汽车行业经济型3D打印机的设计与开发

汽车行业经济型3D打印机的设计与开发

近年来，3D打印技术得到了快速发展，其是一种快速成型技术，采用分层加工、迭加成形等方式生成3D实体，因而也称之为增量叠层制造。与传统的制造技术相比，3D打印技术不需要从毛坯上去除多余的材料，也不需要借助模具冲压、焊接。若将该技术应用在汽车零部件开发过程中，实现零部件原型的制造，则可以缩短开发周期。目前，将3D打印机应用到汽车行业的主要阻碍在于3D打印机的制造成本较高，初始投资较高。为解决该问题，通过分析3D打印机的结构，尽可能降低其制造成本，制造经济型3D打印机。

设计经济型3D打印机之前，需要对3D打印机的结构和工作过程进行分析。3D打印机的设计关键在于长丝挤出机、喷嘴和打印材料的选择。长丝挤出机能够将打印材料加热融化，通过喷嘴喷出。应用时，3D打印机需要与电机和计算机辅助设计（CAD）模型相结合。控制系统根据CAD模型对电机进行控制，进而带动3D打印机的转动，打印出与CAD模型相吻合的原型。为降低3D打印机的制造成本，采用聚乳酸（PLA）材料作为打印材料。与常用的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）材料相比，其具有不含刺激性气味、加工温度较低、物理特性优良、成本较低等优点。由于采用融化温度较低的PLA材料，因此长丝挤出机的加热原件可直接采用电阻原件代替。喷嘴尺寸能够表示3D打印机的分辨率，考虑不同零部件的复杂性不同，可设置多种不同的喷嘴。通过选择不同喷嘴实现不同零部件的打印。

设计了一台3D打印机原型，其采用一个6.2Ω的电阻原件、喷嘴直径分别为0.3、0.4、0.6、0.8mm。采用比例积分微分（PID）控制器对电机进行控制，电源模块采用一个额定电压12V、电流30A的外部稳压电源。经测试，该3D打印机能够打印体积140× 280×100mm3以下的零部件。与同类型商业化3D打印机相比，成本降低了50%。

Farhan Javed et al.

SAE 2016-01-0325.

编译：王祥