9增材制造在汽车领域应用与发展

增材制造技术在汽车制造方面的应用小组：第9组汇报人：杨晨晖张煜昊刘江刘炼张栋梁刘元陈银辉时间：2018年10月导论面向光固化3D打印技术的汽车车身整体化制造及层厚优化增材制造在汽车设计领域应用3D打印在汽车模具中的应用增材制造在汽车维修方向的应用0103040506020207增材制造技术在汽车制造业的整体应用汽车内外饰及轻量化01导论选题背景及意义作为第三次工业革命标志的增材制造技术，经过二十多年的发展，其相关技术领域逐渐成熟，应用范围逐渐扩充。根据美国专门从事增材制造技术的技术咨询服务协Wohlers发布的2013年度报告显示，对各行各业对增材制造技术的应用进行了分析，3D打印技术目前在消费电子、汽车、医疗牙科、科研用途，以及建筑方面应用较多。增材制造在汽车领域的应用潜力究竟有多大？及早地分析回答这些问题，事关我们能否在新一轮的科技革命和产业变革中继续占据行业的领跑地位。增材制造技术的发展已经有35年，相关产业方兴未艾，在政府相关政策的大力支持下，资本和创客们的大量涌入将对行业发展产生新一轮的推动，我们思考这些问题可以说正当其时。2014年3月在日内瓦车展上，EDAG展出了名为“EDAGGENESIS”的3D打印制造的概念汽车，因不受传统制造工艺局限，该款概念车外观更显炫酷、极具科技感。受设备和材料等技术的限制，3D打印技术应用整车制造尚且不成熟，但是业界认为3D打印技术在汽车零部件制造中的应用或将开启汽车工业的第三次革命。选题背景及意义优势：1.3D打印产品的开发周期短、成本低2.实现复杂精密零部件的一体成型3.紧缺零件维修及更换方便快速4.使汽车模具的复杂型腔制造精度更好更快速5.轻量化6.创意定制CONTENTS02030405厚度优化汽车设计模具维修0106发动机内外饰、轻量化发动机现代计算机已可以完成发动机三维模型的查看与处理以及各种有限元分析，但在研发过程中仍然需要做成实体以查看其外观形状，验证其工装夹具设计及其安装性能和装卸性能。这对于那些形状结构特别复杂的零件尤其适用。厚度优化光固化3D打印技术虽然可以加快汽车车身的快速制造过程，但是制造过程中工件精度受多种因素影响。除３Ｄ打印设备精度影响外，零件成型质量和成型效率在很大程度上受到成型方向和分层厚度的影响。分层厚度会影响成型件的表面精度，因为分层厚度越小，成型工件的精度和表面品质就越好，但是成形时间越长。汽车设计定制工装，一般都可以使用到，不管如何复杂，只要有数据，你可以日益形状的工装都可以设计出来，你不用考虑他制造完成，不用焊接和拼接，你只要画出来，我就可以做出来，就是工装数据。个性定制，一辆跑车，可以进行定制化的服务，你有什么想法，我都可以帮你实现。轻量化的结构，就是座椅，油门踏板，镂空的结果，也是难以完成的，就是用3D打印技术轻易地实现它的功能，包括结构。兰博基尼5-95Zagato全球仅一辆模具传统汽车模具制造过程极其复杂，3D打印技术的使用，从而能够直接把计算机的任何形状的三维CAD图形生成实物产品，因此有利于减少刀具、夹具、机床或任何模具的使用率。缩短周期，节余成本。维修1、各类车型，尤其限量版及新款汽车，其成品维修零部件数量有限，无法配备齐全；2、汽修售后店难以配齐各车型的全部零部件；3、针对面临下线或使用年限较长的车型，汽车厂商将停止全寿命周期的零部件供应；4、稀有配件一般较为昂贵。内外饰及轻量化02增材制造技术在汽车制造业的整体应用相比传统制造工艺，3D打印能为汽车制造业带来什么在设计方面利用3D打印技术，可以在数小时或数天内制作出概念模型，由于3D打印的快速成型特性，汽车厂商可以应用于汽车外形设计的研发。相较传统的手工制作油泥模型，3D打印能更精确地将3D设计图转换成实物，而且时间更短，提高汽车设计层面的生产效率。目前许多厂商已经在设计方面开始利用3D打印技术，比如宝马、奔驰设计中心。在材料方面3D打印允许多样的材料选择，不同的机械性能以及精准的功能性原型制作，让制造商在前期可以随时修正错误并完善设计，使得错误成本最小化。在工装夹具方面3D打印技术提供了一种快速准确的方法，大幅降低了工具生产的成本和时间。因而，汽车制造商迅速在产能、效率和质量上都得到提升。而针对生产工具，例如水溶型内芯、碳纤维包裹、注塑成型等3D打印的应用，有助企业实现快速小批量工具定制、降低成本并缩短产品上市时间。对于传统的车身设计流程,研发人员往往需要通过画—油泥模型—主图版—主模型的模式进行多层次的反复测量和修改,以确定最终的方案.该过程会导致汽车的开发周期长、成本高,而且难以保证设计精度.相较传统的手工制作油泥模型，3D打印能更精确的将3D设计图转换成实物，而且时间更短，提高汽车设计层面的生产效率。与汽车发动机相关的主要增材制造技术目前比较成熟的增材制造实现方法有十多种，应用在汽车发动机领域的主要有光固化成型技术(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、激光直接熔化制造技术(LDM)等。增材制造技术在汽车发动机方面的应用1直接制造发动机零部件随着科学技术及计算机技术的快速发展，现代计算机已可以完成发动机三维模型的查看与处理以及各种有限元分析，但在研发过程中仍然需要做成实体以查看其外观形状，验证其工装夹具设计及其安装性能和装卸性能。这对于那些形状结构特别复杂的零件尤其适用。光固化成型技术(SLA)和选择性激光烧结技术(SLS)比较适合做这方面的工作，已经有很多研究将其应用到连杆，发动机缸体等研究中。对于那些体积较小形状结构复杂而对强度要求不高的零件，可以直接打印制造，以替代机械加工。对于非金属零件可以使用选择性激光烧结技术(SLS)直接打印制造。而对于那些金属零件则可以使用激光直接熔化制造技术打印制造零件。由于研发成本等条件的限制，目前直接打印金属发动机零件的研究只要集中在航空发动机领域。以汽车发动机进气管道的研发为例。进气管道对发动机的性能有至关重要的作用。它具有复杂的曲面特征，对发动机的进气效率和燃烧过程有非常重要的影响。在进气管道的设计过程中，为了确定设计方案，需要对各方案进行气道实验。传统的方法需要用手工或数控加工的方法制作出具有复杂曲面的气道木模或注塑模，再用其制作的砂模铸造出进气管道进行气道实验以找出设计不足。如此反复多次，耗时费力，且其精度受木工的技术水平影响较大，难以保证。增材制造技术可以一次成型多个模型且其制造精度不受木工技术水平影响，保证其形状和设计与CAD模型完全一样。和传统方法相比，增材制造技术可以提高模型精度，降低制作成本，大幅缩短研发周期。2发动机试验研究3用于快速模具的制造在传统的汽车发动机研发的过程中，模具的生产是周期最长，花费最多的一个环节。然而现今的汽车产品向着短周期，多品种，小批量方向发展，要求模具生产更多的满足更快、更便宜的要求。传统的模具生产方法已不能适应当今汽车工业的发展要求。增材制造技术为解决这一问题提供了可能。增材制造技术主要应用在发动机模具制造的砂型铸造和精密铸造方面。增材制造技术省了手工制模的过程，可以将3D模型根据设计直接打印出来，加快了模具生产过程。增材制造技术在砂型铸造的应用方面，利用光固化成型技术(SLA)和选择性激光烧结技术(SLS)得到的模型可以直接代替木模用于发动机铸件的铸造生产。精密铸造比较适合制造形状结构复杂的零件，在汽车发动机零部件的制造中应用广泛，但在模具的生产过程中木模的制作是其瓶颈，增材制造技术则可以很好的解决这个问题。与精密铸造一样，增材制造技术也适合制造形状结构复杂的零件，但与精密铸造不同的是增材制造技术可以把CAD模型转化为实物模型，而这正是精密铸造的瓶颈，所以把增材制造技术和精密铸造技术相结合，就产生了快速精密铸造技术。面向光固化3D打印技术的汽车车身整体化制造及层厚优化03一、光固化3D打印技术传统设计流程传统设计流程对于传统的车身设计流程，研发人员往往需要通过绘画—油泥模型—主图版—主模型的模式进行多层次的反复测量和修改，以确定最终的方案。该过程会导致汽车的开发周期长、成本高，而且难以保证设计精度。精度难以保证的主要原因是，在设计和生产准备各个环节之间，信息的传递是靠“移型”的办法进行的。例如，在汽车的油泥模型制造过程中，针对表面细微处形状，需要经过油泥模型师的反复试验、测量和修改。油泥是油脂、填料、改性添加剂和颜料等组成的混合物，当其应用于汽车模型制造时，油泥需要加热至60～70℃，以便于敷在汽车骨架上，最后再使用特制的刮刀、铲刀、锉刀等工具进行加工。由此可见，原始数据在经过多道工序后，人为操作所产生误差会影响数据的传递，从而导致制造精度有所降。但是经过光固化3D打印技术，参数设置主要通过计算机实现，数据传递过程中的误差相较于油泥模型技术要小得多。油泥模型汽车车身制造方法，一般需要耗费几个月的时间。先用1个月的时间来制作1∶5的油泥模型，主要是对外观评审修改，然后再根据车型总布置图，构建1∶1的主模型线型图，最后用几个月的时间制作1∶1的汽车油泥模型，直到油泥模型冻结完成，足以可见耗时之长。用光固化3D打印技术实现汽车车身快速成形，制造工序减少，整体的完成时间也大大减少。分层厚度优化1、影响3D打印成型件精度的因素光固化3D打印技术虽然可以加快汽车车身的快速制造过程，但是制造过程中工件精度受多种因素影响。1)三角网格化是将三维建模实体与3D打印机相连接的载体。要想实现最终实物的成型，转化成STL格式必不可少，即实现三角网格化，如图所示。STL文件格式的特点就是，采用一个个微小的三角形面片，逼近三维CAD模型的外表面，可以近似地表示原有的三维实体模型，从而简化CAD模型的数据格式以便于计算。因为这是一种近似化的思想，所以很难对表面信息进行完全表征，故容易产生误差。尤其在汽车车身的设计过程中，因为汽车车身大部分以曲面特征为主，所以对于曲面的三角网格化会产生相对其他特征更大的误差。制件成型的精度主要受三角形数量多少的影响，生成的三角形越多时，则精度越高。但是这样会增大存储空间和数据的处理时间。2)分层厚度会影响成型件的表面精度因为分层厚度越小，成型工件的精度和表面品质就越好，但是成形时间越长。分层厚度为0.015～0.600mm。针对光固化型3D打印机，分层厚度的大小应比紫外光的最大固化深度小，从而使得2个相邻的固化层能够更好地黏接在一起，否则会产生层间漂移。3)除了本文重点研究的分层厚度对制件精度的影响，影响成型件精度的因素还有光斑直径、扫描间距、扫描速度等。分层厚度优化1、影响3D打印成型件精度的因素通过查阅文献资料得到分层厚度对制件精度的影响，如表所示分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导优化算法:1)利用计算机的接口控制，读取STL文件数据，获得所有三角形面片的法向向量。2)通过计算机得到法向向量与成形方向的夹角。3)然后，根据上述计算所得到的夹角及成型件所需的精度，推导出该层所允许的最佳分层厚度。分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导基于贝塞尔曲线的车身函数针对汽车车身以曲面特征为主，为了使得成型件曲面特征最精确化的表现，故基于曲线曲率推导出最佳分层厚度计算公式。在使用曲率公式之前，必须确定汽车车身的曲线函数f。贝塞尔曲线，根据以“逼近”为基础的参数曲线表示法得到，具体的算法思想大致如下:1)计算机可读入STL文件数据，获得各个三角面片的顶点数据，经过计算机的处理获得相应的曲线，从而确定汽车曲面的曲线函数。2)对于汽车的空间曲线，则可在两视图上分别加以逼近，即将复杂曲线的描绘简化为多边形描绘，这和三角形面片化的思想类似。以下简述贝塞尔曲线的函数构造过程。分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导基于贝塞尔曲线的车身函数Bezier曲线分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导基于贝塞尔曲线的车身函数分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导基于贝塞尔曲线的车身函数分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导分层厚度的计算公式Bezier曲线借助贝塞尔曲线，可近似得到汽车车身轮廓曲线的函数表达f，为下面的曲率计算做准备。分层厚度优化2、最佳分层厚度的计算推导分层厚度的计算公式层