基于FDM的減震器連接件輕量化設(shè)計與3D打印制造

陳福德

基于FDM的減震器連接件輕量化設(shè)計與3D打印制造

陳福德

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

隨著科技高速發(fā)展，人們對于汽車產(chǎn)品的需求也在不斷地發(fā)生變化，利用3D打印和輕量化設(shè)計已經(jīng)成為汽車制造業(yè)領(lǐng)域的熱點，這兩者的結(jié)合對于提高制造業(yè)的競爭力具有重要意義。文章通過3D打印技術(shù)和Inspire優(yōu)化設(shè)計軟件對減震器連接件進行研究，分別對結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切片處理、參數(shù)設(shè)置、模型打印等方面進行了系統(tǒng)研究，探討產(chǎn)品拓撲優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵問題以及最佳打印參數(shù)，為產(chǎn)品的輕量化設(shè)計與高效制造成型研究打下基礎(chǔ)和提供重要參考。

熔融沉積成型；減震器連接件；Inspire；3D打印制造；輕量化設(shè)計

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)品的迭代更新速度越來越快，人們對于產(chǎn)品的精細化設(shè)計和高效制造提出了更高要求。3D打印是一種快速成型的制造技術(shù)，具有降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期等優(yōu)勢；而輕量化設(shè)計則是指在保證產(chǎn)品功能和性能的前提下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低產(chǎn)品質(zhì)量、縮小產(chǎn)品體積。

在新產(chǎn)品設(shè)計階段，利用掃描技術(shù)、輕量化設(shè)計和3D打印等先進制造技術(shù)，對產(chǎn)品進行拓撲優(yōu)化輕量化設(shè)計和高效制造，在充分保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能的可靠性前提下，減少使用材料，降低設(shè)計制造成本，極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，且能夠更加快捷地檢驗產(chǎn)品設(shè)計中存在的一些問題，并及時進行修正，從而更快地推進產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)制造[1-2]。本文借助Inspire輕量化設(shè)計軟件對減震器連接件進行拓撲優(yōu)化和強度分析，利用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技術(shù)對優(yōu)化后的模型進行3D打印制造，探討產(chǎn)品拓撲優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵問題及最佳打印參數(shù)，驗證該方法的可行性。

FDM 3D打印技術(shù)是以三維計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design, CAD）數(shù)字模型作為基礎(chǔ)，通過三維建模軟件建立CAD數(shù)字模型，通過計算機切片軟件將模型沿某一坐標(biāo)軸方向進行離散分層和數(shù)字控制，按一定層厚分層/切片，將模型離散為一系列有序的二維層面信息。運用激光束、熱熔噴頭等方式，對切片后的數(shù)據(jù)信息進行處理，將離散信息與打印參數(shù)相結(jié)合，生成3D打印機可識別的數(shù)據(jù)代碼，驅(qū)動打印機有序地逐層疊加薄層材料，將材料通過連續(xù)物理層疊加，逐層增加材料生成三維實體的技術(shù)。

圖1 打印流程

由三維數(shù)字模型得到的實體模型分為離散和堆積兩個過程，離散是對模型進行切片處理的過程，堆積是3D打印設(shè)備根據(jù)切片結(jié)果提供信息完成打印的物理過程，如圖1所示。該技術(shù)已廣泛地被應(yīng)用于機械制造、汽車、建筑、航空航天等領(lǐng)域，大幅縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，提高了材料利用率，從而降低制造成本。

1 零件的輕量化設(shè)計

1.1 零部件材料及載荷條件

零件輕量化設(shè)計的對象是減震器連接件，其主要承受汽車的減震器和車架連接端。通過三組安裝孔載荷來辨識其安裝孔的固定位置，其典型位置和設(shè)計的空間，如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)件及安裝孔位置

零部件材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）；密度為 1 060 kg/m3；屈服應(yīng)力為45 MPa；泊松比為0.35；楊氏模量為2 000 MPa。對該結(jié)構(gòu)件添加外部載荷條件，在位置1和位置2處分別施加380 N的力，其方向向量為（-0.853,0,-0.853）；在位置3處施加1 500 N的力，使作用力施加在連接器對兩孔連接形成的中心點上，其方向向量為（0.853,0,0.853）；在位置4處施加1 100 N的力，其作用力施加在連接器對兩孔連接形成的中心點上，其方向為的負方向。

1.2 初始強度分析、拓撲優(yōu)化與強度校核

根據(jù)選用材料和承受的載荷條件，使用Inspire設(shè)計軟件對減震器連接件原始模型進行初始強度分析。由選定分析的運行加載得出相應(yīng)結(jié)果，在結(jié)果類型中選擇米塞斯等效應(yīng)力查看其最值大小，將米塞斯等效應(yīng)力顏色設(shè)置為多彩模式，預(yù)覽最值區(qū)間各應(yīng)力分布情況。結(jié)果可知，最大米塞斯等效應(yīng)力為38.38 MPa；最小米塞斯等效應(yīng)力為0.028 51 MPa；最大位移為0.274 5 mm；最小安全系數(shù)為1.2，如圖3所示。

圖3 各應(yīng)力分布情況

1.3 拓撲優(yōu)化與幾何重構(gòu)

根據(jù)設(shè)定邊界條件對連接件進行拓撲優(yōu)化，指定設(shè)計空間和非設(shè)計空間，添加載荷以剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，以質(zhì)量和厚度作為設(shè)計約束，分析得到拓撲優(yōu)化結(jié)果。對優(yōu)化結(jié)果進行幾何重構(gòu)，獲得最終的輕量化設(shè)計模型；打印時，可將其作為子模型導(dǎo)入原始模型內(nèi)。

通過輕量化設(shè)計，分別對六種方案進行對比分析，最終選出最優(yōu)方案，拓撲優(yōu)化最優(yōu)模型強度校核結(jié)果如圖4所示。優(yōu)化后模型實現(xiàn)了73%的減重，最大米塞斯等效應(yīng)力為13.06 MPa；最小安全系數(shù)為1.7，強度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實際的強度需求。

圖4 拓撲優(yōu)化模型應(yīng)力分析

2 零件的增材制造

本次實驗采用FDM工藝，打印設(shè)備型號為太爾時代UP300；噴嘴直徑規(guī)格為0.4 mm；材料類型為ABS。使用UP Studio3模型切片軟件設(shè)置打印參數(shù)，分別對原始模型、輕量化設(shè)計模型及綜合模型進行切片及3D打印。

2.1 子模型設(shè)置及載入

3D打印中提升模型綜合性能的有效方法是在主模型中嵌入子模型。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點，對主模型和子模型分別設(shè)置局部填充，既可以節(jié)省打印耗材，縮短打印時間，又可以滿足零件本身的強性能要求。

以原始模型為主模型載入軟件中，導(dǎo)入主模型時一定注意取消模型自動擺放，分別導(dǎo)入子模型，并置于主模型的內(nèi)部，對子模型進行布局填充。將輕量化設(shè)計模型作為子模型導(dǎo)入主模型內(nèi)，自定義infill 100%填充，子模型導(dǎo)入主模型后，使主模型與子模型的坐標(biāo)位置重合，以確保子模型完全置于主模型的內(nèi)部，自動擺放至打印平臺上，如圖5所示。

圖5 載入模型

2.2 確定打印方向

模型的打印方向?qū)τ诔尚图|(zhì)量的影響至關(guān)重要在打印模型前。首先確定最佳的打印方向，選擇打印方向時需要綜合考慮多個因素，如：模型的強度、表面質(zhì)量、支撐、耗材及打印時間等等[3]。結(jié)合該連接件結(jié)構(gòu)的特點，打印方向可以有兩種方案，由于3D打印中盡可能以平面作為底面進行打印，因此，就會有兩個面可以選取，如圖6所示。

圖6 打印方向

利用UP Studio3軟件設(shè)置合適的打印參數(shù)，除支撐的設(shè)置外，其他打印參數(shù)設(shè)置完全相同，分別對兩種打印方案的模型進行切片分層生成加工路徑，顯示打印時間及耗材使用量如表1所示。

表1 切片打印結(jié)果

通過對以上兩種方案完成切片后得到的數(shù)據(jù)分析可知，采用方案一作為打印方向時，打印時間最短，打印支撐數(shù)量較少，使用耗材更少，打印時底面與熱床接觸面積更大，粘結(jié)更加牢固，因此，選擇方案一作為最終打印方向。

2.3 打印參數(shù)設(shè)置

采用自適應(yīng)分層，其最大層厚和層厚分別設(shè)置為0.4 mm和0.1 mm；調(diào)整比例設(shè)置為5。設(shè)置多輪廓參數(shù)為3；支撐密度和填充密度分別設(shè)置為15%和30%；支撐填充采用line，內(nèi)部填充為zigzag；底部支撐和頂部支撐選擇offset。填充輪廓采用交替打印填充方式，填充角度為60°；打印速度為fine模式；支撐填充為55 mm/s；輪廓速度為40 mm/s。參數(shù)設(shè)置完成后，利用UP Studio3切片軟件完成模型的切片分層預(yù)覽分層結(jié)果，保存加工路徑格式為tsk文件，如圖7所示。

圖7 加工路徑

2.4 打印成型過程

打印機設(shè)置噴頭加載材料類型為ABS，噴頭的當(dāng)前噴嘴直徑為0.4 mm，噴頭預(yù)熱溫度為230 ℃、打印平臺設(shè)置溫度為50 ℃。啟動打印機管理，UP Studio 3 在開啟時會同時啟動三維模型切片軟件界面和 Wand 打印機管理器，然后成功連接打印機后會顯示其打印機的序列號、打印機狀態(tài)和噴嘴當(dāng)前溫度；在軸平臺控制圖中，通過鼠標(biāo)操縱矩形塊控制模型在打印平臺上的不同位置。

首先，設(shè)置軸的高度，通過上下方向鍵使打印平臺沿軸運動，直至調(diào)整到合適高度；其次，打印機打印前先進行初始化操作，然后對打印機噴嘴和底座進行預(yù)熱操作；接著設(shè)置噴嘴的高度，使噴嘴和打印平臺間的間隙一般為一張A4紙左右，最后對平臺進行調(diào)平，在參數(shù)設(shè)置完成時進行模型加載，導(dǎo)出打印文件[4]。打印前先進行測試，確認(rèn)沒問題后開始正式打印，通過打印機平臺和噴嘴配合完成每個截面輪廓的成型，打印機按照切片生成的路徑文件有選擇性地一層一層地堆積累加材料，直至模型打印完成，如圖8所示。

圖8 打印過程

打印完成后，將成型件從打印機平臺上剝離，然后對其進行后處理操作，如：成型件廢料、支撐結(jié)構(gòu)的去除、模型的后固化、打磨、拋光和表面的強化等，如圖9所示。通過多次打印后對最優(yōu)模型稱重及質(zhì)量對比分析得出，原始模型打印質(zhì)量為78.6 g；輕量化設(shè)計模型打印質(zhì)量為30.1 g；綜合模型打印質(zhì)量為47.4 g，與原始模型相比，輕量化設(shè)計模型的質(zhì)量實現(xiàn)了61.7%的減重，綜合模型的質(zhì)量實現(xiàn)了39.7%的減重。

圖9 最終打印模型

3 結(jié)語

本文以減震器連接件為例，利用Inspire軟件和FDM對產(chǎn)品進行輕量化設(shè)計和3D打印成型研究，分別對結(jié)構(gòu)優(yōu)化、切片處理、參數(shù)設(shè)置、模型打印等方面進行了系統(tǒng)研究，探討了產(chǎn)品拓撲優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵問題及最佳打印參數(shù)，驗證了該方法的可行性。

通過輕量化設(shè)計和3D打印成型，產(chǎn)品模型的減重效果明顯，在滿足其強度性能的前提下，質(zhì)量實現(xiàn)了39.7%的減重，大大節(jié)省了打印材料，降低了制造成本，同時縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，為同類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和增材制造提供了實踐依據(jù)，具有一定的參考應(yīng)用價值。

[1] 童和平,李達人,丘永亮.基于熔融沉積成型3D打印模型表面質(zhì)量的研究[J].機電工程技術(shù),2019,48(12): 112-114.

[2] 黃林琪,陳顯揚,陳韻律,等.基于3D打印的機械零件輕量化設(shè)計與制造[J].機電工程技術(shù),2021,50(8):96- 100.

[3] 陳福德,孟凡召.基于山地自行車支架的拓撲優(yōu)化設(shè)計與3D打印[J].汽車實用技術(shù),2021,46(19):48-50.

[4] 陳福德.零件的輕量化設(shè)計與快速成型探究[J].現(xiàn)代信息科技,2023,7(11):164-166,171.

Lightweight Design and 3D Printing Manufacturing of Shock Absorber Connectors Based on FDM

CHEN Fude

( Shandong Huayu University of Technology, Dezhou 253034, China )

With the rapid development of technology, people's demand for automotive products is also constantly changing.Using 3D printing and lightweight design has become a hot topic in the automotive manufacturing industry,and the combination of these two is of great significance for improving the competitiveness of the manufacturing industry.This paper conducts research on shock absorber connectors using 3D printing technology and inspire optimization design software, systematically studying structural optimization, slicing processing, parameter setting, model printing, and other aspects.It explores the key issues of product topology optimization design and the optimal printing parameters, laying a foundation and providing important references for the lightweight design and efficient manufacturing and molding research of products.

Fused deposition modeling; Shock absorber connectors; Inspire; 3D printing manufac- turing;Lightweight design

U463.33+5.1

A

1671-7988(2023)21-115-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.024

陳福德（1985－），男，碩士，副教授，研究方向為3D打印與逆向工程等，E-mail:chenfude2008@126.com。

山東華宇工學(xué)院課堂教學(xué)改革試點課程（2021KG-07）。