基于FDM的汽車維修工具3D打印技術研究

葉 園，陳曉航

（武漢商學院，武漢 430056）

基于FDM的汽車維修工具3D打印技術研究

葉 園1，陳曉航2

（武漢商學院，武漢 430056）

隨著智能制造、控制技術、材料技術、信息技術等技術的不斷發展和提升，3D打印技術也被推向了一個更加廣闊的研究平臺。對3D打印技術在汽車維修中的應用研究，正逐步向智能化、便捷化、通用化、個性化定制等多角度進行。本文對3D打印技術中的一種成型技術-----FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）在汽車維修工具中的應用進行了一定程度上的探索及研究，目的是如何能最有效地利用3D打印技術，從而為汽車維修行業服務。

FDM；3D打印技術；汽車維修工具

0 引言

3 D打印技術以其生產方式簡單、打印時間短、相對陳本低、主動性和靈活性強、高效率、產品千變萬化等特點迅速進入人們的視線，汽車行業也開始考慮如何充分利用其特點、發揮其優勢，通過智能化和數字化的實現，使之為汽車維修行業帶來更高的生產效率和更大的發展空間。

1 3D打印技術在汽車行業中的研究現狀

目前，3D打印技術在學術界更多的研究重點被放在對3D打印計算機軟件開發、新材料研制、3D打印機性能研發等方面。在汽車行業中，有3D打印技術對汽車零部件結構的優化、汽車流水線生產效率的提高、生產成本的降低等方面的研究，但是在對于汽車外部造型設計美學、汽車內飾體驗設計、智能化交互汽車設計、汽車制造、汽車維修等方面的科研成果和文獻很少，更缺少系統的理論研究和內容框架。

2 3D打印技術的分類

3 D打印包括數字設計建模、切片處理、打印成型、打印后處理等步驟。其中，成型技術是3D打印技術中是最關鍵的部分，成型技術的優劣直接影響著打印產品質量的好壞。目前，成型技術分為四種，分別為FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）、3DP（3Three Dimension Printing，3D噴射打印成型）、SLS （Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結技術）及DMLS （ Dirce Metal Laser Sintering直接金屬粉末激光燒結技術）。

FDM成型技術由美國學者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ΑBS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結。

3 DP成型技術是由美國麻省理工學院Emanual Sachs等人于1989年研制成功。3DP成型技術與SLS成型技術類似，都是采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面而連接起來的。用粘接劑粘接的零件強度較低，因此還須后處理。

SLS成型技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Deckard于1989年研制成功。SLS的加工過程是采用鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，控制系統控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結，并與下面已成型的部分實現粘結。

3 基于FDM的汽車維修工具的3D打印

3.1 FDM的工作原理

FDM的工作原理是：加熱噴頭在計算機的控制下，根據產品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運動，熱塑性絲狀材料由供絲機構送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺下降一定高度，再進行下一層的熔覆，好像一層層“畫出”截面輪廓，如此循環，最終形成整個實體。

3.2 基于FDM的汽車維修工具的3D打印步驟

在汽車維修中，經常需要用到各種各樣的工具，但購買的工具存在無法滿足某些零部件的特殊要求的情況，因此，我們可以利用3D打印技術，打印出滿足特殊需求的汽車維修工具。

下面以維修工具——扳手的打印為例，討論3D打印技術在汽車維修中的應用方法。基于FDM的3D打印過程包括三維模型設計、切片處理、打印機參數的確定，實施打印及打印后的產品后處理等步驟。

3.2.1 三維模型設計

采用三維繪圖軟件Solidworks對扳手進行三維模型的設計，設計出的扳手如圖1所示。

3.2.2 切片處理

進一步觀察圖2不難發現，進、出站及換乘客流時變特征存在差異. 以東直門站為例，3月5日早高峰出站、換乘客流均大于晚高峰，且換乘客流峰值均大于出站客流；早高峰進站客流小于晚高峰. 此差異與客流潮汐現象有關，東直門站附近用地類型以商業區為主，屬于就業型區域，住宅區較少. 因此在早高峰，東直門是主要的出行吸引點，發生量明顯小于吸引量.

將設計好的三維模型轉換成STL文件格式，然后使用軟件Cura（Cura是一款智能的前端顯示、調整大小、切片和打印的軟件）對三維模型文件進行切片，如圖2所示。

其中，圖2中包含的基本設置有：層厚0.2mm、壁厚0.8 mm、底部/頂部厚度0.8 mm、填充率20%、打印速度50 mm/s、噴嘴溫度220℃、熱床溫度70℃、耗材直徑1.75 mm、流量100%；圖2中包含的高級設置有：噴嘴直徑0.4 mm、反轉速度40 mm/s、反轉長度4.5 mm/s、初始層高度0.3 mm、初始層線寬比例100%、切除底部0 mm、移動速度120 mm/s、底層打印速度20mm/s、層最小打印時間5sec等。

3.2.3 打印機參數的確定

打印機型號：森工MakerPi（創新派）系列；打印機參數包括：打印尺寸：200*200*300mm；打印層厚：0.05—0.3mm；打印材料：PLΑ/ΑBS/PHΑ/HIPS/PETG等；噴嘴直徑：0.4 mm；成型精度：±0.1—0.3mm；XY軸定位精度：0.0128 mm；Z軸定位精度：0.0025 mm；噴頭溫度：≤250℃；熱床溫度：≤120℃；ΑC輸入：200—240V 4.0Α/100—140V 7.0Α等。

3.2.4 打印

切片處理完成后，Cura軟件導出能被3D打印機識別的Gcode控制文件，將這個文件輸入到3D打印機中，3D打印機主板里固化的軟件開始讀取文件，并控制逐層打印，如圖3所示。

3.2.5 打印后處理

使用FDM成型技術打印出的產品無法直接使用，需進行一定的后處理工作，包括拋光、噴漆、電鍍等。處理后成型的扳手如圖4所示。

4 結束語

本文以扳手這個汽車維修工具為例，根據3D打印技術中FDM成型技術的的特點及步驟，按照三維模型設計、切片處理、打印參數的確定，實施打印及打印后處理等步驟進行了試驗生產，生產結果表明，基于FDM的3D打印技術打印出的汽車維修工具可滿足實際使用要求。

［1］吳懷宇.3D打印∶三維智能數字化創造［M］.北京∶電子工業出版社，2014∶17.

［2］王菊霞.3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究［D］.吉林大學，2014.

［3］谷祖威.3D打印技術對汽車零部件制造業的影響［J］.現代零部件，2013（09）∶68-69.

項目來源：武漢商學院2015年度校級科學研究項目《3D打印技術在汽車維修中的應用研究》（2015KY009）

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.193

葉園（1983-），女，湖北武漢人，本科，武漢商學院機電工程與汽車服務學院實驗師，研究方向：電子技術、通信工程、自動化控制。