汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計.doc

汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計Automobile 3D Printing System Design摘要：3D打印被譽為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)，綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，有著非常優(yōu)越的應(yīng)用潛質(zhì)。本文將就3D打印展開討論，并就“汽車車身3D打印”作為重點，設(shè)計一個制造系統(tǒng)的實施方案。此外，本文還將針對3D打印中所遇到的最主要的問題討論起解決方案。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.關(guān)鍵詞：3D打印 汽車車身 熔融沉積成型 一、3D打印概述3D打印，是根據(jù)所設(shè)計的3D模型，通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作“增材制造”。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之不同，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，被譽為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。“第三次工業(yè)革命”實質(zhì)就是以數(shù)字制造技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和再生能源技術(shù)的重大創(chuàng)新與融合為代表,從而導(dǎo)致工業(yè)、產(chǎn)業(yè)乃至社會發(fā)生重大變革,這一過程不僅將推動一批新興產(chǎn)業(yè)誕生與發(fā)展以替代已有產(chǎn)業(yè)，還將導(dǎo)致社會生產(chǎn)方式、制造模式甚至生產(chǎn)組織方式等方面的重要變革, 最終使人類進入生態(tài)和諧、綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的社會。這次科技革命不僅極大地推動了人類社會經(jīng)濟、政治、文化領(lǐng)域的變革，而且也影響了人類生活方式和思維方式,使人類社會生活和人的現(xiàn)代化向更高境界發(fā)展。二、3D打印技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1、技術(shù)現(xiàn)狀：3D打印技術(shù)經(jīng)過超過半個世紀的不過改良，已經(jīng)發(fā)展衍生出了很多打印技術(shù)，如：光敏固化成型(StereoLithography Appearance, SLA)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)、分層實體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)。對比國內(nèi)外專利申請記錄，如下圖：從國內(nèi)外趨勢線上反映的總體態(tài)勢看，我國與國外技術(shù)發(fā)展差距近10年,處在不同的發(fā)展時期。這與研發(fā)者的學(xué)術(shù)敏銳、研發(fā)模式及國家層面的重視有關(guān)。右圖是各國在3D打印技術(shù)應(yīng)用的市場份額，不難看出，我國已經(jīng)能夠在這個龐大的市場中占據(jù)一席之地，但是，目前，我國3D打印產(chǎn)業(yè)處于起步階段，存在一系列影響3D打印產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的問題，如：缺乏宏觀規(guī)劃和指導(dǎo)；科研投入不足；產(chǎn)業(yè)鏈缺乏統(tǒng)籌發(fā)展。綜合以上科研領(lǐng)域和市場份額的對比，我們可以得出結(jié)論：我國需加強政策扶持，加大研發(fā)投入，不斷進行技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進，縮小與國外的差距。2、3D打印機的發(fā)展前景：3D打印機的應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。以色列的Objet公司認為，3D打印機需求量較大的行業(yè)包括政府、航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、教育以及制造業(yè)。根據(jù)國際快速制造行業(yè)權(quán)威報WohlersReport2011發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在19882010年間保持著26.2%的年均增長速度。報告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)地增長。到2016年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。但3D打印技術(shù)要進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應(yīng)用帶來了困難；二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患；三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡如人意，打印效率遠不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突；四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護機制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。Gartner公司2011年發(fā)布的最新技術(shù)發(fā)展展望報告判斷：3D打印技術(shù)目前正在進入概念炒作的高峰階段，其技術(shù)還有待充分成熟，主流市場也有待進一步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術(shù)成熟到適應(yīng)市場需求還將需要510年的時間。在這一段較為漫長的發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè)可能會面臨增長期望落空、技術(shù)遭遇瓶頸以及投資撤離等風(fēng)險?？傊?，從中長期來看，3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)距離成熟階段尚有較大距離，因此，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)界對3D打印領(lǐng)域的投入應(yīng)以加強創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)引進和儲備為主，尤其要重視自主知識產(chǎn)權(quán)的建設(shè)和維護，爭取在未來的市場競爭中占據(jù)有利地位。3、3D打印技術(shù)未來發(fā)展的最主要趨勢：隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造；拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。三、汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設(shè)計1、設(shè)計目標：采用3D打印方法打印出汽車車身。車身能夠具有良好的各方面性能，包括承載汽車內(nèi)部各種零件已經(jīng)汽車駕駛員及乘客、能夠保證強度不會過于脆弱或者結(jié)構(gòu)過于不穩(wěn)定。同時，打印系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，能夠一定程度上應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，并且打印具有可以接受的精度。其次，車身打印要能夠在精確的掌控范圍以內(nèi)，能夠通過數(shù)字化控制手段滿足各種造型的打印要求。最后，打印成本不能過于昂貴，考慮經(jīng)濟方面的因素。2、設(shè)計思路：第一，選擇合適的打印材料。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等。由于汽車車身對強度的要求不低，所以普通工程塑料并不能滿足條件，同時，材料又要又良好的熱塑性，故模仿美國亞利桑那州Local Motors公司的電動汽車Strati的碳纖維混合材料，ABS保證了打印原料的良好熱塑性，碳纖維保證車身能夠有足夠的強度。第二，選擇合適的打印技術(shù)實現(xiàn)3D打印。目前，主流的3D打印技術(shù)有敏固化成型(StereoLithography Appearance, SLA)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)、分層實體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)等等。其它的還有的技術(shù)手段在這里不再一一贅述。列舉的四種3D打印技術(shù)中，SLA和SLS能夠有很高的精度，但是價格過于昂貴，故不在考慮的范圍以內(nèi)，而發(fā)明應(yīng)用LOM的公司已經(jīng)退出了3D打印的行業(yè)，LOM是一種基本不再使用的打印技術(shù)，與其他三項比較，F(xiàn)DM是一項成熟的強大的又相對廉價安全的3D打印技術(shù)，因此在本次系統(tǒng)方案設(shè)計中采用FDM（熱塑擠壓）。第三，選擇合理的模型構(gòu)建軟件。由于3D打印汽車車身并不需要掃描一個現(xiàn)有的車身并實現(xiàn)復(fù)制，故這個模型構(gòu)建軟件只需要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計并且將設(shè)計轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的模型就可以達到目的。目前，3D打印軟件開發(fā)公司站主導(dǎo)地位的是Autodesk和Dassault Systemes。Autodesk的AutoCAD軟件和Dassault Systemes的SolidWorks CAD軟件是目前使用率很高的3D打印軟件。它們都能夠輸出*.STL文件格式的文件，實現(xiàn)通過程序直接控制3D打印機。但是，上述的兩款軟件學(xué)習(xí)起來過于復(fù)雜費時，而且這兩款軟件的價格過于昂貴，因此這次設(shè)計中選用Trimble Navigation的SktechUp。第四，3D打印機。國內(nèi)的3D打印企業(yè)多如牛毛這里不一一贅述。國外最知名的3D打印機制造商是3D Systems和Stratasys。打印汽車車身需要不同于一般的3D打印機，所以只能采用訂制的辦法，這里無法給出具體的型號，只能根據(jù)需要打印的汽車車身需要來確定具體的3D打印機所需要的參數(shù)。3、系統(tǒng)工作原理：見下面的程序框圖CAD程序設(shè)計運動控制程序紅外測距傳感器信號采集處理板卡打印機（機器人）控制器溫度傳感器送絲機工件4、控制方法：CAD軟件控制試教在線機器人，輔助以溫度傳感器和紅外測距傳感器形成負反饋，達到控制目的。成形中采用的三維CAD模型以STL格式文件作為控制程序，控制器控制送絲機（3D打印原材料）和機器人，作用于工件（汽車車身），同時兩種傳感器實時測量噴頭溫度和工件打印的厚度，發(fā)現(xiàn)異常立刻以原先程序設(shè)定的方案進行修正。5、系統(tǒng)特點：第一、個性化：能夠根據(jù)使用者的需求設(shè)計不同的車身造型；第二、實時性：兩個負反饋傳感器保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r修正打印中的誤差；第三、經(jīng)濟性：系統(tǒng)設(shè)計時均采用了最經(jīng)濟合理的方式，最大限度的降低了成本消耗。四、3D打印表面成形質(zhì)量和精度的檢測和控制1、 檢測方法：3D打印表面成形質(zhì)量與碰頭溫度控制、工件（被打印層）冷卻速度和單次表面厚度誤差有關(guān)系。因此從這三個角度對問題提出嘗試解決方案。第一，噴頭溫度控制實現(xiàn)很簡單，在噴頭處設(shè)計一個溫度傳感器和擁有加熱及冷卻功能的溫度控制器，由于要使得3D打印原料處在半流體的狀態(tài)有一個具體的范圍，只需要在負反饋中設(shè)計一個保準溫度，溫度傳感器一旦檢測到噴頭的實時溫度與標準溫度超過一個固定的差值，立刻采取加熱或者冷卻，保證碰頭的溫度使得3D打印原料一直處于半流體的狀態(tài)。第二、工件（被打印層）冷卻速度需要經(jīng)過精密的計算，設(shè)計一個保證不會產(chǎn)生很大體積縮小的標準冷卻速度。冷卻的速度的實現(xiàn)可以通過一個恒溫箱實現(xiàn)，由于碰頭溫度已知，材料的散熱性能可以測量，控制材料冷卻環(huán)境的溫度就能實現(xiàn)對工件（被打印層）冷卻速度的控制。第三、單次表面厚度的誤差。這里的檢測有點困難，但是我可以提出一個認為可行的方案，在工件加工表面上方設(shè)計一個紅外測距傳感器（保證很高的測量精度，誤差不能超過單層打印厚度的5%，即達到m級），每次根據(jù)固定高度減去測量的與加工表面的距離判定單層的厚度，出現(xiàn)誤差立刻進行修正。這里的修正方案有兩種，其一：若紅外傳感器位置固定，那么要多設(shè)置幾個，在碰頭下一層的加工中增加或減少單層厚度（這種方法存在一個不太科學(xué)的假設(shè)就是噴頭在單層的加工中加工的厚度是一樣的，不能避免單層中出現(xiàn)厚度的波動）；其二，若紅外傳感器與噴頭固定，那么可以實現(xiàn)實時修正，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單層厚度出現(xiàn)誤差，立刻進行修正（這種方法會很大程度的降低打印的速度）。2、信號采集方式：本實驗中使用兩個傳感器采集一個溫度信號和一個距離信號。第一、紅外測距儀：要求精度要高，靈敏性高；第二、溫度傳感器：由于本系統(tǒng)中對溫度的穩(wěn)定性有很高的要求，所以要求傳感器的精度和靈敏性要很高，故選用接觸式熱電偶進行溫度的測量。之后采樣過程、保持過程、量化編碼過程、A/D轉(zhuǎn)換過程都交給數(shù)據(jù)采集和處理板卡進行處理。3、濾波和信號處理方式：實際生產(chǎn)環(huán)境中通常有許多干擾因素，如：供電電壓的波動、其他設(shè)備頻繁啟動或負載波動對電網(wǎng)的干擾、環(huán)境溫度的變化、電磁干擾等等。本次設(shè)計的系統(tǒng)中存在兩個信號，一個是距離，一個是溫度，兩者的數(shù)值穩(wěn)定性較好只會有很小的變化，可以采用限幅濾波法，克服由儀器外部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動。限幅濾波法依賴已有的時域采樣結(jié)果，將本次采樣值與上次采樣值進行比較，若它們的差值超出允許范圍，則認為本次采樣值受到了干擾，應(yīng)予剔除。對于供電電壓的突變、電磁干擾或者是設(shè)備突然啟動而引起的較大的脈沖信號，采用基于拉依達準則的奇異數(shù)據(jù)濾波。拉依達準則：當測量次數(shù)N足夠多且測量服從正態(tài)分布時，在各次測量值中，若某次測量值Xi所對應(yīng)的剩余誤差Vi3，則認為該Xi為壞值，予以剔除。具體步驟為：（1）求N次測量值X1至XN的算術(shù)平均值；（2）求各項的剩余誤差Vi；（3）計算標準偏差；（4）判斷并剔除奇異項Vi3，則認為該Xi為壞值，予以剔除。4、控制方式：在本學(xué)期的課程中，我們知道通過使用閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效的控制出現(xiàn)的誤差，信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路為前向通路，系統(tǒng)的輸出量經(jīng)過測量元件反饋到輸入端的通路成為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路，此外還有局部反饋回路。本次的系統(tǒng)設(shè)計中就采用了負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，希望可以達到控制誤差的目的。五、預(yù)期創(chuàng)新點、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案1、3D打印原材料：根據(jù)前文所述，目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1-100不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。本次系統(tǒng)中采用的是ABS輔助以碳纖維強化。雖然強度可以得到一定保證但仍舊是不足的，打印出的汽車車身并不能滿足很高的時速要求，因此，在3D打印原料這一方面仍舊有很大的提升空間。如果能夠?qū)⒔饘俜勰┯糜贔DM（也就是FDMm）并且能夠使得金屬在打印之后依然能夠維持良好的晶體性能，同時還要解決金屬打印的體積收縮問題。這個關(guān)鍵的技術(shù)就在于如何控制冷卻速度和找出適合3D打印的合金成分。2、 誤差控制系統(tǒng)：根據(jù)前文所述，采用閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)能夠一定程度的減少誤差。但是，文中所述的檢測方法還存在有待商榷的地方，同時，在保證誤差檢測能夠完成的情況下，如何對誤差進行修正也值得斟酌。這里的關(guān)鍵技術(shù)就在于程序的編寫，需要有專業(yè)的程序編寫人員參與軟件的修正。3、 噴頭的機械設(shè)計：從各類文獻和上述我們可以明確的認識到，要通過FDM技術(shù)手段實現(xiàn)3D打印，噴頭在整個3D打印過程中起到了至關(guān)重要的作用。這里的關(guān)鍵技術(shù)在于：第一、能夠保證噴頭噴出的3D打印原料溫度就是傳感器測量的溫度，就是說保證噴頭內(nèi)3D打印原材料溫度的均勻性，同時，由于噴頭內(nèi)需要安裝加熱和冷卻裝置，所以也要保證它們對噴頭內(nèi)3D打印原材料溫度改變的均勻性，就這一點，我認為可以把噴頭設(shè)計成為兩個腔體，一個為溫度修正腔，一個絕熱腔，前者用以修正溫度的誤差，后者直接快速用于噴吐原料；第二、能夠保證噴頭3D打印原材料噴射速度的穩(wěn)定性，也就是能夠保證在沒有干擾的環(huán)境中，碰頭不會出現(xiàn)負反饋能夠發(fā)現(xiàn)的誤差，降低系統(tǒng)運行的負擔(dān)；第三、噴頭的穩(wěn)定性和走位精確性，這點主要是通過完善機器人的機械控制得以實現(xiàn)。4、智能分層技術(shù)：考慮到FDM技術(shù)如果單層厚度不夠小的話會有明顯的“臺階狀”表面特征，使得3D打印的出的汽車車身不能夠滿足需求，但是如果把每層的厚度都設(shè)計的很小的話，又會嚴重的影響打印速度。這里我提出一個可行的方案：在3D打印第一步數(shù)字化模型構(gòu)建完成并選擇完合適的打印方向之后，程序智能識別打印邊緣的曲率半徑，并根據(jù)事先設(shè)定好的表格根據(jù)不同表面的曲率半徑使用不同的單層打印厚度，打個比方：如果表面1的曲率半徑是1000mm，就選擇單層打印厚度為0.1mm，如果表面2的曲率半徑為600mm，就選擇單層打印厚度為0.12mm。這里的數(shù)據(jù)僅僅是假設(shè)，這個技術(shù)的關(guān)鍵就是要設(shè)定一套合理的曲率半徑與單層打印厚度的關(guān)系。數(shù)字化模型的曲率半徑的獲得應(yīng)該不存在很大的困難。六、結(jié)論本文從3D打印的背景展開，介紹了3D打印的技