快速成型技术在车身设计开发中的应用

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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, ... 1 前言 汽车车身发展的历史，是设计师不断开发新资源和采用新技术并按照美的规律进行造“ 物”的历史。汽车车身是工业技术和艺术造型相结合的产物，在汽车设计和生产中占有极其重要的位置。车身壳体是由许多具有空间曲面外形的大型覆盖件（顶盖、发动机罩、翼子板等）光顺地组合而成。车身设计的程序和方法对车身设计及以后产品生产中的准备周期、车身的制造精度、经济效益有很大的影响。 从世界上第一辆汽车Daimler-Benz问世至今，汽车车身设计经历了一个世纪的发展过程。从早期的依靠经验类比进行设计到传统的通过制作车身油泥模型进行设计，车身造型设计正朝着缩短设计周期、提高设计质量、降低开发成本及提高汽车产品的市场竞争力的方向不断发展。 快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术是20世纪90年代兴起的集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的原型制造技术，快速成型利用三维CAD模型直接生成产品原型，并且可以方便的修改CAD模型后重新制造产品原型。由于汽车车身设计大量采用计算机进行三维设计，这使快速成型技术在车身设计上的应用成为可能。 2 传统的车身设计开发 传统车身设计步骤主要是基于手工设计完成的, 它分为初步设计和技术设计两个阶段, 如图1所示。这种车身设计方法是通过实物、模型、图纸和样板来传递信息。油泥模型比效果图更能直观地反映设计人员的意图，它可以表达出设计的产品的全部细节，通过精雕细琢，将设计师完整、细致的构思以最直观的方式传达给客户。在整个设计流程中，1:5油泥模型和1:1油泥模型的制作对整个车身设计有着至关重要的影响。它们可进行风洞试验以初步认识车身外形的空气动力性能，同时也可作为销售部门研讨的依据。 第一步，就是将设计构思实物化，将纸面的东西用形体表现出来，让设计人员进行更细致和具体的探讨。首先选择确定几幅效果图，依图做出1:5的车身油泥模型。由于现代轿车生产的规模化，任何设计上的错误都会导致巨大的损失和浪费，因此设计师在缩小比例车模上进行研制是必不可少的一环工作。 全尺寸油泥模型就是指与真车尺寸一样，模型的轮廓曲线和尺寸都是按照严格的要求制作出来，设计人员可以对车身表面的细节部分进行比较和修改。全尺寸油泥模型是高仿真产物。车身附件，大灯小灯、刷水臂都会安置在各自的位置上，有些模型表面还喷涂油漆，与真车相似。通常1:1油泥模型的雕塑要与1:1车身布置胶带图进行反复修正，以最终确定外形。雕塑好的油泥模型放置于能在360°范围内进行旋转的平台上，供设计人员观察车身造型效果。 在油泥模型制作过程中，首先从车身布置图上取出车身外廓载面轮廓线的样板，将大体的车型刮出来，这是一个反复的过程，必须多次运用测量图纸，用高度取点，采样点越多，模型越精确。然后根据立面效果图的设计资料完成侧面成型、车头及车尾成型、前后窗、后盖成型及细节的成型。 传统的设计过程从制作1:5油泥模型和全尺寸的立体模型开始，然后设计人员根据油泥模型手工绘制所有的车身图纸和模具加工图纸。因此传统的设计过程存在以下问题： 1）开发周期长。设计过程遵循由外及内，由模型到图纸的顺序。油泥模型上任何细微的改变都将直接导致主模型和大量图纸的修改，由此产生的修改设计极其繁琐和艰辛。 2）设计累计误差大。车身曲线需要依靠人力经过绘画-模型-图板等多次反复测量反复修改才能确定, 而且设计精度也难以保证。 3）开发成本高。正是由于上述设计中的反复所带来的材料、资金和人工上的大量的消耗。 4）产品的通用化及系列化程度低等问题。 3 快速成型技术在车身开发中的应用 3.1 快速成型的原理 快速成型技术（RPM）是上世纪八十年代末期开始商品化的一种高新制造技术，它将计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体。根据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓，成型头选择性地固化一层层液态树脂, 形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件。 快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法——部分去除工件的毛胚上的材料来得到工件。而采用全新的“增长”加工法——用一层层的小截面逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解为简单的二维加工的组合。因此，它不必采用传统的加工机床和加工模具。由于快速成型技术具有上述突出优势, 所以近年来发展迅速, 以成为现代先进制造技术中的一项支柱技术, 实行并行工程必不可少的手段。 3.2 快速成型技术在车身造型上的运用 3.2.1 车身三维数字模型的生成 车身模型的快速成型的前提条件之一就是在计算机上构造三维数字模型, 因而要求用于构造模型的CAD软件具有较强的三维造型功能。 EDS公司的Unigraphics软件是一个先进的面向现代制造企业的全方位产品解决方案，它的CAD功能采用了当今世界上最先进的直接建模技术。使用它不仅能产生出无可挑剔的实体模型，而且在曲面造型方面也具有强大的功能。再加上与工业造型模块Shape studio的完美融合。使得曲面造型方法更加丰富，从而使得体现艺术与灵感的曲面造型完美的融人产品设计中，完全可以满足汽车外型复杂曲面的造型要求。同时该软件提供了大量的曲面光顺工具，利用它所生成的车身曲面质量很高。因此，许多世界著名的汽车公司运用该软件进行车身设计，建立车身的三维数模。 3.2.2 车身实体模型的生成 由于实体模型上往往有一些不规则曲面, 加工前首先对其进行近似处理。最常见的近似处理是，用一系列的小三角形曲面来逼近自由曲面。其中,每一个三角形用三个顶点的坐标和一个法向量来描述。经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件。而该文件可以通过UG软件直接生成。 接着将生成的Β孔文件传递给快速成型系统进行数据转换并按一层层截面轮廓来进行加工的。这种数据转换就是在三维模型上，用切片软件，按成型的高度方向，每隔一定间隔进行切片处理，以便提取截面的轮廓。切片处理的实质是将几何模型变成轮廓线表述。 最后在快速成型系统上生成车身模型。目前比较成熟的技术有立体印刷（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成形（FDM），其中SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近100%。利用SLA技术可以制造出具有复杂曲面的车身模型，且所形成的车身曲面精度高，表面质量好，通过简单处理就可以进行模型论证。 3.3 快速成型技术在车身附件开发中的应用 现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。而彰显车辆个性与特点的车身外附件及车身内饰件同普通的汽车零件相比其变化速度更快、生命周期更短。为了满足不同的生产需求，就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善，可以完成各种动力、强度、刚度分析，但研究开发中仍需要做成实物以验证其外观形象、工装、可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件，可以用快速成型技术制作零件原型以验证设计人员的设计思想，并利用零件原型做功能性和装配性检验。 3.4 快速成型技术在车身模具制造中的应用 近年来，RPM技术已从最初的原型制造发展到快速加工模具制造，而且基于RPM的快速模具制造技术，已成为国内外RPM应用研究开发的重点。基于RPM的快速模具制造方法一般有直接法和间接法两种。直接制模法是直接采用RPM技术制作模具，在RPM技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法（SLS法）。用这种方法制造的钢制铜合金注射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。目前，基于RPM快速制造模具的方法多为间接制模法，间接制模法指利用RPM原型间接地翻制模具。 基于RPM原型快速制作模具与传统机加工法制作模具的相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。由于各类模具在汽车制造业中占有相当重要的地位，模具制造一直是制约我国汽车工业发展的瓶颈和关键，我国每年需进口模具达8亿美元，主要是复杂模具和精密模具，因此快速模具制造在未来的汽车制造业中具有非常诱人的开发应用潜力。 4 结论 汽车工业作为技术密集、关联面广、综合性强的支柱产业，也面临着日益严峻的市场姚战，尽快应用各种新技术新工艺，缩短产品开发的周期。降低开发风险，提高产品适应市场的能力已成为汽车工业急需解决的问题之一。 将快速成型技术应用于车身设计开发方法与传统的设计开发方法比较有以下几个优点： （1）新车型的定型周期短 应用这种新的设计方法，从开始构思车型外型到外型的确定一般仅需几周到十几周的时间。 （2）生成的车身模型精度高 由于所生成的车身模型的精度完全由造型时的计算机软件的设计和快速成型系统的加工精度所决定，数据的传递过程完全数字化，所以生成的1:1的车身模型与真实车辆无任何差别，有助于决策人员做出正确的判断。 （3）车身模具设计加工速度快 由于从车身设计到模型制造完全由计算机完成，因此借助相关的模具设计软可以快速实现模具设计，并通过加工中心快速制造出模具。 （4）节省开发费用和人力 汽车的外型是由复杂的曲面构成，采用传统的方法进行模型制作时，必然需要耗费造型师大量的时间进行手工制作。而采用快速成型技术可以生成精确的车身的模型，造型师可以把更多的时间用于考虑车身造型上。(end)

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