汽車行業(yè)經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

近年來(lái)，3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展，其是一種快速成型技術(shù)，采用分層加工、迭加成形等方式生成3D實(shí)體，因而也稱之為增量疊層制造。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)不需要從毛坯上去除多余的材料，也不需要借助模具沖壓、焊接。若將該技術(shù)應(yīng)用在汽車零部件開發(fā)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)零部件原型的制造，則可以縮短開發(fā)周期。目前，將3D打印機(jī)應(yīng)用到汽車行業(yè)的主要阻礙在于3D打印機(jī)的制造成本較高，初始投資較高。為解決該問(wèn)題，通過(guò)分析3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)，盡可能降低其制造成本，制造經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)。

設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型3D打印機(jī)之前，需要對(duì)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程進(jìn)行分析。3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于長(zhǎng)絲擠出機(jī)、噴嘴和打印材料的選擇。長(zhǎng)絲擠出機(jī)能夠?qū)⒋蛴〔牧霞訜崛诨?，通過(guò)噴嘴噴出。應(yīng)用時(shí)，3D打印機(jī)需要與電機(jī)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型相結(jié)合?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)CAD模型對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而帶動(dòng)3D打印機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，打印出與CAD模型相吻合的原型。為降低3D打印機(jī)的制造成本，采用聚乳酸（PLA）材料作為打印材料。與常用的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）材料相比，其具有不含刺激性氣味、加工溫度較低、物理特性優(yōu)良、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。由于采用融化溫度較低的PLA材料，因此長(zhǎng)絲擠出機(jī)的加熱原件可直接采用電阻原件代替。噴嘴尺寸能夠表示3D打印機(jī)的分辨率，考慮不同零部件的復(fù)雜性不同，可設(shè)置多種不同的噴嘴。通過(guò)選擇不同噴嘴實(shí)現(xiàn)不同零部件的打印。

設(shè)計(jì)了一臺(tái)3D打印機(jī)原型，其采用一個(gè)6.2Ω的電阻原件、噴嘴直徑分別為0.3、0.4、0.6、0.8mm。采用比例積分微分（PID）控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，電源模塊采用一個(gè)額定電壓12V、電流30A的外部穩(wěn)壓電源。經(jīng)測(cè)試，該3D打印機(jī)能夠打印體積140× 280×100mm3以下的零部件。與同類型商業(yè)化3D打印機(jī)相比，成本降低了50%。

Farhan Javed et al.

SAE 2016-01-0325.

編譯：王祥