基于光固化快速成型技术的汽车换挡手柄成型研究

涂承刚 郭奕文

（常德财经中等专业学校 湖南·常德 415101）

1 立项背景和必要性

传统的汽车零部件成型方式有铸造、锻造、冷冲压、金属切削加工等，此类加工方式均需要模具和零件毛胚。在加工过程中通过去除材料的方式，使汽车零部件逐渐成型。通常情况下，此类成型过程较复杂，步骤较为繁琐，成本较高。

光固化快速成型技术是制造业领域迅速发展的一项新兴技术。与传统的制造技术相比，它不需要模具和毛胚，通过增加材料的方法并结合计算机图形学中的数据生成用户需要的物体，它的最基本的思想是“增材制造”。此技术与传统汽车零部件成型技术相比有以下好处：（1）降低了生产的成本。由于此技术不需要生产线，因此大大的降低了材料在生产过程中的浪费，导致成本的降低。（2）制造出传统生产线无法制造的外形。因为此技术是分层制造实体，能设计并生成很多的复杂实体。（3）在良好的设计概念和过程中，简化设计的过程，快速的生成出物体。

虽然这项技术在各个领域都在慢慢得到应用，但是在汽车零部件领域，这项技术的应用还不够广泛，而在国内更是处于一个起步状态。虽然已经有完全由3D打印技术制成的汽车的出现，但这在汽车行业只是少数，而使用光固化成型技术的地方更是少之又少，只是少量制造工厂在少量汽车零部件的设计和制造上使用这个新兴技术。因此，光固化快速成型技术在汽车零部件成型领域将会有巨大的应用价值。

2 国内外研究现状和发展趋势

光固化成型技术（SL/SLA），又可称为立体光刻成型技术。它主要采用液态光敏树脂原料，通过3D设计软件设计出三维数字模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，分层扫描固化叠加成三维工件原型。它能简便快捷的加工制造出各种传统加工方法难以加工制作的复杂的三维实体模型，在加工领域中具有划时代的意义。采用SLA技术制作的模型一般制作层厚在0.05至0.15mm之间，且成型的零件精度较高，表面质量较好，系统分辨率较高，并且可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的蜡模。

当前SLA技术的发展主要在如下几个方面：（1）数据处理软件性能越来越强。（2）激光技术的进步使成型速度大幅度提升，如成本更低、稳定性更高、寿命更长的紫外固体激光器的应用。（3）光敏树脂材料技术的进步使光固化成型技术应用的领域越来越广。例如，一种适用于消失铸造的低粘度光敏树脂，一种可直接用于加工注塑模具的高强度、高硬度、耐高温的复合光敏树脂。

3 主要研究内容

主要目标：对光固化快速成型技术在汽车换挡手柄成型领域中进行更深层次的探索。由于光固化快速成型技术在汽车零部件的领域的探索还处于初步阶段，所有的探索暂时只是停留在建模软件的优化和开发或者是打印材料和打印技术的开发和优化。对于在汽车领域的使用也暂时停留在概念汽车的设计或者是汽车的美学研究和汽车内饰的设计。本项目的研究能够在此空白领域进行一定的探索研究和创新，使光固化快速成型技术将来在汽车零部件的领域发挥其应有的作用，并且能够为大众所接受。此项增材制造的方式将会给制造业带来大幅度的节约成本的作用。

创新点：使用光固化快速成型技术生产汽车零部件。可以大幅度降低生产成本，对于小批量生产尤为明显；加快生产进度，避免了模具设计等大量的前期工作，可根据零部件三维模型直接打印生产；光固化快速成型技术可以最大限度的满足消费者的个性化需求。

我国的汽车零部件产业几乎都是依附汽车厂而存在的，制造方法也大多是比较传统的制作方法，比如：车削，铣削，刨削，磨削，镗削等。这些制造方式都是减材的制造，在制造的过程中将要浪费大量的材料，另外，假如在加工过程中出现失误，那么结果就只能是报废。这些方式都将会造成大量的资源浪费。如果是采用模具制造的话，那么制作模具也会要消耗大量的时间。而且，传统的设计也需要在不断的失败之中才能得到最后成功的零件，这其中消耗的人力物力也不少。

对于中国目前的状况来说，中国正打算由“工业大国”转向“工业强国”，而光固化快速成型技术可以一定程度上加快中国目前的制造业由传统机械或手工制造转向智能化的进程。使得我国的工业领域能够和信息领域进行更加深层次的融合，提升我国的工业实例和竞争力。

本项目的技术关键：（1）光固化材料技术。光敏树脂材料对光固化成型的应用至关重要，其直接决定了光固化快速成型技术的应用价值；不同的光敏树脂性能区别大，用途广泛；本项目所研究的汽车换挡手柄需要疲劳强度高、性能稳定的光敏树脂材料。（2）激光技术。激光器的功率直接决定了光固化的成型速度；当前激光器还存在使用寿命不长的缺陷有待改善；光固化快速成型技术的广泛应用还有待激光器的小型化。

4 项目技术路线和组织实施

技术路线：（1）经过讨论后，确定所研究的汽车零部件。（2）设计出所需产品或零件的计算机三维数据模型；然后根据光固化快速成型技术的工艺要求，按照一定的方式将该模型离散为一系列有序的二维单元，即将原来的三维模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；由成型系统将一系列二维层片自动成型的同时进行相互粘结，最终得到所需的三维物理实体或功能制件。（3）检测光固化快速成型的零件质量。（4）比较光固化快速成型技术和传统成型方式在特定汽车零部件制造方面的优缺点。

组织实施：（1）资料收集。查阅光固化快速成型技术在汽车部件成型应用方面的文献和研究成果；召开3D打印专业教师座谈会，对光固化快速成型在汽车部件成型应用方面的可行性、优势、不足之处进行讨论。（2）研究探索。研究光固化快速成型技术可应用于哪些汽车零部件的成型制造，及其与传统成型制造方式的比较。（3）实验验证。数据准备。首先利用CAD软件（UG、Inventor等）对汽车换挡手柄进行实体建模，然后将模型导出成STL标准文件格式，然后在快速成型机配套的数据处理软件直接打开STL文件并进行数据处理。主要是进行零件造型方向和支撑设计，分层处理；然后在光固化快速成型机上快速制造产品模型，设定打印参数，并检验光固化快速成型的汽车挡把手柄质量是否能满足实际需求。（4）整理研究资料，申请外观造型专利。

5 市场需求预测及相关产业发展的促进与带动作用

根据美国P＆S市场研究中心近日发布的市场研究报告，2017年全球3D打印市场价值为85.836亿美元，年增长率为24.6%。预计到2023年，全球3D打印市场价值预计将达到318.63亿美元。目前，3D打印技术的应用行业主要集中在工业产品的样件制作领域，如家电、模具、玩具、汽车等新产品，新工艺品的开发与包装，以及外观要求较高的零部件或元器件的快速加工与制作。当前，国内企业3D打印设备条件有限，仅对于单个小批量的3D打印的原形件的有一定需求量。但是工业领域中快速成型生产方式已渐渐应用，市场需求进一步加大。

本项目所研究的光固化快速成型技术主要用于汽车部件成型，汽车行业市场需求广泛，特别是DIY定制及汽车改装市场前景广阔、客户需求增长迅速。本项目所研究的使用光固化快速成型技术生产汽车零部件技术迎合市场的发展方向，对汽车零部件换挡把手进行工艺设计，先进的光固化快速成型技术不需要单独设计模具，可以大幅度降低生产成本，适于消费者DIY定制、汽车个性改装等小批量生产；加快生产效率，根据消费者的需要设计零部件挡把手三维模型直接打印生产使用，可以最大限度的满足消费者的需求。以先进的光固化快速成型技术来推动汽车行业的发展，带动相关汽车多样化产业的发展。

6 对环境的影响及预防治理方案

本项目所研究3D打印机的光固化成型主要使用液态光敏树脂作为材料，原材料的利用率将近100%。但是原材料为液体树脂，在固化过程中，会少量挥发一部分化合物，这些化合物的浓度显著的低于监管机构规定的上限。后续处理将3D打印产品浸没在腐蚀性的液体中进行浸泡一段时间。这个过程还可能需要用到刷子、镊子等工具辅助，建议使用丁腈橡胶手套，防溅挡板，面罩和防护眼镜(CMU)进行防护。治理方案是将废水送入梯级温差浓缩装置进行废水的浓缩与分离的方式。

噪音方面，3D打印机附近的噪声等级符合职业安全与卫生局相关标准要求。3D打印机的外部噪音平，内部噪音大约符合职业安全与卫生局低于85分贝的要求。

光固化快速成型技术的汽车换挡手柄成型研究，这一新的生产工艺，不需要传统的刀具、机床、夹具，便可快速而精密的制造出复杂形状结构的零件，在新产品生产前期的设计、评价、修改阶段，发挥着重要作用，大大缩短了产品开发周期，加快了产品更新换代的速度，特别是在汽车零部件改进生产上，发挥了突出作用。