基于增材制造的汽车尾门设计与专用装备研发

2019-05-10高晖杨兴聂继全刘爽陈博

汽车零部件 2019年4期

高晖，杨兴，聂继全，刘爽，陈博

(湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司，湖南长沙 410082)

0 引言

汽车的轻量化成为当今研发的一个重点，以复合材料替代钢材被越来越多应用在汽车零部件上，如翼子板、前端模块、尾门、侧门(SMART)等[1-3]。如果批量较小，如每年1 000件以下，由于模具成本高导致复合材料的零件成本较高。熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)3D打印技术在汽车行业得到越来越广泛的应用[1-3]。但是，由于制件力学性能差、成本高制约了该技术的发展。

为了解决小批量复合材料尾门成本高问题，本文作者从3D打印可以制造复杂结构的特点展开轻量化结构设计，研发独特的大型3D打印设备以大幅度降低制造成本等方面展开研究。

1 复合材料尾门的轻量化结构设计

传统的钢结构尾门一般由内板、外板、多个加强板等组成，如图1所示。复合材料尾门一般由内板和外板组成，没有加强板，其结构如图2所示。

1.1 基于3D打印的尾门轻量化结构

3D打印尾门轻量化结构由3D打印尾门预埋骨架、3D打印尾门实体等组成。3D打印尾门预埋骨架设计图如图3所示，3D打印尾门实体如图4所示。

图1 钢结构尾门

图2 典型的复合材料尾门结构

图3 3D打印尾门预埋骨架设计图

图4 3D打印的尾门实体图

生产及制作流程说明：(1)对车门数据进行实心化处理，并以3D打印成型工艺要求进行分块。(2)设计预埋管架结构及过道。(3)提取数据并输入3D打印机进行车门板打印。(4)在3D打印过程中进行骨架零部件的预埋。(5)组合拼装3D打印件，并进行骨架横向及竖直管架焊接。(6)采用结构胶、发泡材料填充骨架与3D打印制件的间隙。(7)表面处理、打磨抛光及上漆。

3D打印件在整个尾门系统中，主要起到以下几点效果：(1)作为尾门内外内观表面。(2)基于3D打印工艺的轻质高强度空间胞结构，可构成具有较高整体强度轻质门体。(3)基于3D打印工艺特点，其制件的尺寸精度较高，3D打印部件可作为内骨架的工装夹具，便于骨架的精确配装焊接。

1.2 预埋骨架结构设计

3D打印的尾门预埋骨架主要由铰链安装板及其支架、横向预埋骨架方管、竖直深井直插骨架方管、端头锁紧端板以及铰链安装板组成。

铰链安装板及其支架主要用于加强车门铰链局部刚度[9]，将开门扭矩及偏转载荷均匀传递至整车门骨架及锁体。解决3D打印件存在的局部强度不足问题，有效提升3D打印尾门铰链位置的局部刚度及安装精度。

竖直深井直插骨架方管主要用于贯穿3D打印部件，配合端头锁紧端板锁紧固定3D打印部件，并有效保证组装之后的打印件整体尺寸的稳定性。

1.3 预埋件的工艺处理

预埋件与3D打印部件的配合安装工艺是3D打印尾门制造中的技术难点。主要从两方面提炼关键问题进而解决：其一进行预埋管道3D打印结合部位的结构设计，其二预埋件与3D打印件的表面工艺处理及中间间隙填充粘接。

典型的预埋管道上壁收缩口结构如图5所示。

图5 3D打印预埋管道收缩口结构

采用该结构方案主要基于内腔管道支撑无法拆除(熔融沉积的基本原理：一般3D打印件外延桥壁相对水平角度不宜小于60°，否则其侧板堆积材料将形成坠丝，造成局部特征丢失。如3D打印件外延桥壁角度必须小于60°，一般设置支撑材料进行托举)。在上述预埋管道上壁收缩口结构中，将原需设置支撑材料进行托举的水平面改为锥面收缩口，可免除支撑结构。

尾门拼装完成，其预埋件与3D打印构建实质由尺寸配合完成相关的定位卡装，配合结构胶及泡沫结构胶填充，将内置骨架与3D打印件紧密结合成一个整体。进一步增加3D打印尾门的整体刚度及使用寿命。

2 超大尺寸3D打印专用装备开发

采用3D打印机打印车载零部件，需解决以下几点关键问题：(1)超大尺寸高速高精度定位；(2)高速高流量的3D打印挤出系统；(3)超大尺寸工作热床系统；(4)多变量的工艺参数试验及调配；(5)打印过程监控及接续打打印策略。

2.1 超大尺寸3D打印机专用结构设计

以小型运载车尾门为例，其尺寸可达1 300 mm×1 100 mm×300 mm，需超大尺寸3D打印机才能有效完成相关生产。某司研发打印机可满足大部分车载尾门及其他大部分汽车零部件的3D打印生产要求，如图6所示。

图6 研发独特的大型3D打印设备

它具有以下关键技术结构特征：(1)打印成型尺寸达到1 300 mm×1 100 mm×300 mm；(2)可以以120 mm/s速度精确定位±0.1 mm/300 mm；(3)双模组三喷头联合打印；(4)支持颗粒挤出高速打印。

3D打印熔融沉积工艺常采用丝材卷料，一般常规卷为1 kg/卷，不超过5 kg/卷。而在大型车体零部件打印中，单次连续打印可超过8～15 kg。因此中途需暂停机器换置材料3～4次，且换置时间不可预测，极大地限制了3D打印的连续运行效率。并且由于丝材料卷采用长丝缠绕料盘制作，导致丝材料卷在使用后期，料材卷曲程度过大，导致无法正常进料，从而导致整个打印暂停或失败。

此3D打印装置设计有颗粒挤出系统[4-8]，直接采用颗粒耗材进行3D打印，只需定时进行材料的投料补充即可保证整个打印时段的运行连续性。同时由于螺杆挤出系统相对线材挤出系统加热能力及挤出能力更强，因此螺杆挤出最大打印流量可达线材挤出系统的2～5倍。

同时颗粒挤出系统可大幅降低零部件制造成本，同质量颗粒材料为线料价格30～50%。

此3D打印装置设计有双模组系统，即机台拥有两套运行横梁并可同时作业。因此搭配三组挤出喷头系统，采用不同规格喷头或材料同时打印。其典型应用：一组精细小喷头(0.4 mm)采用PLA材料打印产品外观表面；一组精细小喷头(0.4 mm)采用水溶性材料打印过渡支撑。额外一组模组单独搭载颗粒挤出系统，采用大喷头(1.2～2.0 mm)打印实体物理承载部位或支撑板。从而使3D打印既可具有良好的外观表面，也能拥有良好的物理结构强度，机器应用范围更广，适用型更强。