了3D打印的研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料。但是总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距 7

11、。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。同时，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。而在汽车产业中，包括奇瑞汽车、长安

12、福特、东风汽车公司等我国的汽车企业及其零部件配套生产企业在研发和制作缸体、缸盖、变速器齿轮等产品过程中也已经开始使用 3D 打印技术。可以看到，无论是国外的车企还是国内的这些生产厂商，普遍更为青睐使用3D打印技术来生产汽车的零部件，而非将汽车整辆打印出来，原因大致有以下几方面：首先，3D打印技术如今的应用尚不成熟，Urbee作为第一辆大部分车身都来自3D打印的汽车，耗时近三个月，造价相比传统汽车也毫无优势。其次，世界上传统的车企如今已经形成了一条稳定的零部件产业输送链，而作为新兴的产业，3D制造技术还没有拥有一条稳定可靠的物流网络作为大批量生产的媒介。所以，如果不能够解决成本与物流的问题的话，

13、3D打印汽车只能是实验室的新奇玩意儿。相信随着时间的推进，3D打印汽车的产业可以蓬勃地发展。那么，3D打印技术会不会淹没在历史的洪流里呢？这点我们倒不用担心。3D打印出的汽车更具有模块化，无论是维修还是组装都相比传统汽车要便捷很多，它的普及也只是时间问题了。图5：世界首款3D打印汽车Urbee第二章：系统总体设计方案2.1 设计目标使用3D打印技术，选取适当的材料，设计出一套简单快捷的车体打印系统，用户可以使用自己的CAD模型通过软件转化为STL文件进行打印。该套系统对于工作环境以及打印设施没有苛刻的需求，打印出的车身务求光滑、复合动力学特征。在可能发生的交通事故中，减少因为应力集中或者材料堆

14、积不当造成的车身开裂或是膨胀变形等悲剧。同时，在保证车身质量以及制造效率的同时，能够将价格维持在一个合理的范围之内。2.2 设计思路1.耗材选择3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础。在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等8。从已有的材料中可以看出，无论是Local Motors所研制的strati3D打印电动汽车还是闻名遐迩的第一、第二代Urbee混合动力汽车都没有使用金属材料作为打印材料。Strati汽车使用的是黑色ABS塑料层以及碳纤维加固层，无独有偶，Urbee汽车也是绝大部分都使用

15、ABS工程塑料打印而成。从这两个例子里不难发现，相比起金属材料，工程塑料明显更受汽车厂商的青睐。一方面，工程塑料变形温度大大低于金属材料，加工方便；另一方面，工程塑料的强度、耐冲击性、耐热性、硬度以及抗老化性都极其优秀，在3D打印的拉伸、抽丝、冷却固化这些步骤里可以很好地完成自己的任务。目前在汽车产业中最常用的工程塑料是ABS材料（在熔融沉积造型中经常使用）以及PC材料9。ABS材料（Acrylonitrile Butadiene Styrene）强度高，韧性好，在90以上即可进行机械加工（钻孔、喷漆、电镀等）。同时，它有许多的颜色种类，可以满足口味挑剔的买家。而PC材料（聚碳酸酯）是真正的热

16、塑性材料，它的高强度、耐高温和抗冲击、抗弯曲能力都达到了一定程度，从而可以直接在汽车上装配使用。综合以上两种材料，我们在这里使用PC-ABS材料8。它具备了ABS的韧性和PC材料的耐高温和耐热性，能够有效地保障汽车的使用者；同时具有一定的流动性，在3D打印的过程中能够提供一定的便捷；ABS材料的特性也使它能够应用在汽车这样的大块头成品中。PC-ABS材料的熔化温度为230300摄氏度，其分解温度大致在250摄氏度左右，在后文的温度控制环节中将会对此加以注意。2.打印系统概述根据使用的材料PC-ABS材料，这里使用FDM（熔丝沉积制造）技术，即第一章中提到的第一种基础方法，其打印流程见图6。从硬

17、件上，打印系统分为三部分：文件存储和传输部分、驱动控制电路部分以及机械传动部分。首先，通过单片机上的存储设备直接从计算机上读取事先建好的3D模型，由单片机对之进行分析与切片（或者直接将打印所需的STL文件存储入单片机中），同时，建立一个X-Y轴的平面，并且该平面能够在Z轴上上下运动，从而为稍后的喷头打印做准备；其次，从单片机输出控制指令，通过一定的驱动电路驱动电机，使用解析过的数据处理控制喷头以及X、Y、Z轴的运动；机械传动部分包括了X、Y、Z轴的直线运动与定位，以及对喷头模块的加热和供料系统的控制。在实际工作中，单片机读取了三维模型之后，输出控制指令，控制喷头的温度使材料熔化，同时控制喷头的

18、喷出系统调节喷出材料的量。每打好一层，从外部的存储设备读取下一层的参数，打印下一层，直到全部模型完成。在后面的第3、4、5节中将分别详细阐述对于切片程序、温度控制以及喷头移动控制的系统设计。 程序的总框架见图7。图6：FDM成型流程图 图7：总程序框架3.STL切片模型的构建流程设计10对3D模型的切片模拟过程是整个3D打印中最开始的步骤。这部分的内容涉及到了STL模型的切割，其中的三个重要环节是建立数据结构、求交线以及生成截面轮廓线。流程图见图8。图8：STL切片模型流程在切片处理过程中有许多的算法，比如直接求交线切片算法以及进阶的模型的拓扑结构算法等。在这里使用基于Z坐标的分层算法，这种算

19、法是一种相对简单的拓扑关系算法。在读取STL文件数据时记录各顶点的Z坐标并排序，分层时通过分层高度Z来读取西药进行求交计算的目标三角形面片。通过对各个微小三角形面片之间逐次求交线来连接得到封闭的轮廓线。主要步骤如下：（1）读入STL文件的所有三角形面片，记录各顶点的Z坐标并标记 ID 号。（2）将读取的三角形面片按Z坐标从小到大进行排序。（3）按照从Z轴从小到大的方向进行切片，根据分层切片的高度Zh来确定需要进行求交的三角形（4）任选一三角形面片进行求交，再根据连续性索引到下一个集合中的三角形，以此类推最终得到闭合轮廓线，分层高度增加一个单位 Z。（5）重复步骤（3）、（4）,直到分层高度大于

20、所有三角形 Z 坐标的最大值，分层结束。此处对于数据结构的建立不再赘述。4.温度控制回路系统的设计喷头处的温度控制的大致流程图见下文框图9。图9：温度控制回路流程图在3D打印时，喷头处的温度控制极为重要。若是温度过低，则液体会过于黏稠，若是温度过高，则液体不易凝结。上文中已经得知，PC-ABS材料的最适宜处理温度为250摄氏度左右，故设置环境温度为248摄氏度，喷头温度为250摄氏度。在这样的状态下打印最为有效。这部分温度控制回路检测的是喷头处材料加热部分的温度，目标是使其保持在预设值的范围之内，在实际温度较高时停止加热，而在实际温度低于设定温度时将温度加热控制到材料的熔点处。*在对温度进行精

21、确控制的环节中可以使用PID温度控制技术，以决定每一步的加热应该增加多少具体的操作量。PID温控系统的核心就是，在采样时间间隔t内，采样得到测量值xn与预定值x0的偏差值e，然后根据偏差值e与系统设备本身所决定的一些常数，求出操作量y。系统的主要设备有计算机（工控机），测量热电偶、数据采集控制卡（A/D、D/A转换器，I/O接口等）与信号调理模块、控温元件等。除了计算机以外的其他元件都可以集成在3D打印机中，与计算机相连接。模拟控制的PID算法表示为：11 （2-1）在式中，KP为比例常数，TI为积分时间，TD为微分时间。通过计算机采样输入，将式（2-1）中的连续微积分方程式使用离散的方式表示

22、。同时采用增量式算法,将第n次调节时的控制量由第n-1次的控制量加上一个增量得到，即： （2-2） 如此即可得到： （2-3）上式中，A、B、C均为与Kp、T、TL、TD相关的常数。en在上文中已经提到，是采样的温度以及预设温度的偏差值。在温控环节中加入上述的增量式PID算法，能够有效又便捷地让计算机只输出增量，占用内存较小。5.喷头移动、XYZ方向控制设计在上述两个步骤，切片模型的建立以及温度控制回路的确定之后，来到了3D打印最为关键的步骤，即对模型的打印过程。上文已经介绍过，使用PC-ABS塑料打印时最宜使用FDM成型法，这种方法虽然打印的精度不大高，但是由于其打印速度快，对环境要求不太高

23、，所以对于大型零部件（尤其是汽车车身）的打印最为适合。在打印时使用化繁为简的方法，将三维打印简化为许许多多的二维打印在Z轴上的叠加，同时将二维打印转化为一个平面上许多直线的一维打印。首先使用特定材料，PVAL与AA（聚乙烯醇与丙烯酸混合材料12）搭建支撑材料，之后的所有步骤在支撑材料之上进行。通过对于切片模型的读取，驱动控制模块与机械传动模块协同运作，将切片模型的每一层转化为一个边界函数，喷头的轨迹即在这个边界函数的区域中进行移动。当打印完一层，喷头加工到边界时，打印机通过信号反馈停止此层的加工。此时，步进机构将会将X-Y平面沿着Z轴向下移动一个微小量，计算机再读取下一层的切片模型，重复进行打

24、印，直到模型打印结束为止。这个过程的流程图见图10。打印时对于喷头系统的功能要求有如下几点：（1）喷头连接装满用料的丝筒，保证喷头直径足够小（0.05mm左右），以确保模型的分辨率够高。（2）原料在进入喷头的出液点之前确保经过温度控制回路，固态料丝经过及时且充分的预热、熔化转化为预定温度的熔融状态的液态料丝。（3）熔融态的液态物料需按照直线行进进行堆积。同时，出丝速度可以控制。具体的程序设计不加赘述。至此，整个设计的设计框架搭建完毕。图10：打印过程主要流程图2.3系统特点及设计可行性分析本设计采用高强度高韧性抗热性极强的PC-ABS材料，能够在汽车的整体机身上很好地工作，Urbee和Stra

25、ti的成功很好地证明了这一点。打印技术采用了熔丝沉积制造技术（FDM），打印速度在3D打印技术中首屈一指，同时对于外部环境的需求并不高，成本很低廉，可以解决汽车的造价问题。汽车的车身、发动机、轮轴等结构都可以使用这个方法制造。温度传感器等各种打印机上的附带元件可以通过蓝牙或是其他无线连接设备与计算机连接，减少设备的复杂度。对3D打印产品的表面成型质量以及精度的检测、控制见下一章。第三章：3D打印表面成型质量和精度的检测和控制3.1 控制3D打印成品质量的方法上文提到了步进机构能够在每一个二维图案打印完毕之后向下步进一个微小的单位，这个单位就是每一层的厚度。厚度与分辨率关系密切，分层越小则分辨率

26、越高，在汽车工业中，这个分辨率最好能够达到600dpi（每英寸长度上的层数）。在我们的设计中，若是层厚控制在0.3mm0.4mm左右，则分辨率可以达到600800dpi，能够满足表面粗糙度的要求。另外，X 轴和Y 轴的分辨率由设备的机械系统决定（喷头的粗细、打印的波动等），一般无法调整。除了Z轴上的分辨率需要调整之外，需要设定的参数还有喷嘴直径、填充方式、网格间距、理想轮廓线的补偿量、偏置扫描中的偏置值、开启延迟时间、关闭延迟时间、成型材料、加密层及其参数设置、成型室吹热风的方式、空行程速度、工件相对于工作台面的成型角度、添加支撑等都会影响表面质量和成型时间等13。以上的这些参数都可以在软件中

27、设置或是改变环境条件来达成。通常来说小的补偿量、大的挤出速度、小的填充速度、小的分层厚度、小的开启延时和关闭延时可以得到表面质量与成型时间的最优化设计，此处不作详述。3.2 表面粗糙度检测方法表面粗糙度（Surface Roughness）最早以前称作表面光洁度（Surface Finish），是反映工件表面质量的一个重要指标。国标 GB3505-83 中定义：“加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征。一般由所采用的加工方法和（或）其它因素形成。”14在我们的设计中，由于3D打印过程中可能出现的每层厚度与设计厚度产生偏差而导致的三维形状与实际形状不符，或是由于X-Y平面上的dpi

28、太小而导致的表面光洁度减小，这些都可能导致最终成品上不太乐观的表面粗糙度。如何测量表面粗糙度，这个步骤是需要贯穿于整个3D打印过程中的。在第二章中描述的3D打印过程中，每打印完成一层二维的平面，系统就将执行一次判断，然后将Z轴下降一个单位。在这个过程中，可以考虑当Z轴每下降510个像素点时执行一次表面检测。由于汽车车身动辄长达三至五米，高度也有一米多，所以这种表面检测技术必须是极为迅捷，同时，由于喷头直径大致在0.1mm左右，所以每一层的断面处的表面光洁度在1微米级别的微观结构上一定是非常粗糙，所以并无需使用极为精密的表面粗糙度测量方法（如触针法等），只需测量每一层的断面处是否在0.1毫米级的

29、平面上保持水平，并且表面相对光滑与否。通过以上两点的分析，为了满足测量迅速、工件简单便捷的要求，这里使用光学散射测量技术。光学散射的实质是，一束光以一定角度照射到具有微小不平度的粗糙表面时，反射光出现散射现象，此时在反射方向的光强有所减弱，在其它方向的光强则有所增加。15（见图11）研究表明，发生散射现象是由于物体表面的粗糙不平引起的，说明表面粗糙度和散射光强度分布有一定的关系。对于表面粗糙度数值较小的表面，反射光能较强，散射光能较弱；反之，表面粗糙度数值较大的表面，反射光能较弱，散射光能较强。所以使用光学散射法可以非常简单快捷地大致测量每一个断面的表面粗糙度情况，比针触法等传统方法速度快了5

30、倍以上。图11：光学散射现象3.3 信号采集方法如图11中所示的那样，在工件上方一定角度的位置放置一台X光发射仪，发射出一束极细小的平行光，而在发射仪的另一边放置一台感光仪器，光带打在感光仪器上之后，可以由感光仪器得到反射光与散射光的相对量的大小。感光仪器连接一台数字传感器，将得到的非电学量：相对光强信息转化为数字输出信号，即表面粗糙度的数值。数字输出信号可以是散射光与反射光的光强度比值，因为通常比值较小，所以这里可以乘以100，这里将这个数字成为散射指数。这个数值在010内为正常范围。同时，使用散射法中反射光线与入射光线的相对位置还可以得到测量点的垂直高度Zn。在测量进行之前，可以使用一开始打印了十层左右的样品的表面粗糙度进行参照。在测量过程中，x光将行进与触头同样的路径，即将二维平面转化为许多一维直线，从头到尾按照表面的边界函数运动。因为汽车车身的打印尺寸巨大，所以可以考虑同时使用四台光散射粗糙度测量设备，从而加快检测进程。最后通过数字传感器得到一个散射指数与采样时间的关系图表。