光固化3D 打印技术在汽车发动机罩中的应用

陈冲锋，郭海波

（1.芜湖机械工程学校，安徽 芜湖 241200；2.安徽西蒙子智能制造装备有限公司，安徽 芜湖 241200）

0 引言

3D 打印机（也称增材制作）工艺技术是一门非传统加工工艺，3D 打印技术起源于20 世纪80 年代产生的高速原型设计生产工艺技术，是以3D 建模文件为基准，利用可黏结材质，采用逐层堆叠累加的方法建立与模型相符的物理实体的工艺技术。3D 打印技术是新型的增材加工技术，反映了计算机和先进材料科技、数字化生产科技的紧密融合，是现代化工业的重要部分，可以极大地提升各领域的工作效率，被认为是近年来世界制造技术领域的一次重大突破。我国是汽车保有量大国，汽车行业发展在我国经济社会中占据越来越重要的地位[1]。在“中国制造2025”战略背景下，汽车行业发展逐步转向轻量化、智能化。随着现代网络化、数字化技术快速普及，在汽车设计与制造领域中，技术发展为其实现更低成本、更高质量、多元发展提供了重要支持。其中在汽车设计领域，3D 打印技术的出现促使汽车设计能够顺应行业发展方向，解决传统汽车设计中面临的技术问题，不断优化设计水平，为汽车行业发展奠定坚实的基础。

采用光固化3D 打印技术进行汽车发动机罩模型快速制作，将汽车发动机罩数字模型导入至切片软件中进行相关前处理工作，并在打印完成后进行相关后处理工作。获得实物模型，进而协助整车厂和汽车零部件制造商对汽车发动机罩进行性能、结构、设计检查并进行二次修正，从而加快汽车发动机罩设计的验证过程。

1 3D 打印技术及立体光固化成型法

3D 打印技术起源于20 世纪80 年代产生的高速设计原型制作技术，是依靠电脑3D 建模，以数字模型文件为基准，借助软件和数控系统，将特殊物料以逐级堆积、叠加成型的方法构成物品的工艺技术[2]。3D 打印是一种全新的制造方式，被认为是近年来世界制造技术领城的一次重大突破[3]。通俗地说，3D 打印机就是能够“打印”出真正3D 物品的一类装置[4]（图1）。

图1 3D 打印模型

而光固化成形是高速成形工艺技术中的一类，缩写为SLA，有时也叫做SL。该方法是最先开展出来的高速成形工艺技术，也是目前研发最大、工艺技术最完善、运用最普遍的高速成形工艺技术之一[5]。光固化成型工艺主要是利用光敏树脂为主要原材料，利用一定波段和频率的激光（紫外光）聚焦在紫外光固化树脂的面上，使其由点到面、由线到面的方式依次凝固，就这样进行了一次截面的绘制工序。接着再从垂直方向移动打印台到层厚单位的层面，然后再照射光固化下一层次。如此交替进行凝固、移动的工艺，就这样层层重叠进行了一个三维立体的印刷工程[6]。

2 3D 打印技术在汽车行业应用

3D 打印技术在车辆零部件领域更深入地运用成为必然趋势，它将是汽车行业的一个重大突破，随着“工业4.0 概念”的持续抛出，3D 打印机成为新工业革命技术的精髓所在，近年又被推上技术的风口浪尖，被应用到众多领域。而工业的骄子——发动机及零件生产也成为3D 打印技术的应用范围，如图2 为汽车发动机光固化打印。本次产品汽车发动机罩设计应用，通过3D 打印机工艺技术，能够快速生产出汽车发动机罩概念模型，同时基于3D 打印机的高速成型特性，对于汽车厂商来讲也能够应用于汽车发动机罩造型设计、结构设计的研究。

图2 汽车发动机打印

相比较普通的手工制造油泥模具，3D 打印机科技可以更准确的将汽车发动机罩设计图从2D 转换为现实，并且耗时也更短，大大提升了汽车发动机罩设计方面的制造效率。因此目前不少汽车企业已经开始在汽车外观零部件设计方面开始使用3D 打印技术。在产品方面，由于3D 打印机可以多样化的材质选取，不同的机械性能和更精准的功能性造型设计，使得厂商在汽车发动机罩制造前期就能够随时更正错误和优化产品设计，从而使得处理错误的成本更低。

3 汽车机盖成型工艺分析

本次应用是在具有模型基础下进行3D 打印检验模型，各主要成型技术参数见表1。

表1 各主要快速成型技术性能对比

根据使用途径，我们选择使用光固化成型技术进行打印。

4 成型设备选择

根据成形需要，本案例采用中瑞科技SLA 系列的SLA300 型3D 打印机。该装置的优点是：成型部件具有极致的细节和平滑的外表质感，精确度达到0.05 mm，适用于制造精密样件，根据零部件的规格和复杂性，能在几分钟至几小时内进行对零部件的制造，可制成不同结构复杂的零部件和组装件。

5 数据处理

数据处理软件可以看作数字模型和快速制造之间的桥梁，具有对数据进行检查、修复、优化和分层处理等功能。数据处理软件对数字模型进行分层处理，并将其处理成层片文件格式后送入3D 打印设备，3D打印设备接收数据处理后的层片文件即可开始进行快速成形制造。本例采用设备专业软件，生成SLA 系列3D 打印机专用格式文件。

5.1 导入及汽车机盖摆放分析

在软件中导入设计好的数字模型，如图3 所示。

图3 导入3D 数字模型

在确认数字模型无误后，就要开始调整零件在加工平台上的摆放位置和角度。对于SLA 成型技术来讲，零件在加工平台上如何摆放，对加工时间、加工效率和加工质量都会有影响。很多数据处理软件提供自动摆放零件的功能，依据零件的几何形状自动对零件进行嵌套摆放。这是在针对多个零件同时加工的情况时，使加工平台上可摆放的零件更多，保证在加工时零件之间不会相互干涉，用以提高生产效率。但汽车发动机罩作为单独制造的零件，模型放置在加工平合中央即可，如图4 所示，具体摆放角度和方向应根据零件结构及支撑结构来确定。

图4 汽车机盖模型摆放

5.2 生成支撑

在快速成形的流程中，大多数零件都用到支撑。支撑的意义不仅仅是承载零件以提高附加稳定性，也是为了防止零件发生变形。零件变形可以是热应力、过热或是加载材料时刮板的侧向扰动造成的，透过加强支撑构件，以最小的接触点进行热能传输，能够得到表面质量较好的零部件，也便于零件进行后处理。设备切片软件有自动生成支撑的功能模块，可以自动、简单、快捷地生成支撑结构。支撑的适用性和可靠性对于零件的最终表面质量至关重要。

汽车机盖在生成支撑时，必须确定零部件的受力方向，受力方向决定了支撑的产生方式，这一点在SLA 中尤为明显。发动机盖模型以一定角度倾斜放置时，应增加底部支撑的厚度和宽度，以提高支撑的稳定性；并且通过创建带角度的支撑，可以降低后处理的复杂性。完成摆放后设置自动生成支撑结构，其支撑结构如图5 所示。

自动生成支撑创建完成后预览，可观察支撑是否合理。如不合理，需要删除相关支撑，重新调整、增加零件的支撑结构，然后再次生成支撑，直至达到满意的效果，如图6 所示。

图6 手动设置支撑

5.3 切片处理

在设置好支撑后，就可以开始对模型进行切片，打开设备软件切片功能对话框，设置好层厚等参数。就可以放到快速成型装置上进行生产了。切片处理也是数据处理的关键过程。

5.4 快速成型

获取切片信息后，可进入快速成形系统进行制作，将切片的信息输入SLA 快速成形系统，3D 打印开始前，还需要进行设备的准备工作，先单击设备“树脂”按钮设置成形且设置各参数，接下来，设备内树脂液位持续上升至所需高度，如图7 所示。整个SLA 快速成形过程，几乎不需要人工操作，单击“打印”按钮打印机即开始加工在加工平台上，可以清晰地看到激光的扫描路线。光敏树脂经激光照射后固化，层层叠加成形，最终制成产品（图8）。

图7 设备准备

图8 设备打印平台现场

6 后处理

快速成型获得初步产品时，必须对产品经过相应的后处理流程才可获得最后的产品。

6.1 去除支撑

发动机盖模型的支撑有外部的支撑和腔体内部对悬空部分的支撑两部分，都是块状支撑。外部支撑和部分内部支撑只需要用手掰掉即可去除，如图9 所示，处理支撑时要戴防护手套。内部悬空部分的支撑待酒精清洗时边洗边去除。

图9 剥除支撑

6.2 清洗

从快速成形设备上取下的产品表面附着有黏腻的光敏树脂，需要进行清洗，清洗剂一般使用95% 的工业酒精。可使用已经用过的酒精，用刷子、清洁布等对汽车机盖模型的表面进行大致清洗。将表面的附着物大致清洗掉后，再更换较为干净的酒精进行二次清洗，清洗后要用高压气枪冲刷干净。清洗剂可以储环使用，但不超过3 次。清洗过程中还要注意采取相关的防护措施，避免受到不必要的伤害。

7 效果

通过后处理及固化过程后最终得到零件如图10所示，通过光固化成型机可以快速将汽车机盖从数字模型变为实物外观的改善、结构验证、复模原型等原本十分复杂的过程，使汽车部件得到了更加便捷的方式进行验证零部件性能。

图10 汽车机盖成品效果图

8 小结

综上所述，光固化的3D 打印机，能够在数小时至数日内生产出概念模型，进而协助整车厂和汽车零部件制造商进行产品设计，从而加快了产品设计的验证过程。通过多种不同的材质种类，不同的机械性能以及复杂的功能性原型设计，使得汽车生产商在前期就能够及时地纠正问题和进行产品设计，使错误的成本最低化。在汽车工装夹具领域，3D 打印机科技已经创造出一个快捷可靠的生产途径，从而大大减少了手工制造的成本和耗时。也因此，汽车制造商迅速地从生产力、工艺技术和品质等方面都获得了提高。从而帮助汽车公司进行快速小批量工具定制、降低成本和减少了商品的上市成本。在终用部件生产领域，3D 打印技术可以使得原始部件生产商与零部件厂商之间的部件的制造过程不存在延迟，从而使得汽车厂商定制并生产长久耐用的最终使用商品。通过3D 打印技术，可以打造耐久而坚固的汽车零件。

9 结语

3D 打印机科技目前已进入了一种蓬勃发展的新时期，3D 打印机科技被冠以了“第三次工业革命”的大历史，以3D 打印机科技为典型的高速成形工艺也被认为是产生了新型产业变革的重要因素。日前，在3D 打印技术领域，尽管我们国内和国外有着很大的技术差异，不过，我们国内的一些领域已经领跑世界，而且大量的专业人员对3D 打印技术给子了很高的重视和巨大的热忱，这为提高“中国制造”整体实力创造了一次极好的机遇，为3D 打印机的普遍使用和加快普及创造了一次有利的平合。