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快速成型技术在智能电动天窗零部件研制中的应用 |
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作者：张国政 沈虎 |
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汽车天窗在国外中高档以上轿车中十分普及，而我国也在汽车制造业中也在大力研发和制造各类型号的汽车手动、电动及智能电动天窗，以便满足人的物质文化等需求。目前汽车天窗的研发除了在天窗的机构(如内藏式、外掀式、外滑式等)问题、风振问题、电动控制和自动控制等问题以外，还有就是如何快速制造汽车天窗实体模型以验证和解决以上问题，从而缩短整个产品的研发周期，提高企产品市场竞争力具有十分重要的意义。
某企业研制的汽车智能电动天窗机构主要部件，如图1所示。
图1 智能电动天窗运动主要部件图
图1中机构是让天窗玻璃实现上翘、打开、关闭三个动作。1、3、4都在滑轨槽里限位，只能在滑轨槽里前后运动，机构运动是电机通过钢丝软轴(图中未示出)带动3做前后运动，3通过7带动6运动，6带动5，4前后运动，当4运动到滑轨极限时，受阻停止前后运动，但此时4还承受来自于3的推力，这时4上有个特殊一段弧槽结构，让4有向上的运动趋势，同时滑轨上留了个比5大的缺口，让5脱离限制，从滑轨槽的弹出，由于5的弹出带动4向上运动，同时带动6上翘。玻璃是安装在6上的，所以实现天窗上翘。当3向反方向运动时，所有动作逆向执行，带动6往后运动，使玻先关闭。再往后运动，玻璃打开。
其中图1中导槽摘托架1和限位卡块5是POM材料，这些零件制造是采用注塑成型，如何快速完成零件的试制工作，这是降低产品开发成本和缩短研发周期的重要环节。
1 天窗运动零件的制造分析
报据以上各个零件的材料及形状特征，有些零件是外购件，可以直接通过其他汽车零部件生产厂家购置；有些零件是通过现有数控加工机床即可制造实现。以机构中水槽托1零件的为例，运用传统的思路就是设计模具图纸→模接制造→试模(修模)→制造零件，但这种制造过程周期太长，且成本高，况且该模具所成型的零件如果不满足天窗运动机构的要求，需重新设计、试制模具，这样反复会造成更大的浪费。为此，本文提出以RPM技术对解决该问题就迎刃而解了。
2 快速成型技术的应用
2.1 导水槽托架零件数字模型建立
该零件的数字摸型是通过UG NX5.0软件设计，见图2所示。由于该零件形状较规则，在软件绘制出相关的截面做拉伸、切除、组合等布尔运算及倒圆角等操作命令即可。
图2 导水槽托架零件三维模型
2.2 模型数据的处理
要实现在快速成型机上进行三维打印，必须使UG NX5.0软件上的零件模型导出，具体操作过程是打开图形后，选择：“文件”→“导出”→“STL…”，即将选定的模型实体和片体导出到STL(立体模板)文件。这STL文件格式是一种将CAD实体或片体模型进行三角化处理后的数据文件格式，因此该文件格式是三维扫描、三坐标测量、逆向工程、快速成型(三维打印)和三维检测等设备中常用的文件格式，各种CAD软件都支持这种文件格式，在快速成型机中通过快速成型软件导入该文件格式实现三维打印能方便、快捷地制造出CAD逼近实物模型。
在UG NX5.0软件导出STL文件中，还注意将选择的模型的输出类型(选择二进制确保数据完整不会丢失)、三角形公差、相邻公差及生成方式进行必要选择和处理，以上数据处理完后保存文件。
2.3 三维打印
CAD模型数据处理过后的STL文件必须通过快速成型软件的导入和处理才能控制快速成型机实现模型的三维打印。本项目产品零件采用了北京殷华快速成型设备及其Aurora软件，下面将整个操作流程做简要说明。
(1)在启动设备和打开Aurora软件后先将设备和软件实现连接，直至软件中弹出系统型号、系统序号和软件版本即可。
(2)三维打印初始化处理，该步骤是确定快速成型设备的坐标系统，以便准确地对CAD模型进行三维打印。
(3)数据模型的载入，熟悉Aurora软件的工作者可以分别通过菜单选择方式、快捷方式和鼠标方式完成对事先保存的“模型STL格式文件”载入。
(4)模型的布局，模型布局可以通过软件自动布局，通常布局应当使产品零件(一个零件)位于设备工作台的正中央且零件最大平面与工作台面接触为宜，这样可以减少辅助材料的支撑以及产品零件制造的质量。
(5)完成模型的布局后，可以对其进行检验、分解等环节，最重要的是对模型的分层，这些参数对模型的三维打印方式、精度、效率以及后置处理都十分重要，参数设置后可以通过该软件观察分层效果。若打印的模型零件要求精度不高，建议设置的厚度和计算梢度等参数数值不要太小，以免影响零件加工(打印)速度。
(6)完成以上的步骤之后，模型的STL文件数控程序的输入基本完成，之后对设备的温控、喷头、工作台高度、运行速度等进行设置，最后通过Aurora软件打印模型，实现数控程序控制快速成型设备对模型的三维打印。
3 相关建议
(1)在开发汽车智能天窗产品零件时需同时考虑后期批量生产的因素，因此零件造型所建的数字模型及快速成型件是以注塑模具的设计为依据，并作为验证模具制造的依据。
(2)目前快速成型制造技术(RPM技术)主要制造工艺有“熔融沉成形(Fused Deposition Model-sintering，SLS)、光固化成形(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、分层实体制造成形(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。每一种成形工艺也有不同，现在逐渐向金属、陶瓷和集合物等材料发展，但就目前快速成形材料的局限性，快速成型件多采用B601、ABS等材料。为此，在保证制造的快速成型件能满足研发产品特定功能的前提下。图1中机构各个部件理论上都可以通过快速成型制造技术来实现。
(3)一般中小型企业不具有研制产品的能力，主要局限在资源设备的缺乏，为此，本项目中所涉及到的快速成型加工是依托于企业周边高等院校来合作完成的，这既可以降低企业成本，也为高校院校合作提供平台，实现校企互赢。
4 结束语
(1)通过以上汽车智能电动天窗机构零件的快速成型制造(RPM)技术应用，由此可见，RPM技术对企业研制小批量产品，可缩短研发周期，并具有成本低、效率高等特点；可以说，RPM技术是产品研发从概念设计到验证产品功能实体模型最为快捷的制造途径。
(2)快速成型设备所使用的软件系统操作处理都比较简单，如北京殷华的Aurora软件，有利于工程技术人员迅速掌握，这对开发相应模具产品十分有利。
(3)虽然RPM技术具有快速制造的特点，但快速成型设备较昂贵，一般不是以研发产品为主的中小型企业很少以此昂贵设备和配套软件系统来研制产品，文中所提的项目是通过企业周边高校资源共同合作而成，这也是构建校企产、学、研合作平台的模式之一。(end)
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(11/17/2011) |
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