基于光固化快速成型技術的汽車換擋手柄成型研究

涂承剛 郭奕文

（常德財經中等專業學校 湖南·常德 415101）

1 立項背景和必要性

傳統的汽車零部件成型方式有鑄造、鍛造、冷沖壓、金屬切削加工等，此類加工方式均需要模具和零件毛胚。在加工過程中通過去除材料的方式，使汽車零部件逐漸成型。通常情況下，此類成型過程較復雜，步驟較為繁瑣，成本較高。

光固化快速成型技術是制造業領域迅速發展的一項新興技術。與傳統的制造技術相比，它不需要模具和毛胚，通過增加材料的方法并結合計算機圖形學中的數據生成用戶需要的物體，它的最基本的思想是“增材制造”。此技術與傳統汽車零部件成型技術相比有以下好處：（1）降低了生產的成本。由于此技術不需要生產線，因此大大的降低了材料在生產過程中的浪費，導致成本的降低。（2）制造出傳統生產線無法制造的外形。因為此技術是分層制造實體，能設計并生成很多的復雜實體。（3）在良好的設計概念和過程中，簡化設計的過程，快速的生成出物體。

雖然這項技術在各個領域都在慢慢得到應用，但是在汽車零部件領域，這項技術的應用還不夠廣泛，而在國內更是處于一個起步狀態。雖然已經有完全由3D打印技術制成的汽車的出現，但這在汽車行業只是少數，而使用光固化成型技術的地方更是少之又少，只是少量制造工廠在少量汽車零部件的設計和制造上使用這個新興技術。因此，光固化快速成型技術在汽車零部件成型領域將會有巨大的應用價值。

2 國內外研究現狀和發展趨勢

光固化成型技術（SL/SLA），又可稱為立體光刻成型技術。它主要采用液態光敏樹脂原料，通過3D設計軟件設計出三維數字模型，利用離散程序將模型進行切片處理，設計掃描路徑，按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，分層掃描固化疊加成三維工件原型。它能簡便快捷的加工制造出各種傳統加工方法難以加工制作的復雜的三維實體模型，在加工領域中具有劃時代的意義。采用SLA技術制作的模型一般制作層厚在0.05至0.15mm之間，且成型的零件精度較高，表面質量較好，系統分辨率較高，并且可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結構的蠟模。

當前SLA技術的發展主要在如下幾個方面：（1）數據處理軟件性能越來越強。（2）激光技術的進步使成型速度大幅度提升，如成本更低、穩定性更高、壽命更長的紫外固體激光器的應用。（3）光敏樹脂材料技術的進步使光固化成型技術應用的領域越來越廣。例如，一種適用于消失鑄造的低粘度光敏樹脂，一種可直接用于加工注塑模具的高強度、高硬度、耐高溫的復合光敏樹脂。

3 主要研究內容

主要目標：對光固化快速成型技術在汽車換擋手柄成型領域中進行更深層次的探索。由于光固化快速成型技術在汽車零部件的領域的探索還處于初步階段，所有的探索暫時只是停留在建模軟件的優化和開發或者是打印材料和打印技術的開發和優化。對于在汽車領域的使用也暫時停留在概念汽車的設計或者是汽車的美學研究和汽車內飾的設計。本項目的研究能夠在此空白領域進行一定的探索研究和創新，使光固化快速成型技術將來在汽車零部件的領域發揮其應有的作用，并且能夠為大眾所接受。此項增材制造的方式將會給制造業帶來大幅度的節約成本的作用。

創新點：使用光固化快速成型技術生產汽車零部件?？梢源蠓冉档蜕a成本，對于小批量生產尤為明顯；加快生產進度，避免了模具設計等大量的前期工作，可根據零部件三維模型直接打印生產；光固化快速成型技術可以最大限度的滿足消費者的個性化需求。

我國的汽車零部件產業幾乎都是依附汽車廠而存在的，制造方法也大多是比較傳統的制作方法，比如：車削，銑削，刨削，磨削，鏜削等。這些制造方式都是減材的制造，在制造的過程中將要浪費大量的材料，另外，假如在加工過程中出現失誤，那么結果就只能是報廢。這些方式都將會造成大量的資源浪費。如果是采用模具制造的話，那么制作模具也會要消耗大量的時間。而且，傳統的設計也需要在不斷的失敗之中才能得到最后成功的零件，這其中消耗的人力物力也不少。

對于中國目前的狀況來說，中國正打算由“工業大國”轉向“工業強國”，而光固化快速成型技術可以一定程度上加快中國目前的制造業由傳統機械或手工制造轉向智能化的進程。使得我國的工業領域能夠和信息領域進行更加深層次的融合，提升我國的工業實例和競爭力。

本項目的技術關鍵：（1）光固化材料技術。光敏樹脂材料對光固化成型的應用至關重要，其直接決定了光固化快速成型技術的應用價值；不同的光敏樹脂性能區別大，用途廣泛；本項目所研究的汽車換擋手柄需要疲勞強度高、性能穩定的光敏樹脂材料。（2）激光技術。激光器的功率直接決定了光固化的成型速度；當前激光器還存在使用壽命不長的缺陷有待改善；光固化快速成型技術的廣泛應用還有待激光器的小型化。

4 項目技術路線和組織實施

技術路線：（1）經過討論后，確定所研究的汽車零部件。（2）設計出所需產品或零件的計算機三維數據模型；然后根據光固化快速成型技術的工藝要求，按照一定的方式將該模型離散為一系列有序的二維單元，即將原來的三維模型變成一系列的二維層片；再根據每個層片的輪廓信息，輸入加工參數，自動生成數控代碼；由成型系統將一系列二維層片自動成型的同時進行相互粘結，最終得到所需的三維物理實體或功能制件。（3）檢測光固化快速成型的零件質量。（4）比較光固化快速成型技術和傳統成型方式在特定汽車零部件制造方面的優缺點。

組織實施：（1）資料收集。查閱光固化快速成型技術在汽車部件成型應用方面的文獻和研究成果；召開3D打印專業教師座談會，對光固化快速成型在汽車部件成型應用方面的可行性、優勢、不足之處進行討論。（2）研究探索。研究光固化快速成型技術可應用于哪些汽車零部件的成型制造，及其與傳統成型制造方式的比較。（3）實驗驗證。數據準備。首先利用CAD軟件（UG、Inventor等）對汽車換擋手柄進行實體建模，然后將模型導出成STL標準文件格式，然后在快速成型機配套的數據處理軟件直接打開STL文件并進行數據處理。主要是進行零件造型方向和支撐設計，分層處理；然后在光固化快速成型機上快速制造產品模型，設定打印參數，并檢驗光固化快速成型的汽車擋把手柄質量是否能滿足實際需求。（4）整理研究資料，申請外觀造型專利。

5 市場需求預測及相關產業發展的促進與帶動作用

根據美國P＆S市場研究中心近日發布的市場研究報告，2017年全球3D打印市場價值為85.836億美元，年增長率為24.6%。預計到2023年，全球3D打印市場價值預計將達到318.63億美元。目前，3D打印技術的應用行業主要集中在工業產品的樣件制作領域，如家電、模具、玩具、汽車等新產品，新工藝品的開發與包裝，以及外觀要求較高的零部件或元器件的快速加工與制作。當前，國內企業3D打印設備條件有限，僅對于單個小批量的3D打印的原形件的有一定需求量。但是工業領域中快速成型生產方式已漸漸應用，市場需求進一步加大。

本項目所研究的光固化快速成型技術主要用于汽車部件成型，汽車行業市場需求廣泛，特別是DIY定制及汽車改裝市場前景廣闊、客戶需求增長迅速。本項目所研究的使用光固化快速成型技術生產汽車零部件技術迎合市場的發展方向，對汽車零部件換擋把手進行工藝設計，先進的光固化快速成型技術不需要單獨設計模具，可以大幅度降低生產成本，適于消費者DIY定制、汽車個性改裝等小批量生產；加快生產效率，根據消費者的需要設計零部件擋把手三維模型直接打印生產使用，可以最大限度的滿足消費者的需求。以先進的光固化快速成型技術來推動汽車行業的發展，帶動相關汽車多樣化產業的發展。

6 對環境的影響及預防治理方案

本項目所研究3D打印機的光固化成型主要使用液態光敏樹脂作為材料，原材料的利用率將近100%。但是原材料為液體樹脂，在固化過程中，會少量揮發一部分化合物，這些化合物的濃度顯著的低于監管機構規定的上限。后續處理將3D打印產品浸沒在腐蝕性的液體中進行浸泡一段時間。這個過程還可能需要用到刷子、鑷子等工具輔助，建議使用丁腈橡膠手套，防濺擋板，面罩和防護眼鏡(CMU)進行防護。治理方案是將廢水送入梯級溫差濃縮裝置進行廢水的濃縮與分離的方式。

噪音方面，3D打印機附近的噪聲等級符合職業安全與衛生局相關標準要求。3D打印機的外部噪音平，內部噪音大約符合職業安全與衛生局低于85分貝的要求。

光固化快速成型技術的汽車換擋手柄成型研究，這一新的生產工藝，不需要傳統的刀具、機床、夾具，便可快速而精密的制造出復雜形狀結構的零件，在新產品生產前期的設計、評價、修改階段，發揮著重要作用，大大縮短了產品開發周期，加快了產品更新換代的速度，特別是在汽車零部件改進生產上，發揮了突出作用。