汽车车身三D打印系统专项方案设计.doc

汽车车身3D打印系统方案设计Automobile 3D Printing System Design摘要：3D打印被誉为“第三次工业革命”核心技术，综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域前沿技术，有着非常优越应用潜质。本文将就3D打印展开讨论，并就“汽车车身3D打印”作为重点，设计一种制造系统实行方案。此外，本文还将针对3D打印中所遇到最重要问题讨论起解决方案。Abstract：3D-printing is known as the core technology of the third industrial revolution. It is a combination of digital modeling technology，mechanical and electrical control technology，information technology，materials science and chemistry and many other cutting-edge technologies. So it has a very superior application potential. In this article，I will talk about 3D-printing and design a manufacturing system and implementation plan for 3D-printing for automotive body . Besides，this article will also focus on the main problems of 3D-printing and their solutions.核心词：3D打印 汽车车身 熔融沉积成型 一、3D打印概述3D打印，是依照所设计3D模型，通过3D打印设备逐级增长材料来制造三维产品技术。这种逐级堆积成形技术又被称作“增材制造”。老式数控制造普通是在原材料基本上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余某些，得到零部件，再以拼装、焊接等办法组合成最后产品。而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，就能直接依照计算机图形数据，通过增长材料办法生成任何形状物体，简化产品制造程序，缩短产品研制周期，提高效率并减少成本。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域前沿技术，是迅速成型技术一种，被誉为“第三次工业革命”核心技术。“第三次工业革命”实质就是以数字制造技术、互联网技术和再生能源技术重大创新与融合为代表,从而导致工业、产业乃至社会发生重大变革,这一过程不但将推动一批新兴产业诞生与发展以代替已有产业，还将导致社会生产方式、制造模式甚至生产组织方式等方面重要变革，最后使人类进入生态和谐、绿色低碳、可持续发展社会。这次科技革命不但极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域变革，并且也影响了人类生活方式和思维方式,使人类社会生活和人当代化向更高境界发展。二、3D打印技术现状和发展趋势1、技术现状：3D打印技术通过超过半个世纪但是改良，已经发展衍生出了诸多打印技术，如：光敏固化成型(StereoLithography Appearance，SLA)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)、选取性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)。对比国内外专利申请记录，如下图：从国内外趋势线上反映总体态势看，国内与国外技术发展差距近,处在不同发展时期。这与研发者学术敏锐、研发模式及国家层面注重关于。右图是各国在3D打印技术应用市场份额，不难看出，国内已经可以在这个庞大市场中占据一席之地，但是，当前，国内3D打印产业处在起步阶段，存在一系列影响3D打印产业迅速发展问题，如：缺少宏观规划和指引；科研投入局限性；产业链缺少统筹发展。综合以上科研领域和市场份额对比，咱们可以得出结论：国内需加强政策扶持，加大研发投入，不断进行技术研发创新，逐渐向产业化迈进，缩小与国外差距。2、3D打印机发展前景：3D打印机应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。以色列Objet公司以为，3D打印机需求量较大行业涉及政府、航天和国防、医疗设备、教诲以及制造业。依照国际迅速制造行业权威报WohlersReport发布调查成果，全球3D打印产业产值在1988间保持着26.2%年均增长速度。报告预期，3D打印产业将来仍将持续地增长。到，包括设备制造和服务在内产业总产值将达到31亿美元，将达到52亿美元。但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，当前仍面临着多方面瓶颈和挑战：一是成本方面，既有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难；二是打印材料方面，当前3D打印成型材料多采用化学聚合物，选取局限性较大，成型品物理特性较差，并且安全面也存在一定隐患；三是精度、速度和效率方面，当前3D打印成品精度还不尽如人意，打印效率远不适应大规模生产需求，并且受打印机工作原理限制，打印精度与速度之间存在严重冲突；四是产业环境方面，3D打印技术普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对盗版风险大增，既有知识产权保护机制难以适应产业将来发展需求。Gartner公司发布最新技术发展展望报告判断：3D打印技术当前正在进入概念炒作高峰阶段，其技术尚有待充提成熟，主流市场也有待进一步哺育。Gartner公司研究人员以为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5时间。在这一段较为漫长发展过程中，产业也许会晤临增长盼望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。总之，从中长期来看，3D打印产业具备较为辽阔发展前景，但当前产业距离成熟阶段尚有较大距离，因而，现阶段产业界对3D打印领域投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，特别要注重自主知识产权建设和维护，争取在将来市场竞争中占据有利地位。3、3D打印技术将来发展最重要趋势：随着智能制造进一步发展成熟，新信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高层面。将来，3D打印技术发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等重要趋势。提高3D打印速度、效率和精度，开拓并行打印、持续打印、大件打印、多材料打印工艺办法，提高成品表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品制造；开发更为多样3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有也许成为此后研究与应用又一种热点；3D打印机体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化需求以及家庭寻常应用需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP一体化，使设计软件和生产控制软件可以无缝对接，实现设计者直接联网控制远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域创造性应用。三、汽车车身3D打印系统方案设计1、设计目的：采用3D打印办法打印出汽车车身。车身可以具备良好各方面性能，涉及承载汽车内部各种零件已经汽车驾驶员及乘客、可以保证强度不会过于脆弱或者构造过于不稳定。同步，打印系统具备良好抗干扰能力，可以一定限度上应用于工业生产，并且打印具备可以接受精度。另一方面，车身打印要可以在精准掌控范畴以内，可以通过数字化控制手段满足各种造型打印规定。最后，打印成本不能过于昂贵，考虑经济方面因素。2、设计思路：第一，选取适当打印材料。当前，3D打印材料重要涉及工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。由于汽车车身对强度规定不低，因此普通工程塑料并不能满足条件，同步，材料又要又良好热塑性，故模仿美国亚利桑那州Local Motors公司电动汽车Strati碳纤维混合材料，ABS保证了打印原料良好热塑性，碳纤维保证车身可以有足够强度。第二，选取适当打印技术实现3D打印。当前，主流3D打印技术有敏固化成型(StereoLithography Appearance，SLA)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)、选取性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)等等。其他尚有技术手段在这里不再一一赘述。列举四种3D打印技术中，SLA和SLS可以有很高精度，但是价格过于昂贵，故不在考虑范畴以内，而创造应用LOM公司已经退出了3D打印行业，LOM是一种基本不再使用打印技术，与其她三项比较，FDM是一项成熟强大又相对便宜安全3D打印技术，因而在本次系统方案设计中采用FDM（热塑挤压）。第三，选取合理模型构建软件。由于3D打印汽车车身并不需要扫描一种既有车身并实现复制，故这个模型构建软件只需要可以实现设计并且将设计转化为数字化模型就可以达到目。当前，3D打印软件开发公司站主导地位是Autodesk和Dassault Systemes。AutodeskAutoCAD软件和Dassault SystemesSolidWorks CAD软件是当前使用率很高3D打印软件。它们都可以输出*.STL文献格式文献，实现通过程序直接控制3D打印机。但是，上述两款软件学习起来过于复杂费时，并且这两款软件价格过于昂贵，因而这次设计中选用Trimble NavigationSktechUp。第四，3D打印机。国内3D打印公司多如牛毛这里不一一赘述。国外最知名3D打印机制造商是3D Systems和Stratasys。打印汽车车身需要不同于普通3D打印机，因此只能采用订制办法，这里无法给出详细型号，只能依照需要打印汽车车身需要来拟定详细3D打印机所需要参数。3、系统工作原理：见下面程序框图CAD程序设计运动控制程序红外测距传感器信号采集解决板卡打印机（机器人）控制器温度传感器送丝机工件4、控制办法：CAD软件控制试教在线机器人，辅助以温度传感器和红外测距传感器形成负反馈，达到控制目。成形中采用三维CAD模型以STL格式文献作为控制程序，控制器控制送丝机（3D打印原材料）和机器人，作用于工件（汽车车身），同步两种传感器实时测量喷头温度和工件打印厚度，发现异常立即以原先程序设定方案进行修正。5、系统特点：第一、个性化：可以依照使用者需求设计不同车身造型；第二、实时性：两个负反馈传感器保证系统可以实时修正打印中误差；第三、经济性：系统设计时均采用了最经济合理方式，最大限度减少了成本消耗。四、3D打印表面成形质量和精度检测和控制1、 检测办法：3D打印表面成形质量与碰头温度控制、工件（被打印层）冷却速度和单次表面厚度误差关于系。因而从这三个角度对问题提出尝试解决方案。第一，喷头温度控制实现很简朴，在喷头处设计一种温度传感器和拥有加热及冷却功能温度控制器，由于要使得3D打印原料处在半流体状态有一种详细范畴，只需要在负反馈中设计一种保准温度，温度传感器一旦检测到喷头实时温度与原则温度超过一种固定差值，立即采用加热或者冷却，保证碰头温度使得3D打印原料始终处在半流体状态。第二、工件（被打印层）冷却速度需要通过精密计算，设计一种保证不会产生很大体积缩小原则冷却速度。冷却速度实现可以通过一种恒温箱实现，由于碰头温度已知，材料散热性能可以测量，控制材料冷却环境温度就能实现对工件（被打印层）冷却速度控制。第三、单次表面厚度误差。这里检测有点困难，但是我可以提出一种以为可行方案，在工件加工表面上方设计一种红外测距传感器（保证很高测量精度，误差不能超过单层打印厚度5%，即达到m级），每次依照固定高度减去测量与加工表面距离鉴定单层厚度，浮现误差立即进行修正。这里修正方案有两种，其一：若红外传感器位置固定，那么要多设立几种，在碰头下一层加工中增长或减少单层厚度（这种办法存在一种不太科学假设就是喷头在单层加工中加工厚度是同样，不能避免单层中浮现厚度波动）；其二，若红外传感器与喷头固定，那么可以实现实时修正，已经发现单层厚度浮现误差，立即进行修正（这种办法会很大限度减少打印速度）。2、信号采集方式：本实验中使用两个传感器采集一种温度信号和一种距离信号。第一、红外测距仪：规定精度要高，敏捷性高；第二、温度传感器：由于本系统中对温度稳定性有很高规定，因此规定传感器精度和敏捷性要很高，故选用接触式热电偶进行温度测量。之后采样过程、保持过程、量化编码过程、A/D转换过程都交给数据采集和解决板卡进行解决。3、滤波和信号解决方式：实际生产环境中普通有许多干扰因素，如：供电电压波动、其她设备频繁启动或负载波动对电网干扰、环境温度变化、电磁干扰等等。本次设计系统中存在两个信号，一种是距离，一种是温度，两者数值稳定性较好只会有很小变化，可以采用限幅滤波法，克服由仪器外部环境偶尔因素引起突变性扰动。限幅滤波法依赖已有时域采样成果，将本次采样值与上次采样值进行比较，若它们差值超过容许范畴，则以为本次采样值受到了干扰，应予剔除。对于供电电压突变、电磁干扰或者是设备突然启动而引起较大脉冲信号，采用基于拉依达准则奇异数据滤波。拉依达准则：当测量次数N足够多且测量服从正态分布时，在各次测量值中，若某次测量值Xi所相应剩余误差Vi3，则以为该Xi为坏值，予以剔除。详细环节为：（1）求N次测量值X1至XN算术平均值；（2）求各项剩余误差Vi；（3）计算原则偏差；（4）判断并剔除奇异项Vi3，则以为该Xi为坏值，予以剔除。4、控制方式：在本学期课程中，咱们懂得通过使用闭环控制系统可以有效控制浮现误差，信号从输入端到达输出端传播通路为前向通路，系统输出量通过测量元件反馈到输入端通路成为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路，此外尚有局部反馈回路。本次系统设计中就采用了负反馈闭环控制系统，但愿可以达到控制误差目。五、预期创新点、核心技术及其解决方案1、3D打印原材料：依照前文所述，当前，3D打印材料重要涉及工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。3D打印所用这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发，与普通塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态普通有粉末状、丝状、层片状、液体状等。普通，依照打印设备类型及操作条件不同，所使用粉末状3D打印材料粒径为1-100不等，而为了使粉末保持良好流动性，普通规定粉末要具备高球形度。本次系统中采用是ABS辅助以碳纤维强化。虽然强度可以得到一定保证但仍旧是局限性，打印出汽车车身并不能满足很高时速规定，因而，在3D打印原料这一方面仍旧有很大提高空间。如果可以将金属粉末用于FDM（也就是FDMm）并且可以使得金属在打印之后依然可以维持良好晶体性能，同步还要解决金属打印体积收缩问题。这个核心技术就在于如何控制冷却速度和找出适合3D打印合金成分。2、 误差控制系统：依照前文所述，采用闭环负反馈控制系统可以一定限度减少误差。但是，文中所述检测办法还存在有待商榷地方，同步，在保证误差检测可以完毕状况下，如何对误差进行修正也值得斟酌。这里核心技术就在于程序编写，需要有专业程序编写人员参加软件修正。3、 喷头机械设计：从各类文献和上述咱们可以明确结识到，要通过FDM技术手段实现3D打印，喷头在整个3D打印过程中起到了至关重要作用。这里核心技术在于：第一、可以保证喷头喷出3D打印原料温度就是传感器测量温度，就是说保证喷头内3D打印原材料温度均匀性，同步，由于喷头内需要安装加热和冷却装置，因此也要保证它们对喷头内3D打印原材料温度变化均匀性，就这一点，我以为可以把喷头设计成为两个腔体，一种为温度修正腔，一种绝热腔，前者用以修正温度误差，后者直接迅速用于喷吐原料；第二、可以保证喷头3D打印原材料喷射速度稳定性，也就是可以保证在没有干扰环境中，碰头不会浮现负反馈可以发现误差，减少系统运营承担；第三、喷头稳定性和走位精准性，这点重要是通过完善机器人机械控制得以实现。4、智能分层技术：考虑到FDM技术如果单层厚度不够小话会有明显“台阶状”表面特性，使得3D打印出汽车车身不可以满足需求，但是如果把每层厚度都设计很小话，又会严重影响打印速度。这里我提出一种可行方案：在3D打印第一步数字化模型构建完毕并选取完适当打印方向之后，程序智能辨认打印边沿曲率半径，并依照事先设定好表格依照不同表面曲率半径使用不同单层打印厚度，打个比喻：如果表面1曲率半径是1000mm，就选取单层打印厚度为0.1mm，如果表面2曲率半径为600mm，就选取单层打印厚度为0.12mm。这里数据仅仅是假设，这个技术核心就是要设定一套合理曲率半径与单层打印厚度关系。数字化模型曲率半径获得应当不存在很大困难。六、结论本文从3D打印背景展开，简介了3D打印技术现状和发展趋势。并就“汽车车身3D打印系统设计”这一命题展开了非常详细阐述。除此之外，本文还就3D打印表面成形质量和精度检测和控制重点进行了分析，并且给出了在3D打印领域有也许创新技术展开了大胆猜想。但愿我分析和讨论可以真在将来被工程师们实现。3D打印是一种将来光明产业，中华人民共和国虽然还处在发展初级阶段，但相信随着国际合伙不断加强，中华人民共和国3D打印产业可以蓬勃发展，相信3D打印最后可以不断造福人类社会。参照文献：1） 杜宇雷，孙菲菲等，3D打印材料发呈现状，徐州工程学院学报（自然科学版） 3月2） 刘红光，杨倩等，国内外3D 打印迅速成型技术专利情报分析，情报杂志，6月3） 孙柏林，试析“3D 打印技术”长处与局限，自动化技术与应用 年第32 卷第6 期4） Goetz Peter Hellmann， Christoph Kottlorz， Jonas Presser， Katja Utaloff，Compact polymeric 3D prints of high stability，Journal of Materials Research，Vol.29 (17)，pp.1833-18405） 余冬梅，3D打印：技术和应用，DOI：10.3969/j.issn.10006826.06.0036） 龙航，国外先进3D打印技术案例参照， Learn from 借鉴7） 包熊，3D打印技术现状及前景展望， Technique Front 技术前沿8） 孙柏林，试析“3D 打印技术”长处与局限，自动化技术与应用 年第32 卷第6 期9） 张龙，3D打印过程计算机仿真研究，兰州理工大学10） 王菊霞，3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究，吉林大学11） 下半学期材料数字化制造基本PDF课件