３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)的應(yīng)用

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摘要：３Ｄ打印技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)快速發(fā)展下的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)物，尤其是在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，３Ｄ打印技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)對(duì)３Ｄ打印技術(shù)進(jìn)行概述，在介紹３Ｄ打印技術(shù)基礎(chǔ)上，分析該技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用的重要價(jià)值，同時(shí)針對(duì)３Ｄ打印技術(shù)在汽車外在造型設(shè)計(jì)、燈具設(shè)計(jì)、內(nèi)外車飾設(shè)計(jì)等方面的具體技術(shù)應(yīng)用途徑進(jìn)行了探究，從而為推進(jìn)３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用提供有效參考。

關(guān)鍵詞：３Ｄ打印技術(shù)；汽車設(shè)計(jì)；應(yīng)用

我國(guó)是汽車保有量大國(guó)，汽車行業(yè)發(fā)展在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。“中國(guó)制造２０２５”戰(zhàn)略背景下，汽車行業(yè)發(fā)展逐步轉(zhuǎn)向輕量化、智能化。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化技術(shù)快速普及，在汽車設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中，技術(shù)發(fā)展為其實(shí)現(xiàn)更低成本、更高質(zhì)量、多元形式發(fā)展提供了重要支持［１］。其中在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，３Ｄ打印技術(shù)的出現(xiàn)促使汽車設(shè)計(jì)能夠順應(yīng)行業(yè)發(fā)展方向，解決傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)中面臨的技術(shù)問(wèn)題，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)水平，為汽車行業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)應(yīng)用的深入研究，對(duì)于促進(jìn)汽車行業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

１、３Ｄ打印技術(shù)概述

１．１３Ｄ打印技術(shù)簡(jiǎn)介

３Ｄ打印技術(shù)是通過(guò)數(shù)字模型設(shè)計(jì)、文件切片處理、逐層打印、后處理等基本流程實(shí)現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)。３Ｄ打印徹底顛覆了傳統(tǒng)打印的概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維物體變革性的增材成型。３Ｄ打印技術(shù)將信息、生物以及材料等多學(xué)科技術(shù)進(jìn)行交叉融合，實(shí)現(xiàn)了在汽車制造、機(jī)械制造等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了未來(lái)制造業(yè)生產(chǎn)模式的變革，同時(shí)也改變著未來(lái)人類的生產(chǎn)生活方式。因此，３Ｄ打印技術(shù)是一種革命性的技術(shù)手段，其將會(huì)對(duì)人們?cè)O(shè)計(jì)與制造產(chǎn)品的方式方法產(chǎn)生顛覆式改變。現(xiàn)階段，比較多見的３Ｄ打印技術(shù)有工藝熔融沉積成型技術(shù)（ＦＤＭ）、光固化立體成型技術(shù)（ＳＬＡ）、立體噴墨打印成型技術(shù)（３ＤＰ）以及選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)（ＳＬＳ）等［２］。

１．２３Ｄ打印技術(shù)在設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

１．有效避免復(fù)雜的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。在應(yīng)用３Ｄ打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)復(fù)雜或簡(jiǎn)單的差異大大降低，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以直接將數(shù)據(jù)輸入設(shè)計(jì)軟件中，既可以獲得相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，即使是在非常復(fù)雜的產(chǎn)品細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，也一樣采取相同的方法獲得設(shè)計(jì)樣品，不僅不會(huì)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量及效果造成不良影響，同時(shí)還可以盡可能降低復(fù)雜設(shè)計(jì)造成的成本增加［３］。２．能夠?qū)崿F(xiàn)材料的自由組合。利用３Ｄ打印技術(shù)，可以將各種不同的材料應(yīng)用到同一種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中，這大大突破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于制造設(shè)備限制而導(dǎo)致設(shè)計(jì)材料受限的問(wèn)題，為產(chǎn)品材料集成設(shè)計(jì)提供了重要技術(shù)支持。３．拓寬了產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間。在批量生產(chǎn)要求下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思路往往受到生產(chǎn)要求的限制，設(shè)計(jì)創(chuàng)新程度較低。而利用３Ｄ打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，則給予了設(shè)計(jì)師無(wú)限的設(shè)計(jì)空間，可以幫助其將各種設(shè)計(jì)創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從而推向制造業(yè)逐漸向智能化發(fā)展［４］。例如，在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，利用３Ｄ打印技術(shù)可以最大限度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)、夾層設(shè)計(jì)、異性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，不僅提高了產(chǎn)品藝術(shù)性、美觀度，同時(shí)也能夠有效減輕產(chǎn)品重量，推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)向輕量化方向發(fā)展。

２、３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

２．１３Ｄ打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

３Ｄ打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，是可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)形態(tài)創(chuàng)新、數(shù)字化創(chuàng)新，將技術(shù)與藝術(shù)完美融合的技術(shù)手段。在傳統(tǒng)的汽車造型設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制造油泥模型，并需要綜合考慮模型制作及材料影響可能造成的設(shè)計(jì)參數(shù)誤差，進(jìn)行反復(fù)測(cè)量修正，才能得到準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。而３Ｄ打印技術(shù)則有效避免了復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程與設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的影響，設(shè)計(jì)人員只需要在計(jì)算機(jī)中調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，就可以獲得精確的設(shè)計(jì)模型，有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。在汽車造型設(shè)計(jì)中，較多采用工藝熔融沉積成型技術(shù)（ＦＤＭ），該技術(shù)是通過(guò)對(duì)絲狀材料進(jìn)行加熱使之熔化后，在工作臺(tái)根據(jù)界面輪廓形狀，進(jìn)行分層打印、冷卻，逐步形成實(shí)體模型。其優(yōu)勢(shì)是成型具有較高的精度與強(qiáng)度，并且可以實(shí)現(xiàn)彩色成型，但缺點(diǎn)是成型后模型的表面較為粗糙［５］。ＦＤＭ系統(tǒng)模型如圖１。在汽車造型設(shè)計(jì)模型制作中，ＦＤＭ打印技術(shù)根據(jù)建立三維實(shí)體模型→ＳＴＬ文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→分層切片，加入支撐→熔融沉積成型→模型打印→表面處理的工序流程進(jìn)行。首先，設(shè)計(jì)人員需要確定選用三維軟件進(jìn)行模型制作，如采用ＵＧ建模軟件，將汽車造型的三維實(shí)體模型制作出來(lái)。在建模軟件中，模型圖形格式是ＰＲＴ格式的，因此需要將模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為ＳＴＬ格式后，才能夠?qū)⒛Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到３Ｄ打印機(jī)軟件當(dāng)中。其次，在文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入完成后，在３Ｄ打印機(jī)軟件中進(jìn)行模型大小、方向的調(diào)整，并對(duì)模型進(jìn)行分層，分成多層的二維模型，同時(shí)加入支撐。再次，進(jìn)行熔融沉積成型準(zhǔn)備工作，然后實(shí)施模型打印。確定打印機(jī)設(shè)備及模型參數(shù)，打印材料選擇ＰＬＡ塑性絲狀材料，根據(jù)ＦＤＭ系統(tǒng)工作原理，逐層進(jìn)行沉積成型。最后，在打印完成后，進(jìn)行模型去支撐材料，并且由于打印模型表面較為粗糙，因此還需要進(jìn)行打磨、拋光等，最終獲取３Ｄ打印汽車造型實(shí)體模型。

２．２３Ｄ打印技術(shù)在汽車燈具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車燈具是車身外觀裝飾和汽車照明、信號(hào)提示等功能兼具的重要組件，其構(gòu)成包括燈罩、內(nèi)燈罩、燈殼、透鏡組等。隨著人們對(duì)汽車功能與裝飾要求不斷提升，汽車燈具設(shè)計(jì)要求充分滿足用戶多樣性、個(gè)性化等需求，并且在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，要求汽車燈具設(shè)計(jì)不斷縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。因此，３Ｄ打印技術(shù)在汽車燈具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用發(fā)揮著重要作用。在汽車燈具設(shè)計(jì)中，不同的設(shè)計(jì)階段對(duì)３Ｄ打印技術(shù)的應(yīng)用也具有一定的差異。在概念設(shè)計(jì)階段，主要是對(duì)設(shè)計(jì)燈具進(jìn)行外觀評(píng)審，確保設(shè)計(jì)外形與設(shè)計(jì)理念相符，與整車風(fēng)格匹配，并能夠體現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，是對(duì)ＣＭＦ的真實(shí)呈現(xiàn)。在這一階段，主要考慮的因素是設(shè)計(jì)效果與制作周期。設(shè)計(jì)技術(shù)論證階段，是確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品滿足相應(yīng)功能要求的重要環(huán)節(jié)。在汽車燈具設(shè)計(jì)技術(shù)論證中，主要開展的工作包括對(duì)光型、結(jié)構(gòu)的論證以及裝配認(rèn)證。不同技術(shù)論證內(nèi)容的要求不同，在光型論證工作中，需要在確定光源技術(shù)下，以光學(xué)原理為依據(jù)，進(jìn)行光的反射與折射的論證，以確保設(shè)計(jì)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)論證工作主要是對(duì)結(jié)構(gòu)部件的連接、密封進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析；裝配認(rèn)證則是對(duì)燈具的部件組合、零件連接以及同整車連接的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)用３Ｄ打印技術(shù)能夠?qū)艟卟考Y(jié)構(gòu)、連接及安裝等各個(gè)方面進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，大大提高了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可靠性。在汽車燈具設(shè)計(jì)中，采用３Ｄ打印技術(shù)中聚合物噴射技術(shù)（ＰｏｌｙＪｅｔ）具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其雖然在實(shí)際應(yīng)用中相較于ＳＬＡ、ＦＤＭ等應(yīng)用范圍教窄，但是在工藝細(xì)分領(lǐng)域具有非常高的地位，該技術(shù)同ＦＤＭ具有一定的相似性，是通過(guò)擠出機(jī)頭分層進(jìn)行打印，但ＰｏｌｙＪｅｔ是以與２Ｄ噴墨印刷技術(shù)更接近的方式進(jìn)行工作的，擠出機(jī)在印刷床中沉積所選光聚合物材料微液滴，并通過(guò)紫外光進(jìn)行固化。此外，支撐材料可以直接徒手剝離，或者用水槍沖洗清除構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體的支撐材料。ＰｏｌｙＪｅｔ在汽車燈具設(shè)計(jì)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，其可以保證打印模型的精細(xì)化和表面平滑，并對(duì)復(fù)雜的形狀及細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，最終精致呈現(xiàn)，并且還可以將多彩色與材料集成應(yīng)用于同一模型中。ＰｏｌｙＪｅｔ工作系統(tǒng)模型如圖２所示。以３Ｄ打印技術(shù)在汽車前大燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例，選擇ＰｏｌｙＪｅｔ進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)人員首先利用ＵＧ建模軟件根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成前大燈三維數(shù)據(jù)模型，然后進(jìn)行材料準(zhǔn)備，根據(jù)前大燈產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，選用光敏樹脂材料，其可以滿足從類橡膠到透明材料之內(nèi)的眾多類型材料特性的模擬，并且樹脂材料通過(guò)對(duì)兩種以上的基本樹脂進(jìn)行混合，大幅提升了材料的可能性。再次，在轉(zhuǎn)換文件格式后，將設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ＰｏｌｙＪｅｔ３Ｄ打印機(jī)當(dāng)中，進(jìn)行設(shè)備尺寸、最大構(gòu)造尺寸、最高精度、全尺寸模型最大值、橫向打印層厚度等各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置。最后，在打印過(guò)程中，按照前處理、制作、后處理三個(gè)階段進(jìn)行。在前處理階段，通過(guò)轉(zhuǎn)換ＣＡＤ模型為ＳＴＬ格式文件，組合小型的三角面片最大限度接近設(shè)計(jì)模型，重點(diǎn)在于加強(qiáng)模型精度。在制作階段，首先要確定好模型３Ｄ打印的準(zhǔn)確位置，自動(dòng)完成加入支撐，根據(jù)輸入好的設(shè)計(jì)參數(shù)，開始進(jìn)行模型打印制作。在后處理階段，將打印完成的模型取下，并進(jìn)行去支撐材料的處理，達(dá)到模型精度要求。與傳統(tǒng)的ＣＮＣ與手工相結(jié)合的制作方式，３Ｄ打印技術(shù)的工序各位簡(jiǎn)單，不僅大幅縮短了模型制作的周期，降低了模型制作的難度，同時(shí)還可能保證設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)體模型的一致性，解決了燈具部件設(shè)計(jì)連接強(qiáng)度、高低溫耐性等方面的關(guān)鍵問(wèn)題，具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

２．３３Ｄ打印技術(shù)在汽車內(nèi)車飾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著汽車制造工藝水平的不斷提升，汽車企業(yè)制造技藝方面的差距將會(huì)逐步縮小，汽車使用功能性能差異逐漸減弱，人們開始對(duì)汽車內(nèi)飾提出了更高的要求。同時(shí)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，汽車內(nèi)飾縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本越來(lái)越成為各大汽車制造廠商關(guān)注的重點(diǎn)。３Ｄ打印技術(shù)在汽車內(nèi)車飾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，進(jìn)一步加快了汽車內(nèi)車飾的研發(fā)速度，降低產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能與性能匹配度。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（ＳＬＳ）是３Ｄ打印技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的一種，在汽車內(nèi)車飾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。ＳＬＳ是通過(guò)將材料覆蓋于工作臺(tái)，形成第一層的成品表面，然后再利用能量輻射，將材料進(jìn)行燒結(jié)，使其同已經(jīng)成型的部分粘結(jié)在一起，依次完成分層打印，最終得到實(shí)體模型（如圖３）［６］。該技術(shù)可選材料非常廣泛，包括金屬材料、非金屬塑料等，且成型強(qiáng)度高且均勻，整體性強(qiáng)，但是其成型表面粗糙，不能實(shí)現(xiàn)彩色成型。圖３ＳＬＳ工作系統(tǒng)模型在汽車內(nèi)部裝飾中的出風(fēng)口為例，采用ＳＬＳ－３Ｄ打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)出風(fēng)口總成快速成型。汽車內(nèi)部裝飾中，出風(fēng)口總成的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且對(duì)造型設(shè)計(jì)的要求比較高，部件尺寸較大。利用ＳＬＳ－３Ｄ打印機(jī)進(jìn)行實(shí)體模型打印能夠充分滿足構(gòu)件打印需求，ＳＬＳ－３Ｄ打印機(jī)加工精度可以達(dá)到０．１ｍｍ，可實(shí)現(xiàn)加工的最小壁厚為０．８ｍｍ，對(duì)多個(gè)零件進(jìn)行加工的間隙最大是０．４ｍｍ。在對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行ＳＬＳ－３Ｄ打印中，選用材料為ＰＡ２２００，先將材料粉末鋪在打印平臺(tái)底層，厚度約為６ｍｍ，然后將出風(fēng)口文件格式改為ＳＴＬ格式，并導(dǎo)入到建模軟件中，設(shè)置出風(fēng)口３Ｄ數(shù)據(jù)，零件之間的距離不低于３ｍｍ；然后進(jìn)行模型打印，先進(jìn)行切成，并將切層數(shù)據(jù)導(dǎo)入，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，避免發(fā)生飛邊、重疊等錯(cuò)誤，以及產(chǎn)品間有沒(méi)有存在重疊的情況，檢查無(wú)誤之后，進(jìn)行打印操作，完成出風(fēng)口總成的快速成型；待溫度冷卻后，從原料槽中取出出風(fēng)口零部件，并進(jìn)行清潔，然后進(jìn)行安裝成型。利用ＳＬＳ－３Ｄ打印機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)獲得一次成型的出風(fēng)口零件模型，避免了制作零件鋼模的時(shí)間，節(jié)約成本，且最終獲得的零件模型能夠滿足誤差范圍要求，零件可組裝成出風(fēng)口總成，并且沒(méi)有開啟和翻轉(zhuǎn)的干涉問(wèn)題，尺寸具有較高的穩(wěn)定性，在產(chǎn)品的表面可以進(jìn)行織物或ＰＶＣ表皮包覆、噴漆等。但需要注意的是，采用尼龍材料加工的表面粗糙程度較高，且不能對(duì)模型耐高低溫、沖擊性等性能方面的檢驗(yàn)；而如果選用樹脂材料，其在機(jī)械韌性方面尚且不能達(dá)到產(chǎn)品實(shí)際要求。因此，在ＳＬＳ－３Ｄ打印出風(fēng)口總成設(shè)計(jì)模型方面，還需要對(duì)適用材料進(jìn)行進(jìn)一步研究。

３、結(jié)語(yǔ)

在“中國(guó)制造２０２５”背景下，我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展必須要不斷加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，才能夠進(jìn)一步滿足其輕量化、智能化發(fā)展的實(shí)際要求，在激烈的國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲取優(yōu)勢(shì)。目前，３Ｄ打印技術(shù)在汽車行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大并不斷走向成熟。汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)是汽車行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是提升汽車制造質(zhì)量的重要前提。３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，拓寬了設(shè)計(jì)空間，為汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)意性、精細(xì)化發(fā)展提供了技術(shù)支持。３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但同時(shí)，３Ｄ打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用尚且存在一定的不足，在實(shí)際應(yīng)用中要求設(shè)計(jì)人員立足實(shí)際，不斷探索優(yōu)化３Ｄ打印技術(shù)的應(yīng)用途徑。

作者：韋學(xué)軍 單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司