快速成型和直接数字化制造在汽车行业的应用

作者：周美芳 马骏

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 快速成形与直接数字化制造(Rapid Prototyping &Manufacturing)是上世纪80年代末及90年代初发展起来的高新制造技术.其重要意义可与数控技术(CNC)相比。该技术采用材料累加的新成型原理，直接由CAD数据制成三维实体模型。这一技术不需要传统的刀具、机床、夹具，便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型。 RP模型根据快速成型工艺的不同可分别制作出用于设计评估的概念模型，用于验证装配和性能试验的功能性模型，还能直接制造出ABS,PC材料的塑料产品。进一步翻制成快速模具，进行小批量生产。用快速成型与直接数字化制造技术，可使成本下降为数控加工的1/3-1/5,周期缩短为1 /5一1/10。这些优点受到了不同行业的积极响应和广泛应用尤其在汽车行业，受益于这项新技术的应用，使新车型的开发速度比原来快了好几倍，而开发成本却只有原来的几分之一。因此，几乎所有的整车厂都采用不同工艺的快速成型设备用于满足设计不同阶段的需要。如通用、福特、保时捷、本田、丰田、克莱斯勒、奔驰、奥迪、一汽一大众、宝马等。 快速成型的不同工艺 光固化立体造型(SL)。该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。美国3DSYSTEMS公司是最早推出这种工艺的公司。该项技术特点是精度和光洁度高，但是材料比较脆，运行成本太高，后处理复杂，对操作人员要求较高。适合验证装配设计过程用。 熔融沉积造型(FDM-Fused DepositionModeling)。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1℃左右)。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(丝材直径一般在1.5mm以上从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，一层叠一层最后形成整个零件模型。美国STRATASYS公司是世界范围内最早推出这一工艺的公司。其工艺特点是直接采用工程材料ABS, PC等材料进行制作，适合设计的不同阶段，可直接制造最终产品。缺点是表面光洁度较差。 造择性激光烧结(SLSSetected Laser Sintering)。 该法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ~200μ，)的粉未，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉。用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺也有，但还不成熟。该项技术的特点是比较适合制作铸造用蜡模。因为其精度和表面光洁度较差，不太适合用模型验证和产品制作。 三维打印成型(3DP-3 DIMENSION PRINTER)。 3DP技术是麻省理工学院发明并申请专利的，由ZCORP公司进行商业化。该种成型工艺的原理是将粉末由储存桶送出一定分量，再以滚筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，打印头依照3D电脑模型切片后获得的二维层片信息喷出勃著剂，勃著粉末。做完一层，加工平台自动下降一点，储存桶上升一点，刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台并把粉末推平，再喷私著剂，如此循环便可得到所要的形状。该项技术的特点是速度快(是其他工艺的6倍)，成本低(是其它工艺的1/6)，唯一能够打印彩色零件。缺点是精度和表面光洁度较低。 POLYJET光固化技术。POLYJET技术是由以色列OBJET公司发明并申请专利的。Polyjet的打印头类似于行式打印机，沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。这一步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程。每打印完一层，机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作，直到原型件完成。精密的工具软件保证了所有的喷头能协调运作，能同步地往底盘上喷射等量的材料。优点是:精度和光洁度好，运行成本低。缺点是材料强度还达不到ABS的材料强度。快速成型行业发展史 世界上第一台快速成型样机是由美国3D System公司1988年推出的基于SLA技术的快速激光成型机，随后美国STRTASYS在1990年推出基于FDM技术的融溶挤压型快速成型机，随后相继出来了LOM技术(该技术已经淘汰，故上面没有介绍)、SLS技术。2000年美国ZCORP公司推出了三维打印机，自此三维打印这种技术在美国、日本、欧州得到了飞速的发展。据美国WOHLER和RPA/SME协会的统计，至2006年全球快速成型系统总装机数近7000套，RP的年最高增长率为60，而CNC机床的高峰期年均增长率为22%。可见，RP技术正在以高速发展。 汽车行业应用最广的快速成型工艺材料介绍 目前在汽车行业运用中最广的快速成型工艺是美国STRATASYS的FDM技术。该项技术之所以获得汽车行业的青睐，其关键原因是因为FDM是唯一运用工程材料快速成型的模型，适合目前汽车行业塑料零部件使用越来越多，并趋向于选择各种新型的材料进行试制的需要。目前STRATASYS公司的FDM技术有以下工程材料供用户选择: ABS材料。ABS原型件可达到传统ABS注塑成型强度的70%~80%。而其它属性，如耐热性与抗化学性，也相当于注塑成型的部件，其耐热度为93.3~104℃，这使ABS广泛地应用于各类功能测试。颜色方面，ABS提供七种材料颜色，含白色，黑色，红色，黄色，绿色，蓝色与铁灰色。 ABSi材料。ABSi是具有半透明外观或透明略带红色以及唬拍色的FDM材料，该材料比ABS多了二种特性:具有半透明度以及较高的耐撞击力，所以命名为ABSi(i-impact).前大部分ABSi的用户为汽车行业设计者，主要应用在制作汽车尾灯原型及其它需要能够让光线穿透的部件。 Polycarbonate材料。Polycarbonate是一种新型RP材料，目前使用量正在快速成长。增加强度的PC比ABS材料生产的原型更能承受力量与负载，适用于高度冲击的产品功能测试。例如，果汁机、电动工具、汽车零件等等。悬挂的PC材料板可以抵挡一定距离的子弹冲击。许多用户相信该材料生产的部件可以达到并超过ABS注塑成型的强度，其耐热度为摄氏125~145℃。有白色的PC材料与PC~ISO材料。白色与半透明的PC-ISO材料符合ISO 10993-1与USP CiassVI标准，可进行γ辐射或氧化乙烯(Et0)消毒，应用在医疗器材方面。 P C - A B S材料。 PC-ABS材料是一种由polycarbonate以及ABS塑料的混料技术。已经广泛地用于塑料产品制造，但是还未使用于快速成型技术。之所以选择PC-ABS材料作为产品材料，是因为它结合了PC的强度以及ABS的韧性。有了新的材料，使用PC-ABS材料产品的制造商就具有优势，可以使用如同他们最终产品的相同材料进行模型制作。因此，可以增强使用PC与ABS混合材料的最终产品的机械性质。该混合材料在很早就受到快速成型研究人员的期待，特别是受到玩具以及电子行业的期盼。该混合材料明显地强于ABS,而且细节特征与Stratasys的ABS成型材料非常相似。该新式材料完全兼容干Waterworks水溶性去支撑材料技术，该技术允许用户不动手就能移除支撑，以缩短整个模型制造周期。因此，PC-ABS材料具有极好的细节特征，天马行空设计以及一体成型和装配等优势。 PPSF材料。PPSF(或是称为polyphenylsulfone)在各种快速原型材料之中，有着最高的强韧性、耐热以及抗化学性。航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用这种PPSF材料的用户。航天零部件业将会喜欢该材料的难燃属性;小家电设计制造业与汽车设计制造业也非常想应用其抗化学性以及在200℃以上还能持续运作的能力。 FDM技术在汽车行业中的应用案例介绍 BMW案例介绍。日MW集团德国日eoensburg的工厂于2002年2月导入FDM3000 ABS快速原型系统，这是前一代的FDM主力系统。Regensburg主要生产BMNJ 3系歹U的车款，为了满足工作上的需求，他们需要一台精度良好、容易操作类型系统。 此外，在宝马Munich FIZ工厂的研究发展中心，已经使用SLS的快速成型系统，但是仍然在积极寻找更佳的解决方案，BMW也曾经评估过紫外光照射树脂的系统以及胶水钻结粉末系统，经过试用之后，都无法满足需求，直到FDM团队再度提到新一代的办公室型工程材料快速原型系统Vantage的TRADEIN计划。依据双方会议讨论，得出需求目标条件与考虑基础，表示如果可以达到需求，就可以计划全面导入。 经过一连串的实际测试，评估团队对于办公室型工程材料快速原型系统Vantage的效能感到非常满意。BMW集团在德国Regensburg厂的研发单位已经决定将FDM 3000升级成为最新采用伺服马达控制的Vantage系统，以达到对于高环保、高精准度与多样性工程材料的使用需求。 FDM技术在中国汽车行业的应用前景 据统计，目前中国汽车的塑料件产品占汽车总零部件的12%~15%，而发达国家的塑料件占汽车零部件20% ,而且目前采用新塑料合成材料用于汽车零部件的试制和开发已成为一种新的趋势。这就对汽车设计的开发和材料应用提出了新的趋势。同时出于市场竞争的需求，国内汽车厂家必须以最低的成本开发出最受欢迎的车型，同时又能在第一时间上市，赶在竞争对手的前头，才能够跑赢市场。 因此采用国外汽车厂家目前已经普遍采用的快速成型、快速制造技术能够缩短一个新车型开发时间的一半，同时开发成本也能降低至原来的三分之一。同时还能够在设计阶段就能获得市场部、消费者的意见反馈，从而确保新车型收到市场的亲睐。相信随着国外运用新技术进行汽车设计试制技术的不断引入，以及国内汽车厂家不断加快推出新车型市场的需求，快速成型、快速制造技术将被越来越广泛地应用于汽车整车及零部件厂家的新品开发中，并为这些企业创造巨大的经济效益。(end)

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