1、Automobile3DPrintingSystemDesign摘要：3D打印被譽為“第三次工業革命”的核心技術，綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，有著非常優越的應用潛質。本文將就3D打印展開討論，并就“汽車車身3D打印”作為重點，設計一個制造系統的實施方案。止匕外，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-printingisknownasthecoretechnologyofthe"thirdindustrialrevolution".Itisacombinationofdigital

2、modelingtechnology,mechanicalandelectricalcontroltechnology,informationtechnology,materialsscienceandchemistryandmanyothercutting-edgetechnologies.Soithasaverysuperiorapplicationpotential.Inthisarticle,Iwilltalkabout3D-printinganddesignamanufacturingsystemandimplementationplanfor3D-printingforautomo

3、tivebody.Besides,thisarticlewillalsofocusonthemainproblemsof3D-printingandtheirsolutions.關鍵詞：3D打印汽車車身熔融沉積成型一、3D打印概述3D打印，是根據所設計的3D模型，通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術。這種逐層堆積成形技術又被稱作“增材制造”。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，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品。而“增材制造”與之不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品

4、的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，是快速成型技術的一種，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。“第三次工業革命”實質就是以數字制造技術、互聯網技術和再生能源技術的重大創新與融合為代表,從而導致工業、產業乃至社會發生重大變革,這一過程不僅將推動一批新興產業誕生與發展以替代已有產業，還將導致社會生產方式、制造模式甚至生產組織方式等方面的重要變革,最終使人類進入生態和諧、綠色低碳、可持續發展的社會。這次科技革命不僅極大地推動了人類社會經濟、政治、文化領域的變革，而且也影響了人類生活方式和思維方式,

5、使人類社會生活和人的現代化向更高境界發展。二、3D打印技術現狀和發展趨勢1、技術現狀：3D打印技術經過超過半個世紀的不過改良，已經發展衍生出了很多打印技術，如：光敏固化成型(StereoLithographyAppearance,SLA)、熔融沉積成型(FusedDepositionModeling,FDM、)選擇性激光燒結(SelectiveLaserSintering,SLS)、分層實體制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)。對比國內外專利申請記錄，如下圖：從國內外趨勢線上反映的總體態勢看，我國與國外技術發展差距近10年,處在不同的發展時期。這與研發者的學

6、術敏銳、研發模式及國家層面的重視有關。右圖是各國在3D打印技術應用的市場份額，不難看出，我國已經能夠在這個龐大的市場中占據一席之地，但是，目前，我國3D打印產業處于起步階段，存在一系列影響3D打印產業快速發展的問題，如：缺乏宏觀規劃和指導；科研投入不足；產業鏈缺乏統籌發展。綜合以上科研領域和市場份額的對比，我們可以得出結論：我國需加強政策扶持，加大研發投入，不斷進行技打研發創新，逐步向產業化邁進，縮小與國外的差距。2、3D打印機的發展前景：3D打印機的應用對象可以是任何行業，只要這些行業需要模型和原型。以色列的Objet公司認為，3D打印機需求量較大的行業包括政府、航天和國防、醫療設備、教育以

7、及制造業。根據國際快速制造行業權威報WohlersReport2011發布的調查結果，全球3D打印產業產值在19882010年間保持著%勺年均增長速度。報告預期，3D打印產業未來仍將持續地增長。到2016年，包含設備制造和服務在內的產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。但3D打印技術要進一步擴展其產業應用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰：一是成本方面，現有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難；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

8、打印成品的精度還不盡如人意，打印效率遠不適應大規模生產的需求，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；四是產業環境方面，3D打印技打的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業面對的盜版風險大增，現有知識產權保護機制難以適應產業未來發展的需求。Gartner公司2011年發布的最新技打發展展望報告判斷：3D打印技打目前正在進入概念炒作的高峰階段，其技打還有待充分成熟，主流市場也有待進一步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術成熟到適應市場需求還將需要510年的時間。在這一段較為漫長的發展過程中，產業可能會面臨增長期望落空、技打遭遇瓶頸以及投資撤離等風險?？傊?，從中長

9、期來看，3D打印產業具有較為廣闊的發展前景，但目前產業距離成熟階段尚有較大距離，因此，現階段產業界對3D打印領域的投入應以加強創新研發、技術引進和儲備為主，尤其要重視自主知識產權的建設和維護，爭取在未來的市場競爭中占據有利地位。3、3D打印技打未來發展的最主要趨勢：隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術的發展將體現出精密化、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、連續打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現直接

10、面向產品的制造；開發更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現CAD/CAPP/R的一體化，使設計軟件和生產控制軟件能夠無縫對接，實現設計者直接聯網控制的遠程在線制造；拓展3D打印技術在生物醫學、建筑、車輛、服裝等更多行業領域的創造性應用。三、汽車車身3D打印系統方案設計1、設計目標：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

11、車內部各種零件已經汽車駕駛員及乘客、能夠保證強度不會過于脆弱或者結構過于不穩定。同時，打印系統具有良好的抗干擾能力，能夠一定程度上應用于工業生產，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，能夠通過數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，考慮經濟方面的因素。2、設計思路：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LocalMotors公司的電動汽車Strati的碳纖維混

12、合材料，ABS呆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實現3D打印。目前，主流的3D打印技術有敏固化成型(StereoLithographyAppearance,SLA)、熔融沉積成型(FusedDepositionModeling,FDM)、選擇性激光燒結(SelectiveLaserSintering,SLS)、分層實體制造(LaminatedObjectManufacturing,LOM)等等。其它的還有的技術手段在這里不再一一贅述。列舉的四種3D打印技術中，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，而發明應用LO

13、M勺公司已經退出了3D打印的行業，LOM是一種基本不再使用的打印技術，與其他三項比較，FDM是一項成熟的強大的又相對廉價安全的3D打印技術，因此在本次系統方案設計中采用FDM(熱塑擠壓)。第三，選擇合理的模型構建軟件。由于3D打印汽車車身并不需要掃描一個現有的車身并實現復制，故這個模型構建軟件只需要能夠實現設計并且將設計轉化為數字化的模型就可以達到目的。目前，3D打印軟件開發公司站主導地位的是Autodesk和DassaultSystemes。Autodesk的AutoCAD件和DassaultSystemes的SolidWorksCADB件是目前使用率很高的3D打印軟件。它們都能夠輸出*.S

14、TL文件格式的文件，實現通過程序直接控制3D打印機。但是，上述的兩款軟件學習起來過于復雜費時，而且這兩款軟件的價格過于昂貴，因此這次設計中選用TrimbleNavigation的SktechUp。第四，3D打印機。國內的3D打印企業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3DSystems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。3、系統工作原理：見下面的程序框圖信號采集處理板卡打印機（機器人）4、控制方法：CAD軟件控制試教在線機器人，輔助以溫度

15、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真型以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，發現異常立刻以原先程序設定的方案進行修正。5、系統特點：第一、個性化：能夠根據使用者的需求設計不同的車身造型；第二、實時性：兩個負反饋傳感器保證系統能夠實時修正打印中的誤差；第三、經濟性：系統設計時均采用了最經濟合理的方式，最大限度的降低了成本消耗。四、3D打印表面成形質量和精度的檢測和控制1、檢測方法：3D打印表面成形質量與碰頭溫度控制、工件（被打印層）冷卻速度和單次表面厚度

16、誤差有關系。因此從這三個角度對問題提出嘗試解決方案。第一，噴頭溫度控制實現很簡單，在噴頭處設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有一個具體的范圍，只需要在負反饋中設計一個保準溫度，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。第二、工件（被打印層）冷卻速度需要經過精密的計算，設計一個保證不會產生很大體積縮小的標準冷卻速度。冷卻的速度的實現可以通過一個恒溫箱實現，由于碰頭溫度已知，材料的散熱性能可以測量，控制材料冷卻環境的溫度就能實現對工件（被打印層）冷

17、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%即達到仙m級），每次根據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的假設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厚度的波動）；其二，若紅外傳感器與噴頭固定，那么可以實現實時修正，已經發現單層厚度出現誤差，立刻進行修正（這種方法會很大程

18、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：由于本系統中對溫度的穩定性有很高的要求，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轉換過程都交給數據采集和處理板卡進行處理。3、濾波和信號處理方式：實際生產環境中通常有許多干擾因素，如：供電電壓的波動、其他設備頻繁啟動或負載波動對電網的干擾、環境溫度的變化、電磁干擾等等。本次設計的系統中存在兩個信號，一個是距離，一個是溫度，兩者的數值穩定性較好只會有很小的變化，可以采用限

19、幅濾波法，克服由儀器外部環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，應予剔除。對于供電電壓的突變、電磁干擾或者是設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據濾波。拉依達準則：當測量次數N足夠多且測量服從正態分布時，在各次測量值中，若某次測量值Xi所對應的剩余誤差V>3吟則認為該Xi為壞值，予以剔除。具體步驟為：（1）求N次測量值Xi至Xn的算術平均值；（2）求各項的剩余誤差V;（3）計算標準偏差一（4）判斷并剔除奇異項V>3（r,則認為該X為壞值，予以剔除

20、。4、控制方式：在本學期的課程中，我們知道通過使用閉環控制系統可以有效的控制出現的誤差，信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路為前向通路，系統的輸出量經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成主回路，此外還有局部反饋回路。本次的系統設計中就采用了負反饋閉環控制系統，希望可以達到控制誤差的目的。五、預期創新點、關鍵技術及其解決方案1、3D打印原材料：根據前文所述，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打印設備和工藝而研發的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片

21、狀、液體狀等。通常，根據打印設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。本次系統中采用的是AB第甫助以碳纖維強化。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。如果能夠將金屬粉末用于FDM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。這個關鍵的技術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：根據前文所述，采用閉環負反饋控制系統能夠一定

22、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。這里的關鍵技術就在于程序的編寫，需要有專業的程序編寫人員參與軟件的修正。3、噴頭的機械設計：從各類文獻和上述我們可以明確的認識到，要通過FDMft術手段實現3D打印，噴頭在整個3D打印過程中起到了至關重要的作用。這里的關鍵技術在于：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3D打印原材料溫度的均勻性，同時，由于噴頭內需要安裝加熱和冷卻裝置，所以也要保證它們對噴頭內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計成為兩

23、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定性，也就是能夠保證在沒有干擾的環境中，碰頭不會出現負反饋能夠發現的誤差，降低系統運行的負擔；第三、噴頭的穩定性和走位精確性，這點主要是通過完善機器人的機械控制得以實現。4、智能分層技術：考慮到FDM技術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打印第一步數字化模型構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，并根據事先設定好的表格根據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，如果表面2的曲率半徑為600mm，就選擇單層打印厚度為。這里的數據僅僅是假設，這個技術的關鍵就