汽车车身3D打印系统方案设计

汽车车身 3D 打印系统方案设计 Automobile 3D Printing System Design 摘要 摘要 3D 打印被誉为 第三次工业革命 的核心技术 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的前沿技术 有着非常 优越的应用潜质 本文将就 3D 打印展开讨论 并就 汽车车身 3D 打印 作为 重点 设计一个制造系统的实施方案 此外 本文还将针对 3D 打印中所遇到的 最主要的问题讨论起解决方案 Abstract 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 关键词 关键词 3D 打印 汽车车身 熔融沉积成型 一 一 3D3D 打印概述打印概述 3D 打印 是根据所设计的 3D 模型 通过 3D 打印设备逐层增加材料来制造 三维产品的技术 这种逐层堆积成形技术又被称作 增材制造 传统数控制造 一般是在原材料基础上 使用切割 磨削 腐蚀 熔融等办法 去除多余部分 得到零部件 再以拼装 焊接等方法组合成最终产品 而 增材制造 与之不 同 无需原胚和模具 就能直接根据计算机图形数据 通过增加材料的方法生 成任何形状的物体 简化产品的制造程序 缩短产品的研制周期 提高效率并 降低成本 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 与化学等诸多领域的前沿技术 是快速成型技术的一种 被誉为 第三次工业 革命 的核心技术 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 术的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 过程不仅将推动一批新兴产业诞生与发展以替代已有产业 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的重要变革 最终使人类进入生态和 谐 绿色低碳 可持续发展的社会 这次科技革命不仅极大地推动了人类社会 经济 政治 文化领域的变革 而且也影响了人类生活方式和思维方式 使人类 社会生活和人的现代化向更高境界发展 二 二 3D3D 打印技术现状和发展趋势打印技术现状和发展趋势 1 1 技术现状 技术现状 3D 打印技术经过超过半个世纪的不过改良 已经发展衍生出了 很多打印技术 如 光敏固化成型 StereoLithography Appearance SLA 熔 融沉积成型 Fused Deposition Modeling FDM 选择性激光烧结 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的总体态势看 我国与国外技术发展差距近 10 年 处在 不同的发展时期 这与研发者的学术敏锐 研发模式及国家层面的重视有关 右图是各国在 3D 打印技术应 用的市场份额 不难看出 我国已 经能够在这个庞大的市场中占据一 席之地 但是 目前 我国 3D 打 印产业处于起步阶段 存在一系列 影响 3D 打印产业快速发展的问题 如 缺乏宏观规划和指导 科研投 入不足 产业链缺乏统筹发展 综合以上科研领域和市场份额 的对比 我们可以得出结论 我国 需加强政策扶持 加大研发投入 不断进行技术研发创新 逐步向产 业化迈进 缩小与国外的差距 2 2 3D3D 打印机的发展前景打印机的发展前景 3D 打印机的应用对象可以是任何行业 只要这些行 业需要模型和原型 以色列的 Objet 公司认为 3D 打印机需求量较大的行业包 括政府 航天和国防 医疗设备 教育以及制造业 根据国际快速制造行业权 威报 WohlersReport2011 发布的调查结果 全球 3D 打印产业产值在 1988 2010 年间保持着 26 2 的年均增长速度 报告预期 3D 打印产业未来仍 将持续地增长 到 2016 年 包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到 31 亿美元 2020 年将达到 52 亿美元 但 3D 打印技术要进一步扩展其产业应用空 间 目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战 一是成本方面 现有 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 目前 3D 打印的成型材料多采用化学聚合物 选择的局限性较大 成型品的物理特性较 差 而且安全方面也存在一定隐患 三是精度 速度和效率方面 目前 3D 打印 成品的精度还不尽如人意 打印效率远不适应大规模生产的需求 而且受打印 机工作原理的限制 打印精度与速度之间存在严重冲突 四是产业环境方面 3D 打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散 制造业面对的盗版风险大增 现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求 Gartner 公司 2011 年发 布的最新技术发展展望报告判断 3D 打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶 段 其技术还有待充分成熟 主流市场也有待进一步培育 Gartner 公司研究 人员认为 3D 打印技术成熟到适应市场需求还将需要 5 10 年的时间 在这一 段较为漫长的发展过程中 产业可能会面临增长期望落空 技术遭遇瓶颈以及 投资撤离等风险 总之 从中长期来看 3D 打印产业具有较为广阔的发展前景 但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离 因此 现阶段产业界对 3D 打印领域的 投入应以加强创新研发 技术引进和储备为主 尤其要重视自主知识产权的建 设和维护 争取在未来的市场竞争中占据有利地位 3 3 3D3D 打印技术未来发展的最主要趋势打印技术未来发展的最主要趋势 随着智能制造的进一步发展成熟 新 的信息技术 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 也将被推向更高的层面 未来 3D 打印技术的发展将体现出精密化 智能化 通用化以及便捷化等主要趋势 提升 3D 打印的速度 效率和精度 开拓并行打 印 连续打印 大件打印 多材料打印的工艺方法 提高成品的表面质量 力 学和物理性能 以实现直接面向产品的制造 开发更为多样的 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可能成为今后研究与应用的又一个热点 3D 打印机的体积 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 一体化的需求以及家庭日常应用的需求 软件集成化 实现 CAD CAPP RP 的一 体化 使设计软件和生产控制软件能够无缝对接 实现设计者直接联网控制的 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 域的创造性应用 三 汽车车身三 汽车车身 3D3D 打印系统方案设计打印系统方案设计 1 1 设计目标 设计目标 采用 3D 打印方法打印出汽车车身 车身能够具有良好的各方面 性能 包括承载汽车内部各种零件已经汽车驾驶员及乘客 能够保证强度不会 过于脆弱或者结构过于不稳定 同时 打印系统具有良好的抗干扰能力 能够 一定程度上应用于工业生产 并且打印具有可以接受的精度 其次 车身打印 要能够在精确的掌控范围以内 能够通过数字化控制手段满足各种造型的打印 要求 最后 打印成本不能过于昂贵 考虑经济方面的因素 2 2 设计思路 设计思路 第一 选择合适的打印材料 目前 3D 打印材料主要包括工程 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 的要求不低 所以普通工程塑料并不能满足条件 同时 材料又要又良好的热 塑性 故模仿美国亚利桑那州 Local Motors 公司的电动汽车 Strati 的碳纤维 混合材料 ABS 保证了打印原料的良好热塑性 碳纤维保证车身能够有足够的 强度 第二 选择合适的打印技术实现 3D 打印 目前 主流的 3D 打印技术有敏固化 成型 StereoLithography Appearance SLA 熔融沉积成型 Fused Deposition Modeling FDM 选择性激光烧结 Selective Laser Sintering SLS 分层实体制造 Laminated Object Manufacturing LOM 等等 其它的还 有的技术手段在这里不再一一赘述 列举的四种 3D 打印技术中 SLA 和 SLS 能 够有很高的精度 但是价格过于昂贵 故不在考虑的范围以内 而发明应用 LOM 的公司已经退出了 3D 打印的行业 LOM 是一种基本不再使用的打印技术 与其他三项比较 FDM 是一项成熟的强大的又相对廉价安全的 3D 打印技术 因 此在本次系统方案设计中采用 FDM 热塑挤压 第三 选择合理的模型构建软件 由于 3D 打印汽车车身并不需要扫描一个现有 的车身并实现复制 故这个模型构建软件只需要能够实现设计并且将设计转化 为数字化的模型就可以达到目的 目前 3D 打印软件开发公司站主导地位的是 Autodesk 和 Dassault Systemes Autodesk 的 AutoCAD 软件和 Dassault Systemes 的 SolidWorks CAD 软件是目前使用率很高的 3D 打印软件 它们都能 够输出 STL 文件格式的文件 实现通过程序直接控制 3D 打印机 但是 上述 的两款软件学习起来过于复杂费时 而且这两款软件的价格过于昂贵 因此这 次设计中选用 Trimble Navigation 的 SktechUp 第四 3D 打印机 国内的 3D 打印企业多如牛毛这里不一一赘述 国外最知名 的 3D 打印机制造商是 3D Systems 和 Stratasys 打印汽车车身需要不同于一 般的 3D 打印机 所以只能采用订制的办法 这里无法给出具体的型号 只能根 据需要打印的汽车车身需要来确定具体的 3D 打印机所需要的参数 3 3 系统工作原理 系统工作原理 见下面的程序框图 4 4 控制方法 控制方法 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 达到控制目的 成形中采用的三维 CAD 模型以 STL 格式文件 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 同时两种传感器实时测量喷头温度和工件打印的厚度 发现异常 立刻以原先程序设定的方案进行修正 5 5 系统特点 系统特点 第一 个性化 能够根据使用者的需求设计不同的车身造型 第 二 实时性 两个负反馈传感器保证系统能够实时修正打印中的误差 第三 经济性 系统设计时均采用了最经济合理的方式 最大限度的降低了成本消耗 CAD 程序设计 运动控制程序 红外测距传感器 信号采集处理板卡 打印机 机器人 控制器 温度传感器 送丝机 工件 四 四 3D3D 打印表面成形质量和精度的检测和控制打印表面成形质量和精度的检测和控制 1 检测方法检测方法 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有关系 因此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单 在喷头处设计一个温度传感器和拥有加热及 冷却功能的温度控制器 由于要使得 3D 打印原料处在半流体的状态有一个具体 的范围 只需要在负反馈中设计一个保准温度 温度传感器一旦检测到喷头的 实时温度与标准温度超过一个固定的差值 立刻采取加热或者冷却 保证碰头 的温度使得 3D 打印原料一直处于半流体的状态 第二 工件 被打印层 冷却 速度需要经过精密的计算 设计一个保证不会产生很大体积缩小的标准冷却速 度 冷却的速度的实现可以通过一个恒温箱实现 由于碰头温度已知 材料的 散热性能可以测量 控制材料冷却环境的温度就能实现对工件 被打印层 冷 却速度的控制 第三 单次表面厚度的误差 这里的检测有点困难 但是我可 以提出一个认为可行的方案 在工件加工表面上方设计一个红外测距传感器 保证很高的测量精度 误差不能超过单层打印厚度的 5 即达到 m 级 每次根据固定高度减去测量的与加工表面的距离判定单层的厚度 出现误差立 刻进行修正 这里的修正方案有两种 其一 若红外传感器位置固定 那么要 多设置几个 在碰头下一层的加工中增加或减少单层厚度 这种方法存在一个 不太科学的假设就是喷头在单层的加工中加工的厚度是一样的 不能避免单层 中出现厚度的波动 其二 若红外传感器与喷头固定 那么可以实现实时修正 已经发现单层厚度出现误差 立刻进行修正 这种方法会很大程度的降低打印 的速度 2 2 信号采集方式 信号采集方式 本实验中使用两个传感器采集一个温度信号和一个距离信号 第一 红外测距仪 要求精度要高 灵敏性高 第二 温度传感器 由于本系 统中对温度的稳定性有很高的要求 所以要求传感器的精度和灵敏性要很高 故选用接触式热电偶进行温度的测量 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处理板卡进行处理 3 3 滤波和信号处理方式 滤波和信号处理方式 实际生产环境中通常有许多干扰因素 如 供电电压 的波动 其他设备频繁启动或负载波动对电网的干扰 环境温度的变化 电磁 干扰等等 本次设计的系统中存在两个信号 一个是距离 一个是温度 两者 的数值稳定性较好只会有很小的变化 可以采用限幅滤波法 克服由仪器外部 环境偶然因素引起的突变性扰动 限幅滤波法依赖已有的时域采样结果 将本 次采样值与上次采样值进行比较 若它们的差值超出允许范围 则认为本次采 样值受到了干扰 应予剔除 对于供电电压的突变 电磁干扰或者是设备突然启动而引起的较大的脉冲信号 采用基于拉依达准则的奇异数据滤波 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 所对应的剩余误差 Vi 3 则认为该 Xi 为坏值 予以剔除 具体步骤为 1 求 N 次测量值 X1 至 XN的算术平均值 2 求各项的剩余误差 Vi 3 计算标准偏差 4 判断并剔除奇异项 Vi 3 则认为该 Xi为坏值 予以剔除 4 4 控制方式 控制方式 在本学期的课程中 我们知道通过使用闭环控制系统可以有效的 控制出现的误差 信号从输入端到达输出端的传输通路为前向通路 系统的输 出量经过测量元件反馈到输入端的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 此外还有局部反馈回路 本次的系统设计中就采用了负反 馈闭环控制系统 希望可以达到控制误差的目的 五 预期创新点 关键技术及其解决方案五 预期创新点 关键技术及其解决方案 1 1 3D3D 打印原材料打印原材料 根据前文所述 目前 3D 打印材料主要包括工程塑料 光 敏树脂 橡胶类材料 金属材料和陶瓷材料等 3D 打印所用的这些原材料都是 专门针对 3D 打印设备和工艺而研发的 与普通的塑料 石膏 树脂等有所区别 其形态一般有粉末状 丝状 层片状 液体状等 通常 根据打印设备的类型 及操作条件的不同 所使用的粉末状 3D 打印材料的粒径为 1 100 不等 而 为了使粉末保持良好的流动性 一般要求粉末要具有高球形度 本次系统中采 用的是 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不足的 打印出的汽车车身并不能满足很高的时速要求 因此 在 3D 打印原料这一方面 仍旧有很大的提升空间 如果能够将金属粉末用于 FDM 也就是 FDMm 并且能 够使得金属在打印之后依然能够维持良好的晶体性能 同时还要解决金属打印 的体积收缩问题 这个关键的技术就在于如何控制冷却速度和找出适合 3D 打印 的合金成分 2 误差控制系统误差控制系统 根据前文所述 采用闭环负反馈控制系统能够一定程度的减 少误差 但是 文中所述的检测方法还存在有待商榷的地方 同时 在保证误 差检测能够完成的情况下 如何对误差进行修正也值得斟酌 这里的关键技术 就在于程序的编写 需要有专业的程序编写人员参与软件的修正 3 喷头的机械设计喷头的机械设计 从各类文献和上述我们可以明确的认识到 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的作用 这里 的关键技术在于 第一 能够保证喷头喷出的 3D 打印原料温度就是传感器测量 的温度 就是说保证喷头内 3D 打印原材料温度的均匀性 同时 由于喷头内需 要安装加热和冷却装置 所以也要保证它们对喷头内 3D 打印原材料温度改变的 均匀性 就这一点 我认为可以把喷头设计成为两个腔体 一个为温度修正腔 一个绝热腔 前者用以修正温度的误差 后者直接快速用于喷吐原料 第二 能够保证喷头 3D 打印原材料喷射速度的稳定性 也就是能够保证在没有干扰的 环境中 碰头不会出现负反馈能够发现的误差 降低系统运行的负担 第三 喷头的稳定性和走位精确性 这点主要是通过完善机器人的机械控制得以实现 4 4 智能分层技术 智能分层技术 考虑到 FDM 技术如果单层厚度不够小的话会有明显的 台阶 状 表面特征 使得 3D 打印的出的汽车车身不能够满足需求 但是如果把每层 的厚度都设计的很小的话 又会严重的影响打印速度 这里我提出一个可行的 方案 在 3D 打印第一步数字化模型构建完成并选择完合适的打印方向之后 程 序智能识别打印边缘的曲率半径 并根据事先设定好的表格根据不同表面的曲 率半径使用不同的单层打印厚度 打个比方 如果表面 1 的曲率半径是 1000mm 就选择单层打印厚度为 0 1mm 如果表面 2 的曲率半径为 600mm 就选 择单层打印厚度为 0 12mm 这里的数据仅仅是假设 这个技术的关键就是要设 定一套合理的曲率半径与单层打印厚度的关系 数字化模型的曲率半径的获得 应该不存在很大的困难 六