葉 園，陳曉航

（武漢商學(xué)院，武漢 430056）

基于FDM的汽車維修工具3D打印技術(shù)研究

葉 園1，陳曉航2

（武漢商學(xué)院，武漢 430056）

隨著智能制造、控制技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展和提升，3D打印技術(shù)也被推向了一個(gè)更加廣闊的研究平臺(tái)。對(duì)3D打印技術(shù)在汽車維修中的應(yīng)用研究，正逐步向智能化、便捷化、通用化、個(gè)性化定制等多角度進(jìn)行。本文對(duì)3D打印技術(shù)中的一種成型技術(shù)-----FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積）在汽車維修工具中的應(yīng)用進(jìn)行了一定程度上的探索及研究，目的是如何能最有效地利用3D打印技術(shù)，從而為汽車維修行業(yè)服務(wù)。

FDM；3D打印技術(shù)；汽車維修工具

0 引言

3 D打印技術(shù)以其生產(chǎn)方式簡單、打印時(shí)間短、相對(duì)陳本低、主動(dòng)性和靈活性強(qiáng)、高效率、產(chǎn)品千變?nèi)f化等特點(diǎn)迅速進(jìn)入人們的視線，汽車行業(yè)也開始考慮如何充分利用其特點(diǎn)、發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，通過智能化和數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，使之為汽車維修行業(yè)帶來更高的生產(chǎn)效率和更大的發(fā)展空間。

1 3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中的研究現(xiàn)狀

目前，3D打印技術(shù)在學(xué)術(shù)界更多的研究重點(diǎn)被放在對(duì)3D打印計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)、新材料研制、3D打印機(jī)性能研發(fā)等方面。在汽車行業(yè)中，有3D打印技術(shù)對(duì)汽車零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、汽車流水線生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低等方面的研究，但是在對(duì)于汽車外部造型設(shè)計(jì)美學(xué)、汽車內(nèi)飾體驗(yàn)設(shè)計(jì)、智能化交互汽車設(shè)計(jì)、汽車制造、汽車維修等方面的科研成果和文獻(xiàn)很少，更缺少系統(tǒng)的理論研究和內(nèi)容框架。

2 3D打印技術(shù)的分類

3 D打印包括數(shù)字設(shè)計(jì)建模、切片處理、打印成型、打印后處理等步驟。其中，成型技術(shù)是3D打印技術(shù)中是最關(guān)鍵的部分，成型技術(shù)的優(yōu)劣直接影響著打印產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。目前，成型技術(shù)分為四種，分別為FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）、3DP（3Three Dimension Printing，3D噴射打印成型）、SLS （Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）及DMLS （ Dirce Metal Laser Sintering直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)）。

FDM成型技術(shù)由美國學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ΑBS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。

3 DP成型技術(shù)是由美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人于1989年研制成功。3DP成型技術(shù)與SLS成型技術(shù)類似，都是采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面而連接起來的。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，因此還須后處理。

SLS成型技術(shù)由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Deckard于1989年研制成功。SLS的加工過程是采用鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。

3 基于FDM的汽車維修工具的3D打印

3.1 FDM的工作原理

FDM的工作原理是：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層“畫出”截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成整個(gè)實(shí)體。

3.2 基于FDM的汽車維修工具的3D打印步驟

在汽車維修中，經(jīng)常需要用到各種各樣的工具，但購買的工具存在無法滿足某些零部件的特殊要求的情況，因此，我們可以利用3D打印技術(shù)，打印出滿足特殊需求的汽車維修工具。

下面以維修工具——扳手的打印為例，討論3D打印技術(shù)在汽車維修中的應(yīng)用方法?；贔DM的3D打印過程包括三維模型設(shè)計(jì)、切片處理、打印機(jī)參數(shù)的確定，實(shí)施打印及打印后的產(chǎn)品后處理等步驟。

3.2.1 三維模型設(shè)計(jì)

采用三維繪圖軟件Solidworks對(duì)扳手進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的扳手如圖1所示。

3.2.2 切片處理

進(jìn)一步觀察圖2不難發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出站及換乘客流時(shí)變特征存在差異. 以東直門站為例，3月5日早高峰出站、換乘客流均大于晚高峰，且換乘客流峰值均大于出站客流；早高峰進(jìn)站客流小于晚高峰. 此差異與客流潮汐現(xiàn)象有關(guān)，東直門站附近用地類型以商業(yè)區(qū)為主，屬于就業(yè)型區(qū)域，住宅區(qū)較少. 因此在早高峰，東直門是主要的出行吸引點(diǎn)，發(fā)生量明顯小于吸引量.

將設(shè)計(jì)好的三維模型轉(zhuǎn)換成STL文件格式，然后使用軟件Cura（Cura是一款智能的前端顯示、調(diào)整大小、切片和打印的軟件）對(duì)三維模型文件進(jìn)行切片，如圖2所示。

其中，圖2中包含的基本設(shè)置有：層厚0.2mm、壁厚0.8 mm、底部/頂部厚度0.8 mm、填充率20%、打印速度50 mm/s、噴嘴溫度220℃、熱床溫度70℃、耗材直徑1.75 mm、流量100%；圖2中包含的高級(jí)設(shè)置有：噴嘴直徑0.4 mm、反轉(zhuǎn)速度40 mm/s、反轉(zhuǎn)長度4.5 mm/s、初始層高度0.3 mm、初始層線寬比例100%、切除底部0 mm、移動(dòng)速度120 mm/s、底層打印速度20mm/s、層最小打印時(shí)間5sec等。

3.2.3 打印機(jī)參數(shù)的確定

打印機(jī)型號(hào)：森工MakerPi（創(chuàng)新派）系列；打印機(jī)參數(shù)包括：打印尺寸：200*200*300mm；打印層厚：0.05—0.3mm；打印材料：PLΑ/ΑBS/PHΑ/HIPS/PETG等；噴嘴直徑：0.4 mm；成型精度：±0.1—0.3mm；XY軸定位精度：0.0128 mm；Z軸定位精度：0.0025 mm；噴頭溫度：≤250℃；熱床溫度：≤120℃；ΑC輸入：200—240V 4.0Α/100—140V 7.0Α等。

3.2.4 打印

切片處理完成后，Cura軟件導(dǎo)出能被3D打印機(jī)識(shí)別的Gcode控制文件，將這個(gè)文件輸入到3D打印機(jī)中，3D打印機(jī)主板里固化的軟件開始讀取文件，并控制逐層打印，如圖3所示。

3.2.5 打印后處理

使用FDM成型技術(shù)打印出的產(chǎn)品無法直接使用，需進(jìn)行一定的后處理工作，包括拋光、噴漆、電鍍等。處理后成型的扳手如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文以扳手這個(gè)汽車維修工具為例，根據(jù)3D打印技術(shù)中FDM成型技術(shù)的的特點(diǎn)及步驟，按照三維模型設(shè)計(jì)、切片處理、打印參數(shù)的確定，實(shí)施打印及打印后處理等步驟進(jìn)行了試驗(yàn)生產(chǎn)，生產(chǎn)結(jié)果表明，基于FDM的3D打印技術(shù)打印出的汽車維修工具可滿足實(shí)際使用要求。

［1］吳懷宇.3D打印∶三維智能數(shù)字化創(chuàng)造［M］.北京∶電子工業(yè)出版社，2014∶17.

［2］王菊霞.3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究［D］.吉林大學(xué)，2014.

［3］谷祖威.3D打印技術(shù)對(duì)汽車零部件制造業(yè)的影響［J］.現(xiàn)代零部件，2013（09）∶68-69.

項(xiàng)目來源：武漢商學(xué)院2015年度校級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目《3D打印技術(shù)在汽車維修中的應(yīng)用研究》（2015KY009）

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.193

葉園（1983-），女，湖北武漢人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子技術(shù)、通信工程、自動(dòng)化控制。