对于传统的车身设计流程,研发人员往往需要通过绘画—油泥模型—主图版—主模型的模式进行多层次的反复测量和修改,以确定最终的方案. 该过程会导致汽车的开发周期长、成本高,而且难以保证设计精度. 精度难以保证的主要原因是,在设计和生产准备各个环节之间,信息的传递是靠“移型” ^{[ 1]} 的办法进行的. 例如,在汽车的油泥模型制造过程中,针对表面细微处形状,需要经过油泥模型师的反复试验、测量和修改. 油泥是油脂、填料、改性添加剂和颜料等组成的混合物,当其应用于汽车模型制造时,油泥需要加热至60~70℃ ^{[ 2]} ,以便于敷在汽车骨架上,最后再使用特制的刮刀、铲刀、锉刀等工具进行加工. 由此可见,原始数据在经过多道工序后,人为操作所产生误差会影响数据的传递,从而导致制造精度有所降低. 但是经过光固化3D打印技术,参数设置主要通过计算机实现,数据传递过程中的误差相较于油泥模型技术要小得多.

油泥模型汽车车身制造方法,一般需要耗费几个月的时间. 先用1个月的时间来制作1:5 ^{[ 1]} 的油泥模型,主要是对外观评审修改,然后再根据车型总布置图,构建1:1的主模型线型图,最后用几个月的时间制作1:1的汽车油泥模型,直到油泥模型冻结完成,足以可见耗时之长. 用光固化3D打印技术实现汽车车身快速成形,制造工序减少,整体的完成时间也大大减少.

本文将光固化3D打印技术用于汽车车身整体化模型制造中. 具有如下优势:1) 运用UG对汽车车身进行整体化设计,调整并优化各型面参数,可以高效地设计新型汽车三维模型; 2) 光固化3D打印技术,可成形任意形状,而且能够一次成形原有工艺很难处理的复杂制件,并且可以根据设备所具有的精度控制,提高工件的成形精度; 3) 整个制造过程没有切削、不存在振动与噪声,成形加工周期短、成本低; 4) 光固化3D打印技术将制造周期压缩至几天,并且适合于对产品外形进行有效评估,提高汽车车身整体化制造的效率,降低企业研发成本.

1 光固化3D打印技术

1.1 激光3D打印技术在汽车上的应用

激光3D打印技术从属于非传统加工工艺的范畴,该技术涵盖机电、光学、计算机、控制以及材料等多学科多领域,是全球先进制造领域的一次革新. 与减材制造不同,激光3D打印技术可将液态聚合物、粉末等片状、丝状的离散材料逐层堆积,最终形成三维实体. 激光3D打印技术通过切片的方式将一个三维实体切割成若干个平面二维图形. 从理论上讲,通过计算机辅助设计软件设计出机构模型,可省去传统制造工艺的车铣刨磨,快速地将设计图形转变为实物. 这与全球制造业对产品的个性化、定制化、特殊化的发展趋势相符合.

3D打印技术在复杂结构制造上的优势可以加速汽车的研发. 目前,激光3D打印技术在汽车设计和研发阶段,以及单、小批量生产中的应用更为适用,例如整车的模型开发,底盘同步器等零部件设计和研发,以及橡胶塑料类零件的单件生产.

1.2 光固化3D打印技术原理

本文实验所采用的光固化快速成型机是SPS300激光光固化快速成型机,如 图1所示. 该快速成型机采用的是上光束扫描式快速成型.

图  1  SPS300型光固化快速成型机

Figure  1.  SPS300 optical stereolithography machine

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SPS300型光固化快速成型机由液盒(容器)、工作台、激光器、扫描振镜和计算机数控系统等系统组成. 激光器选择紫外光作为光源,采用半导体泵浦的三倍频 Nd:YVO ₄固体激光器替代 He-Cd 激光器 ^{[ 3]} .

光固化快速成型机原理如 图2所示. 其工作原理为

1) 液态光敏树脂布满液盒,工作台浸没在液盒中并且其表面有许多小孔,工作台可沿 z轴方向作上下往复运动.

2) 扫描振镜根据控制系统的指令,按照切片后形成的截面轮廓作往复摆动,使激光器发出的激光束反射至光敏树脂的表面之上,并沿此表面作 x、 y轴方向的扫描运动.

3) 在这一层受到紫外光激光束照射的区域,液态光敏树脂发生聚合反应快速固化,形成相应的一层固态截面轮廓薄片层和支撑结构 ^{[ 4]} .

图  2  光固化快速成型机原理

Figure  2.  Sereolithography machine schematic

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2 三维建模与STL文件的导入

光固化3D打印技术应用于汽车车身的快速成形中,必须使用设计软件进行三维建模,并且实现快速成型机与计算机的数据精确传输,本实验选用UG8.5和Magics12.0. UG主要用于三维模型的设计,Magics用于将设计后的三维模型导入快速成型机中.

将在UG中设计完成的汽车车身导入Magics中,并且加上支撑,为打印做好准备,如 图3所示. 以上的过程,代替了传统油泥模型制造中人工使用刀具加工的工序,可减少工作时间.

图  3  将建模实体导入打印软件

Figure  3.  Modeling entities import printing software

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具体步骤如下:

步骤1 使用UG三维建模软件进行汽车车身的快速建模. 优化车身设计过程的参数,对设计效果进行美化,并且可以对汽车车身衔接部分的微小结构进行优化. 比如,在对车门、 翼子板等关键型面的设计中,对不够完善的型面,可以进行拉伸、去除材料或重新造型成面 ^{[ 5]} ;在对车灯和散热器中倒角、 凹槽、 孔等细节型面的设计中,可利用UG进行修改和完善 ^{[ 6]} .

步骤2 设计后的汽车所保存的格式为prt格式,需要转换成STL文件格式以便导入光固化3D打印机的打印软件中.

3 分层厚度优化

3.1 影响3D打印成型件精度的因素

光固化3D打印技术虽然可以加快汽车车身的快速制造过程,但是制造过程中工件精度受多种因素影响.

1) 三角网格化是将三维建模实体与3D打印机相连接的载体. 要想实现最终实物的成型,转化成STL格式必不可少,即实现三角网格化,如 图4所示.

图  4  汽车车身模型三角网格化

Figure  4.  Triangular mesh model of automobile body

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STL文件格式的特点就是,采用一个个微小的三角形面片,逼近三维CAD模型的外表面,可以近似地表示原有的三维实体模型,从而简化CAD模型的数据格式以便于计算 ^{[ 7]} . 因为这是一种近似化的思想,所以很难对表面信息进行完全表征,故容易产生误差. 尤其在汽车车身的设计过程中,因为汽车车身大部分以曲面特征为主,所以对于曲面的三角网格化会产生相对其他特征更大的误差. 制件成型的精度主要受三角形数量多少的影响,生成的三角形越多时,则精度越高. 但是这样会增大存储空间和数据的处理时间 ^{[ 8]} .

2) 分层厚度会影响成型件的表面精度,因为分层厚度越小,成型工件的精度和表面品质就越好,但是成形时间越长. 分层厚度为 0.015~0.600mm. 针对光固化型3D打印机,分层厚度的大小应比紫外光的最大固化深度小,从而使得2个相邻的固化层能够更好地黏接在一起,否则会产生层间漂移 ^{[ 9]} .

3) 除了本文重点研究的分层厚度对制件精度的影响,影响成型件精度的因素还有光斑直径、扫描间距、扫描速度等.

通过查阅文献资料得到分层厚度对制件精度的影响 ^{[ 8]} ,如 表1所示.

表  1  分层厚度对打印制件精度的影响

Table  1.  Layer thickness of the print precision parts

分层厚度/mm	扫描间距/mm	扫描速度/(mm·s -1)	测量尺寸/mm	尺寸偏差/mm
0.20	0.2	300	29.41	-0.59
0.15	0.2	300	29.69	-0.31
0.10	0.2	300	29.87	-0.13

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由 表1可知,当分层厚度越小时,其余的各个因素保持不变,尺寸偏差则越小,所以精度越高,但是分层厚度并不能一味地变小. 首先分层厚度受到3D打印机硬件参数设置的限制;当分层厚度变得极小时,也许可以提高制件的精度,但是会导致打印时间变长,加大打印成本. 所以必须对分层厚度做出最佳选择,在控制打印效率的同时,也要提高打印制件的精度.

3.2 最佳分层厚度的计算推导

优化算法:

1) 利用计算机的接口控制,读取STL文件数据,获得所有三角形面片的法向向量.

2) 通过计算机得到法向向量与成形方向的夹角.

3) 然后,根据上述计算所得到的夹角及成型件所需的精度,推导出该层所允许的最佳分层厚度 ^{[ 10]} .

3.2.1 基于贝塞尔曲线的车身函数

针对汽车车身以曲面特征为主,为了使得成型件曲面特征最精确化的表现,故基于曲线曲率推导出最佳分层厚度计算公式. 在使用曲率公式之前,必须确定汽车车身的曲线函数 f.

贝塞尔曲线,根据以“逼近”为基础的参数曲线表示法得到,具体的算法思想大致如下:

1) 计算机可读入STL文件数据,获得各个三角面片的顶点数据,经过计算机的处理获得相应的曲线,从而确定汽车曲面的曲线函数.

2) 对于汽车的空间曲线,则可在两视图上分别加以逼近,即将复杂曲线的描绘简化为多边形描绘,这和三角形面片化的思想类似. 以下简述贝塞尔曲线的函数构造过程.

在贝塞尔曲线求解之前,先确定某一特征多边形的顶点为 b _i ( i=0,1,…, n). 可以这样画出所对应的贝塞尔曲线,具体流程如下:

步骤1 选取固定区间 t:[0,1],在特征多边形以 b _i 和 $\begin{array}{c}{b}_{i+1}^m\end{array}$ 为两端点的第 i条边上确定一个点为 P _{i ,1}( t),该点将这条边分成比值为 t:(1 -t)的两端,于是得到

P _{i ,1}( t)=(1 -t) b _i+t $\begin{array}{c}{b}_{i+1}^m\end{array}$ ( i=0,1,…, n-1)

步骤2 这几个点组成一个( n-1)边形,对此新的多边形重复上述操作,又可得到一个( n-2)边形的顶点 P _{i ,2}( t) ( i=0,1,…, n-2).

步骤3 依次类推,连续做 n次重复,只剩下一个单点 P _{0, n} ( t),它就是贝塞尔曲线上对应于参数 t的 P( t).

步骤4 让 t在[0,1]间变动,就可以求出贝塞尔曲线上所有的点. 此过程可由计算机来进行.

举例 P _0,4( t=1/3),具体过程如 图5所示.

图  5  利用特征多边形作对应曲线的方法

Figure  5.  Corresponding polygon method using characteristic curves

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贝塞尔曲线可采用一组特殊的基函数表示,其曲线方程为

p( t)= $\begin{array}{c}\stackrel{n}{\sum _{i=0}}\end{array}$ a _if _i ( t) 0≤ t≤1

借助贝塞尔曲线,可近似得到汽车车身轮廓曲线的函数表达 f,为下面的曲率计算做准备. 具体计算过程可由计算机完成.

3.2.2 分层厚度的计算公式

首先,明确曲线曲率的计算公式为 ρ= $\left|\begin{array}{c}\frac{{(1+f\left.\text{'}\right)}^{\frac{3}{2}}}{f^{″}}\end{array}\right|$ ( f为曲线轮廓的函数表达). 以凸曲线为例,进行层厚的推导过程,层厚示意图如 图6所示.

图  6  层厚示意图

Figure  6.  Thickness schematic

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步骤1 将角 τ设为工件所需的加工精度 ^{[ 11]} . 如 图6所示,根据曲线微元的近似处理,确定 M点处的三角面片的法向量为 N, z轴的方向向量为 Z,求得两向量的夹角为 θ(注意:当 NZ≥0时, θ为锐角;当 NZ≤0时, θ为钝角).

步骤2 因为微元化之后的线段 AM足够小,所以 β≈0 °,则 α≈90 °-θ,∠ AMD≈ θ.

步骤3 设最终得到的层厚为 h=AD,弧 AM的长度对应的弦长 AM=δ,那么层厚公式为 h= $\begin{array}{c}\frac{\delta }{\mathit{sin\theta }}\end{array}$ .

步骤4 根据得到的曲率公式,可以得出在加工精度为 τ的情况下,对应弦的长度为 δ=2 ρsin $\begin{array}{c}\frac{\tau }{2}\end{array}$ .

步骤5 最后求出根据 N和 Z求出其夹角 θ:cos θ= $\begin{array}{c}\frac{\mathit{NZ}}{\left|N\left|\times \right|Z\right|}\end{array}$ .

综上所述,上述情况主要针对的是 $\theta \in (0,\begin{array}{c}\frac{\pi }{2}\end{array})$ 的情况,当曲线是凹曲线时,即 $\theta \in (\begin{array}{c}\frac{\pi }{2}\end{array},\mathrm{\pi })$ . 但是不管哪种情况都满足cos θ≥0,又因为sin θ= $\begin{array}{c}\sqrt[]{1-\mathit{cos}{}^2\theta }\end{array}$ ,所以为了避免正负混淆以及凹凸曲线的讨论,综上所述将层厚公式总结,并且可以得到基于贝塞尔曲线的分层厚度 h.

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}h=\frac{\delta }{\sqrt[]{1-\mathit{cos}{}^2\theta }}\\ \delta =2\mathit{\rho sin}\frac{\tau }{2}\\ \mathit{cos\theta }=\frac{\mathit{NZ}}{\left|N\left|\times \right|Z\right|}\end{array}\right.\end{array}$

4 实验

本次对汽车车身的整体化快速成形,从UG制图到制件的打印完成,总计耗时3d. 利用SPS300激光光固化快速成型机对汽车车身进行快速成形, 表2为主要工作参数.

表  2  实验参数显示

Table  2.  Experimental parameter display

工作参数	数值
填充扫描速度/(mm·s -1)	4500
支撑扫描速度/(mm·s -1)	950
轮廓扫描速度/(mm·s -1)	4000
填充向量间距/mm	0.10
补偿直径/mm	0.18
工作台升降速度/(mm·s -1)	4.00
总层数	457
顶层高度/mm	45.60
分层厚度/mm	0.1

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打印完成之后,需要去除支撑结构. 然后进行打磨、抛光、喷漆等后处理工序,如 图7所示.

图  7  汽车车身快速成形件及后处理

Figure  7.  Auto body parts and rapid prototyping post-processing

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5 结论

1) 相较于传统的油泥模型汽车车身制造方法,将3D打印用于汽车车身快速成形制造中,可提高汽车车身整体化制造的效率,缩短制造时间.

2) 数字化建模以及三维模型三角面片化的方法,可减少数据传输的误差,实现对汽车车身参数实时修正,提高汽车前期研发时参数选择的准确度. 相较于油泥模型技术,3D打印技术可提高设计制造过程中精度控制能力.

3) 基于贝塞尔曲线曲率计算出最佳分层厚度,该分层厚度会更加贴近车身曲线,车身曲面效果会得到最大表征. 同时将分层厚度最优化,可提高制件的精度.

4) 本文的研究对汽车研发过程具有较强的指导意义和参考价值,也对3D打印切片软件的研发有一定的指导意义和参考价值.