快速成型技术在电动观光旅游车原型表现中的应用研究

赵震　路春光　任文营

摘要：

针对目前电动观光旅游车原型制作中存在的周期长、精度低、工作环境差等问题，通过对比分析快速成型技术与玻璃钢翻模技术的工艺特点，并在实际项目实践中对比两种工艺的优缺点，阐述和分析了采用快速成型技术对于电动观光旅游车原型制作方面带来的好处，从而提出了在电动观光旅行车原型制作中采用快速成型技术的可行性。

关键词：

快速成型技术 电动观光旅游车 造型设计 原型

中图分类号：TB476

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2015）02-0110-02

一 快速成型技术的概念

快速成型技术最早起源于19世纪末的美国，由于当时技术条件还不够成熟，直到20世纪80年代才得到进一步的发展和推广o它是集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术为一体的产品原型制造技术。该技术与传统的“减法”（CNC切削加工）加工工艺不同，它是一种“加法”制造方法，用不同的材料逐层叠加的方式建构起要加工的产品原型。具体的工艺过程是，首先依据设计出来的产品原型的三维模型图（文件为STL格式，Rhino、SolidWorks、CREO等工程软件均可以生成），经过格式转换后，形成分层的数据格式，获取各层载面的二维轮廓形状，然后按照这些轮廓形状，用激光束选择性地分别固化一层层的液态光敏树脂材料，或切割一层层的纸或金属薄片，或烧结一层层的粉末材料，也有的用喷射源选择性地喷射一层层的黏结剂或热熔性材料，形成各截面的平面轮廓形状，并逐步叠加成三维立体零件。由于该技术不需要采用传统的加工机床和模具，在原型制作上具有加工精度高、人力消耗少、效率高等特点，所以已成为在产品原型制作中广泛被采用的一项重要技术。

二 快速成型技术的分类以及性能特点

当前决速成型技术的工艺方法已有几十种，并且随着技术的不断革新与发展，新工艺、新方法还在不断出现，但目前主要工艺分为四种基本类型。

1 SLA工艺

SLA（ Stere0 1.thography Appearance）工艺全称为立体光固化成型法。其工艺过程是以光敏树脂为原料，在加工过程中，工作台表面浸在液体的光敏树脂中，一定功率的光照到光敏树脂表面，通过光聚合反应使其固化，一层固化完成后，工作台下降一定高度，重新覆盖一层树脂材料，光照固化新层，如此反复，直到零件完成。此工艺是目前技术最成熟，应用最广泛的一种快速成型技术。

2 LOM工艺

LOW（ Laminated Object Manufacturing）工艺全称为叠层实体制造或分层实体制造。其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料（如涂热敏胶的纤维纸，塑料薄膜，金属或者其他复合材料）加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料切割成该层面所要求形状，如此重复直到一层层叠加生成任意复杂形状的实体。

3 SLS工艺

SLS（ Selective Laser Sintering）工艺全称为选择性激光烧结。其工艺过程以金属、ABS塑料、陶瓷等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒铺设每一层粉状材料，在计算机控制下激光器发出的光束对每层粉末材料进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层撒上新的一层粉末，为下一次烧结做准备，直至完成零件的成型。

4 FDM工艺

FDM（Frequency Division Multiplexing）工艺称为熔融沉积制造，其工艺过程是以热塑性丝状材料为原料，通过加热器熔化丝状材料成液体，由计算机控制挤压头沿零件的的每一截面的轮廓运动，使熔化的材料通过喷嘴挤出，覆盖到截面上每一部分，并在1/10秒内快速凝固，逐渐形成一层造型。随后，挤压头沿轴向向上运动（距离大小依设备的运行精度有关）以进行下一层材料的构建，如此逐层由下到上堆积成一个产品原型或零件。

三 电动观光旅游车原型制作中常用的工艺方法

目前的电动观光旅游车原型制造中常用手糊玻璃钢方法和钢板冲压成型，但钢板冲压成型由于模具上的巨额投入，一般企业望尘莫及。手糊玻璃钢工艺加工容易，成本低，模具使用频率高，并能修复重复使用等优良性能，所以是目前此行业中比较适用的方法。其主要流程包括：原胎的制作、涂刷胶衣层、逐层糊制玻璃纤维层、脱模修整、批量加工原型、原型的表面处理、组装模型。

四 快速成型技術在电动观光旅游车原型中的应用案例

快速成型技术在目前的产品原型制作中是一种常用的加工方法，但在电动观光旅游车产品研发中应用不是很广泛，为此笔者依托第二代电动旅游观光车课题中原型的制作过程进行了尝试（如图1）。

1 三维数字模型：在三维软件中创建数字模型，常用的软件包括Rhino、Creo、SolidWorks等，快速成型机对于三维模型的格式无特殊要求。另外对于三维模型造型的曲面或者复杂度也无特殊要求，只要三维模型各个零件是完整的，都可以加工出来。

2 数字模型格式转换：将其他软件创建的三维模型文件转换成快速成型机能识别的文件格式，通常扩展名为.STL格式。

3 打印零件：快速成型机的控制软件根据三维模型的造型特点判断出模型的安置方式，并计算出打印消耗材料重量以及打印持续时间等信息。

4 零件的后处理：打印完成的原型或零件还不能直接使用，为了保证原型或零件的稳定性，打印过程中在原型或零件的周围需要额外打印支撑材料。打印结束后，需要去掉周边的支撑材料。并且喷涂之前需要对原型或零件表面进行打磨处理，用原子灰刮平表面需要处理的地方，然后用粗砂纸打磨掉突出部分，并用水砂纸对表面细磨处理，。

5 喷涂处理：对表面经过处理的零件或者原型进行喷涂，采用树脂专用油漆喷涂。

6 组装模型：把处理好的原型或零件根据设计要求进行组装。

五 快速成型技术与传统玻璃钢技术在电动观光旅游车原型表现中的优缺点分析

1 造型的可加工性

快速成型技术能加工任何复杂结构的零件或原型，不管是双曲面造型还是变化复杂的曲面均能加工：而传统玻璃钢技术在翻模过程中，很多复杂造型的原胎成型需要耗费很长时间，并且在脱模过程中不能出现一些影响脱模的结构。

2 原型的制作效率

快速成型技术在设备成型范围内可以同时加工多个零件或原型，从数字模型到实体零件只需几个小时到十几个小时即可完成，加上组装和表面处理的时间，也不过几天就可完成一套产品原型：传统玻璃钢技术从搭建产品原型骨架到翻模完成至少一个月甚至更长的时间。

3 原型的制作精度

采用快速成型技术加工的原型最高精度能达到微米级别，且不受加工次数影响；而传统玻璃钢技术的加工精度只能达到毫米级别，在翻模过程中受模具精度的影响，多次使用后无法保证制作出来的原型精度。

4 原型的制作成本

当前的快速成型技术采用的材料成本偏高，尤其树脂材料；而玻璃钢技术使用的材料成本较低，但如果再加上昂贵的劳动力成本，快速成型技术加工的原型与玻璃钢技术相比，性价比较高。

5 原型材料性能

目前的快速成型技术使用的材料多样，性能各有特点，根据原型的测试要求，能选择到合适的材料：相比玻璃钢材料的强度以及韧性，目前常用的树脂材料和ABS材料还不能与之媲美。

6 原型制作环境

快速成型设备工作环境干净卫生，对周边环境无污染：而玻璃钢加工过程中工作环境脏、乱、差不可避免，所采用的工业级树脂有刺鼻的气味，并刺激人的神经系统，玻璃纤维也对肺部存在安全隐患。

通过以上六个方面的对比分析，在电动观光旅游车原型开发设计中采用快速成型技术，不仅能大幅提高工作效率，而且原型的加工质量也能得到可靠保證。

六 快速成型技术在电动观光旅游车原型表现中的展望

快速成型技术在电动汽车行业中的应用还处于摸索阶段，该技术具有很多传统技术无法比拟的优点，比如加工高效性、精确性等，尤其在以工业设计师为主的产品开发过程中采用并行设计方法，缩短产品的开发周期方面具有广泛应用的价值，但目前也存在一些技术瓶颈，比如说快速成型采用的材料的成本较高、材料在强度和耐高温还有不足之处、打印完成后表面的后处理相对复杂。随着技术的不断改善与进步，以上问题会逐渐被攻克，快速成型技术在产品的原型制造中会有更好的应用。