基于3D打印成形的汽车尾管装饰罩设计与应用

於旭

摘 要：为了对汽车尾管灯饰罩设计运用3D打印技术的可行性加以验证，本文通过对3D打印技术以及汽车尾管灯饰罩结构原理的阐述，再综合汽车尾管灯饰罩的外观设计及装配等要求，探讨了汽车尾管灯饰罩设计应用3D打印技术的方法及策略。其中便提到了逆向工程手段以及运用三维检测技术对3D打印技术制作的汽车尾管灯饰罩样件进行了检测。结果显示，以3D打印技术来进行汽车尾管灯饰罩的制作，能够同时满足外观、装配等多方面要求。不仅如此，3D打印技术还有其独特的优势，譬如工艺系统化、开发周期短等。这对汽车行业的产品研发无疑有着激起重要的影响。且随着3D打印技术的不断完善，未来对汽车工业的影响还将进一步加深。

关键词：3D打印 汽车尾管 灯饰罩设计

在我国的国民经济中，汽车工业的地位可谓极其关键。尤其是在科技发展异常迅猛的21世纪，汽车行业的不断壮大更是加剧了行业整体的竞争。基于此，如今汽车行业各大制造厂家也将此作为了研究的重点。

3D打印技术因与传统“减材”制造的方式截然不同，故又被称作增材制造技术。当前，该技术在国内诸多重要领域均得到了极其广泛的运用，譬如电子电路、航空康田以及工业零件等。而在汽车制造领域的运用，最普遍的当属汽车零部件的研发与试制阶段，该技术不仅为汽车零部件的研发节约了大量的费用，也让研发与试制周期明显缩短。

1 熔融沉积技术的概念

熔融沉积是3D打印技术的主要技术之一，其以三维数字模型为基础，能够通过逐层堆积的方式将材料制造为三维实体。当然，也正是基于该技术是以逐层堆积的方式来进行零件制造，故能制造出任意复杂形状的零件，同时还具有高效、成本低的特点。

1.1 基本原理

当前，熔融沉积技术使用的材料通常包含以下几类，如尼龙、聚乳酸、ABS塑料以及蜡等。其具体工作原理是在加热喷头使材料融化后，计算机便会利用扫描获取的截面轮廓信息，将融化的材料有选择性的涂敷在工作台，待其冷却便形成了一层截面，定型后喷头再进行下一层的喷涂，此时，上层凝固的材料将演变为下层材料的涂敷平台，也便是说喷涂的下层完全依靠上层的稳固与支撑，详细原理如图1所示。

2 3D打印模型的制作过程

2.1 模型的构建

3D建模作为熔融沉积技术的核心，主要有正向和逆向两种构建方式。二者因所依循原理的差异而在应用领域方面也有所差别。如正向设计大多是使用软件Catia，主要适用于汽车零部件的设计；而被称为逆向技术的三维扫描技术，因其最主要的功能在于获取三维模型数据，故在汽车零部件设计领域不甚适用，但在模型的检测与修补方面却成效突出，因此适用于模型的修补与精度检测。

2.2 切片处理

关于三维模型的相关数据，因熔融沉积3D打印机并不能直接进行读取，因此在具体打印前还需经过专业的切片处理。而所谓的切片处理，顾名思义，即指将三维模型视为切片对象，以横切的方式将三维模型切成有限个层厚相等的三维平面图形。除此之外，在切片处理前通常还需要对三维模型进行近似处理，也便是将三维模型转化为标准STL格式以小三角形面去片取三维实体曲面，经过处理后方可进入到切片的工序，而此时的切片处理质量将直接对成型的整体制造产生影响。因此，为保证良好的切片处理效果，各大熔融沉积3D打印机的研发厂家也会开发自己的切片软件，该软件主要囊括了两项功能，即切片与打印。目的便是为了能让自身生产的熔融沉积3D打印机能够将复杂的操作指令完整的完成，从而控制好切片处理的效果来为模型的成型质量提供保障。

2.3 支撑设计

以逐层堆积原理成型的熔融沉积技术，其成型过程需要有支撑机构来辅助悬空区域的添加，从而为模型的正常打印提供保障。同时，在打印结束后也要将支撑去处，并且不能与支撑部位产生任何的粘黏，否则都将影响到打印成型的结果。由此可见，支撑设计也是影响模型成型质量的关键。不仅如此，在熔融沉积技术中，支撑结构还具有以下几方面重要作用：

2.4 分层叠加成型

熔融沉积3D打印机的工作过程是以系统发出的指令为参照，通过控制喷头，以x、y轴为参考作平面运动。当运动到设定位置便会由喷头将半流动状态的熔丝材料挤压出来，使材料在固定的工作平台上涂敷，直至材料冷却便形成了第一层截面，紧接着将平台的高度下移，再将材料涂敷在上一层已经凝固成型的材料之上，如此循环往复，直至完成完整零件模型的制作。

2.5 模型后处理

为使打印出的汽車零部件满足表面质量及外观等要求，需在打印完成后进行后处理。此项工艺主要包含了去处支撑、打磨表面、抛光以及喷涂上色等工序。而考虑到3D打印过程运用的台阶效应可能导致模型表面出现缺陷，如当支撑去处不完全或是去除过程因处理不当而导致了痕迹遗留，便会导致模型质量不佳甚至于存在较大缺陷，而存在缺陷的模型自然也不适用于灯饰罩这类本身对外观要求较高的零件。因此，为解决这些缺陷，3D打印后处理工艺的重要性也便不言而喻。

2.6 三维数据检测

对产品的三维检测属于逆向工程的应用形式。在你想工程中，当被测物的三维点云信息被测得后，便需对多片点的云信息进行统一，当将多片点的云统一到同一坐标系后，被测物的完整点云模型也能由此测得。之后再经过对点云的光顺、精简、滤波和去噪等乙烯类的预处理，便可重新构建三维实体，最终透过分析被测物的精度与光顺性便可完成整个检测工作。

3 汽车尾管装饰罩的3D打印制造

3.1 3D数据建模

通常，研发某项汽车零件模型的首要工作便是明确研发的主要要求，包括性能、尺寸以及外观等。随即按照要求利用Catia软件进行零件造型建模，完成建模并在通过评审后便会进入到量产阶段。基于此，本文将灯饰罩模型设计为蚌壳结构，简言之，即上下两片蚌壳形状的片体组成了灯饰罩的主体结构，这样的结构设计一来可以利用3D打印技术快速制造出来，以满足研究评审阶段的要求；二来则可方便量产阶段的模具冲压成型。

3.2 打印前的预处理

熔融沉积3D打印前的预处理主要包含了如下几项工作，分别是转换模型格式、切片模型以及支撑设计。考虑到汽车的尾管装饰罩为曲面造型，该造型有较大的曲率，故为保证良好的模型表面质量，将其模型切片的层高设置为了0.1mm，而壁厚、底层与顶层的厚度则均为1.2m。此外，鉴于模型的最薄造型面仅有0.8mm，故为避免损坏模型表面，在填充此类薄壁零件时的密度设置也要选择100%。最后，鉴于模型的造型面相对较为复杂，故在打印速度方面也应适当放缓，正常打印速度通常为80mm/s，此時可将速度降低为50mm/s，打印机喷头与工作台温度分别保持在210℃与60℃为最佳。同时，为确保所添加的支撑能够切实发挥出良好的模型支撑效果，可选择全部支撑来为所有大于45°悬空角度的区域提供结构上的支护。

3.3 模型打印

由于汽车尾管灯饰的安装位置与保险杠相同，故在研发阶段，为尽可能让二者位置上的冲突显得不突兀，评审的重点也便放到了外观造型之上，甚至会为了造型而在材料方面降低要求。除此之外，为节约模型制作成本并缩短制作周期，厂商通常会选择以熔融沉积3D打印机来制造样件。如今，市面上运用最广泛的熔融沉积3D打印机则是由极光尔沃公司所生产，型号为A8/FDM。

在打印开始前，除了要确保模型能良好的粘附在工作平台上之外，也要防止翘边的情况出现。因此，打印过程需首先将打印的速度调低。通常，在打印初期会将速度设置为正常速度的75%，当打印10层左右后再恢复正常，这样可有效防止上述情况的发生。

3.4 模型后处理

打印完的模型需要经过一系列的后处理，具体包含了去处支撑、打磨表面、抛光以及喷漆等工序。通常，在去除支撑结构后，模型表面仍会残留下颗粒状的支撑，此时便需以砂纸或砂轮去打磨表面，打磨结束后便已基本满足了评审对外观造型的要求。随即为了让表面质量的效果得到提升，抛光后还会作喷漆处理，最终便可得到如图2所示的灯饰罩模型。

4 汽车尾管装饰罩的逆向检测

本文对3D打印技术所制作汽车尾灯饰罩模型的数据采集主要运用了三维天下的WIN3DD单目三维扫描仪，相关处理的处理则是采用了Geomagic软件

4.1 数据采集与处理

为了能准确获取到被测零件的全部点云信息，本文使用了三维扫描仪进行数据采集。同时，为避免出现相同区域重复测量的情况，此次测量还经过了多次反复，为最终的点与数据拼接提供了便利。经过数据的采集、处理与分析我们了解到，后续的去噪、平滑处理、光顺性分析等工序均将受到点云数据拼接精准度的影响。

4.2 三维检测分析

本文对Geomagic controlX软件的应用主要是对比分析逆向采集的三维数据与标准设计模型。而基于此次3D打印制作的汽车尾管灯饰罩模型仅是以满足研发阶段需求为标准，故在对模型的外形公差设定上也较为宽松，具体可以允许3mm的外形公差，而通过3D比较逆向与正向采集的三维模型，最终结果如图3所示：

从图3可知，该模型虽存在偏差，但也在公差允许的范围之内。至于具体的偏差数据则如表1所示。

4.3 误差来源分析

在逆向工程中，误差是很难避免的常见现象，诸多因素包括被测物本身也均可能是导致误差产生的原因。除此之外，以下因素亦可能导致误差产生：

4.4 模型自身的因素

在测量汽车尾管装饰罩模型时，诸多因素均将会三维测量的结果产生较大影响，譬如喷漆处理的光亮度、后处理的涂胶厚度以及表面打磨的粗糙度等。

4.5 数据测量过程中引起的误差

人为的诸多因素亦可能导致三维数据监测结果出现误差，譬如在对表面进行喷粉操作时，一旦所使用的工艺技巧不正确或是标志点粘贴位置有所出入便可能产生误差。但由于本文所得之数据均是经过了反复的测量后方得出的最合理数据，故此部分导致误差的可能性较小，本文也不再加以赘述。

4.6 数据进行预处理过程中产生的误差

因利用三维激光扫描仪所获取的相关数据有一定的噪点和离群点存在。基于此，当在去除噪点时若所用的去噪算法不同，也会导致部分有用云点被意外除掉。此外，在对数据进行精简滤波时也可能导致部分有效点云数据被遗漏，以上因素均可能使导致误差产生的原因。

5 结语

总之，3D打印技术在汽车零部件的制造中具有一定的应用价值。其中，最大的应用优势便是能够弥补传统制造工艺的不足以及降低零件制作的成本与周期。相信在不久的将来，随着3D打印技术的不断完善，不仅在应用领域方面会更加广阔，且应用效果也会更加理想，继而在为我国各行各业的发展提供前进动力同时促进我国国民经济的稳定发展。

参考文献：

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