高暉，楊興，聶繼全，劉爽，陳博

(湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410082)

0 引言

汽車的輕量化成為當(dāng)今研發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，以復(fù)合材料替代鋼材被越來越多應(yīng)用在汽車零部件上，如翼子板、前端模塊、尾門、側(cè)門(SMART)等[1-3]。如果批量較小，如每年1 000件以下，由于模具成本高導(dǎo)致復(fù)合材料的零件成本較高。熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是，由于制件力學(xué)性能差、成本高制約了該技術(shù)的發(fā)展。

為了解決小批量復(fù)合材料尾門成本高問題，本文作者從3D打印可以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)展開輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)獨(dú)特的大型3D打印設(shè)備以大幅度降低制造成本等方面展開研究。

1 復(fù)合材料尾門的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)尾門一般由內(nèi)板、外板、多個(gè)加強(qiáng)板等組成，如圖1所示。復(fù)合材料尾門一般由內(nèi)板和外板組成，沒有加強(qiáng)板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 基于3D打印的尾門輕量化結(jié)構(gòu)

3D打印尾門輕量化結(jié)構(gòu)由3D打印尾門預(yù)埋骨架、3D打印尾門實(shí)體等組成。3D打印尾門預(yù)埋骨架設(shè)計(jì)圖如圖3所示，3D打印尾門實(shí)體如圖4所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)尾門

圖2 典型的復(fù)合材料尾門結(jié)構(gòu)

圖3 3D打印尾門預(yù)埋骨架設(shè)計(jì)圖

圖4 3D打印的尾門實(shí)體圖

生產(chǎn)及制作流程說明：(1)對車門數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)心化處理，并以3D打印成型工藝要求進(jìn)行分塊。(2)設(shè)計(jì)預(yù)埋管架結(jié)構(gòu)及過道。(3)提取數(shù)據(jù)并輸入3D打印機(jī)進(jìn)行車門板打印。(4)在3D打印過程中進(jìn)行骨架零部件的預(yù)埋。(5)組合拼裝3D打印件，并進(jìn)行骨架橫向及豎直管架焊接。(6)采用結(jié)構(gòu)膠、發(fā)泡材料填充骨架與3D打印制件的間隙。(7)表面處理、打磨拋光及上漆。

3D打印件在整個(gè)尾門系統(tǒng)中，主要起到以下幾點(diǎn)效果：(1)作為尾門內(nèi)外內(nèi)觀表面。(2)基于3D打印工藝的輕質(zhì)高強(qiáng)度空間胞結(jié)構(gòu)，可構(gòu)成具有較高整體強(qiáng)度輕質(zhì)門體。(3)基于3D打印工藝特點(diǎn)，其制件的尺寸精度較高，3D打印部件可作為內(nèi)骨架的工裝夾具，便于骨架的精確配裝焊接。

1.2 預(yù)埋骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D打印的尾門預(yù)埋骨架主要由鉸鏈安裝板及其支架、橫向預(yù)埋骨架方管、豎直深井直插骨架方管、端頭鎖緊端板以及鉸鏈安裝板組成。

鉸鏈安裝板及其支架主要用于加強(qiáng)車門鉸鏈局部剛度[9]，將開門扭矩及偏轉(zhuǎn)載荷均勻傳遞至整車門骨架及鎖體。解決3D打印件存在的局部強(qiáng)度不足問題，有效提升3D打印尾門鉸鏈位置的局部剛度及安裝精度。

豎直深井直插骨架方管主要用于貫穿3D打印部件，配合端頭鎖緊端板鎖緊固定3D打印部件，并有效保證組裝之后的打印件整體尺寸的穩(wěn)定性。

1.3 預(yù)埋件的工藝處理

預(yù)埋件與3D打印部件的配合安裝工藝是3D打印尾門制造中的技術(shù)難點(diǎn)。主要從兩方面提煉關(guān)鍵問題進(jìn)而解決：其一進(jìn)行預(yù)埋管道3D打印結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其二預(yù)埋件與3D打印件的表面工藝處理及中間間隙填充粘接。

典型的預(yù)埋管道上壁收縮口結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 3D打印預(yù)埋管道收縮口結(jié)構(gòu)

采用該結(jié)構(gòu)方案主要基于內(nèi)腔管道支撐無法拆除(熔融沉積的基本原理：一般3D打印件外延橋壁相對水平角度不宜小于60°，否則其側(cè)板堆積材料將形成墜絲，造成局部特征丟失。如3D打印件外延橋壁角度必須小于60°，一般設(shè)置支撐材料進(jìn)行托舉)。在上述預(yù)埋管道上壁收縮口結(jié)構(gòu)中，將原需設(shè)置支撐材料進(jìn)行托舉的水平面改為錐面收縮口，可免除支撐結(jié)構(gòu)。

尾門拼裝完成，其預(yù)埋件與3D打印構(gòu)建實(shí)質(zhì)由尺寸配合完成相關(guān)的定位卡裝，配合結(jié)構(gòu)膠及泡沫結(jié)構(gòu)膠填充，將內(nèi)置骨架與3D打印件緊密結(jié)合成一個(gè)整體。進(jìn)一步增加3D打印尾門的整體剛度及使用壽命。

2 超大尺寸3D打印專用裝備開發(fā)

采用3D打印機(jī)打印車載零部件，需解決以下幾點(diǎn)關(guān)鍵問題：(1)超大尺寸高速高精度定位；(2)高速高流量的3D打印擠出系統(tǒng)；(3)超大尺寸工作熱床系統(tǒng)；(4)多變量的工藝參數(shù)試驗(yàn)及調(diào)配；(5)打印過程監(jiān)控及接續(xù)打打印策略。

2.1 超大尺寸3D打印機(jī)專用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以小型運(yùn)載車尾門為例，其尺寸可達(dá)1 300 mm×1 100 mm×300 mm，需超大尺寸3D打印機(jī)才能有效完成相關(guān)生產(chǎn)。某司研發(fā)打印機(jī)可滿足大部分車載尾門及其他大部分汽車零部件的3D打印生產(chǎn)要求，如圖6所示。

圖6 研發(fā)獨(dú)特的大型3D打印設(shè)備

它具有以下關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)特征：(1)打印成型尺寸達(dá)到1 300 mm×1 100 mm×300 mm；(2)可以以120 mm/s速度精確定位±0.1 mm/300 mm；(3)雙模組三噴頭聯(lián)合打印；(4)支持顆粒擠出高速打印。

3D打印熔融沉積工藝常采用絲材卷料，一般常規(guī)卷為1 kg/卷，不超過5 kg/卷。而在大型車體零部件打印中，單次連續(xù)打印可超過8～15 kg。因此中途需暫停機(jī)器換置材料3～4次，且換置時(shí)間不可預(yù)測，極大地限制了3D打印的連續(xù)運(yùn)行效率。并且由于絲材料卷采用長絲纏繞料盤制作，導(dǎo)致絲材料卷在使用后期，料材卷曲程度過大，導(dǎo)致無法正常進(jìn)料，從而導(dǎo)致整個(gè)打印暫?；蚴?。

此3D打印裝置設(shè)計(jì)有顆粒擠出系統(tǒng)[4-8]，直接采用顆粒耗材進(jìn)行3D打印，只需定時(shí)進(jìn)行材料的投料補(bǔ)充即可保證整個(gè)打印時(shí)段的運(yùn)行連續(xù)性。同時(shí)由于螺桿擠出系統(tǒng)相對線材擠出系統(tǒng)加熱能力及擠出能力更強(qiáng)，因此螺桿擠出最大打印流量可達(dá)線材擠出系統(tǒng)的2～5倍。

同時(shí)顆粒擠出系統(tǒng)可大幅降低零部件制造成本，同質(zhì)量顆粒材料為線料價(jià)格30～50%。

此3D打印裝置設(shè)計(jì)有雙模組系統(tǒng)，即機(jī)臺擁有兩套運(yùn)行橫梁并可同時(shí)作業(yè)。因此搭配三組擠出噴頭系統(tǒng)，采用不同規(guī)格噴頭或材料同時(shí)打印。其典型應(yīng)用：一組精細(xì)小噴頭(0.4 mm)采用PLA材料打印產(chǎn)品外觀表面；一組精細(xì)小噴頭(0.4 mm)采用水溶性材料打印過渡支撐。額外一組模組單獨(dú)搭載顆粒擠出系統(tǒng)，采用大噴頭(1.2～2.0 mm)打印實(shí)體物理承載部位或支撐板。從而使3D打印既可具有良好的外觀表面，也能擁有良好的物理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，機(jī)器應(yīng)用范圍更廣，適用型更強(qiáng)。

2.2 超大尺寸3D打印機(jī)專用電控設(shè)計(jì)

為保證大尺寸零部件的穩(wěn)定打印運(yùn)行，此3D打印裝置進(jìn)行了深入地研究及控制策略研發(fā)：

(1)提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。自主開發(fā)控制主板，加入電磁抗干擾技術(shù)、電壓電流過載保護(hù)。并采取控制系統(tǒng)與執(zhí)行部件的信號保護(hù)隔離，對強(qiáng)弱電進(jìn)行繼電控制隔離。

(2)對各軸的運(yùn)動控制，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，保障運(yùn)行穩(wěn)定性。

(3)對各軸設(shè)置多重冗余限位保護(hù)。同時(shí)設(shè)置有光電高精度限位零位限位控制及機(jī)械限位整機(jī)斷電撞機(jī)保護(hù)。

(4)針對顆粒進(jìn)行多重材料檢測，從而針對不同材料儲量進(jìn)行策略制定。對外進(jìn)行預(yù)警、警報(bào)、待機(jī)、關(guān)機(jī)等行為處置。

(5)針對超大尺寸3D打印耗時(shí)長的特點(diǎn)，記錄打印位置，允許打印過程進(jìn)行暫停、關(guān)機(jī)，在此開機(jī)可繼續(xù)之前未完成的打印。

2.3 超大尺寸3D已授專利

3D打印機(jī)專利匯總?cè)绫?所示。

表1 3D打印機(jī)專利匯總

3 3D打印復(fù)合材料尾門性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)規(guī)范

3.1.1 尾門彎曲試驗(yàn)

通過專用夾具將尾門裝夾于試驗(yàn)臺架上，限制兩側(cè)緩沖塊位置自由度。鎖芯對應(yīng)外板施加X向300 N的載荷。測點(diǎn)位置加載點(diǎn)對應(yīng)內(nèi)板位置。

3.1.2 尾門扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

尾門鉸鏈通過專用夾具裝夾于開閉件剛度試驗(yàn)臺架上，限制門單側(cè)下角密封面位置的法向自由度，在非約束側(cè)的門下角密封面對應(yīng)外板位置施加300 N載荷，測點(diǎn)位于加載位置對應(yīng)的內(nèi)板位置(如圖7所示)。

圖7 彎曲剛度測試

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于同環(huán)境和設(shè)備情況下，通過統(tǒng)一施加300 N的載荷，測得位移量，從而擬合出剛度值，如表2—表3所示。

表2 3D尾門剛度試驗(yàn)結(jié)果匯總

表3 某款傳統(tǒng)車型鋼質(zhì)尾門剛度試驗(yàn)結(jié)果匯總

4 結(jié)論

通過3D尾門與某款傳統(tǒng)車型鋼質(zhì)尾門剛度數(shù)據(jù)結(jié)果分析[9-10]，可知3D尾門剛度數(shù)據(jù)與某款傳統(tǒng)車型鋼質(zhì)尾門數(shù)據(jù)基本一致，彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩者數(shù)據(jù)性能相當(dāng)。說明3D尾門滿足性能要求。