三维重建及3D打印在复杂钣金试制焊接工装中的实践应用

赵烨菊 徐宁 崔海林

摘要：三维重建及3D打印技术目前是较为前沿的技术，逐渐吸引了大众的眼球，成为国内外学者研究的重点。由于三维重建与3D打印技术与所需创造的物体结构复杂程度无关，所以现阶段我国创造出利用三维技术和3D打印技术形成成形块用于一种新型焊接定位的技术，从而达到高精度的定位和焊接，快速高效完成产品，提高产品质量，从而实现了现代汽车产业复杂钣金的快速高质量制造，三维重建及3D打印技术还可以应用于多方面焊接工作中，可以大幅度提高焊接精准度。

Abstract： Three-dimensional reconstruction and 3D printing technology are currently relatively cutting-edge technologies， which have gradually attracted the attention of the public and become the focus of research by domestic and foreign scholars. Since three-dimensional reconstruction and 3D printing technology have nothing to do with the complexity of the object structure to be created， at this stage， my country has created a new type of welding positioning technology that uses three-dimensional technology and 3D printing technology to form a shaped block to achieve high-precision positioning And welding， complete products quickly and efficiently， and improve product quality， thereby realizing the rapid and high-quality manufacturing of complex sheet metal in the modern automobile industry. Three-dimensional reconstruction and 3D printing technology can also be applied to various welding tasks， which can greatly improve welding accuracy.

關键词：三维重建;3D打印;复杂钣金;焊接工装

Key words： three-dimensional reconstruction;3D printing;complex sheet metal;welding tooling

中图分类号：P755.1                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0082-02

0  引言

在我国汽车领域行业中，汽车零件的批量生产前会经过一系列的试制环节，相对于正式批量生产来说，试制环节具有一套比较完整的流程，生产周期长，对其投入的资金力度大。但这些满足不了现代社会的需求，零件在批量生产的过程中，往往更希望达到快速、低成本、高质量的标准。因此，对零件生产采用三维重建和3D打印技术，可以进一步缩短复杂钣金的生产周期，降低了复杂钣金在生产时所花费的费用;采用三维重建和3G打印技术，对复杂钣金件进行生产，可以达到高效生产，低经济成本生产等一系列人们所追求的目标。下面通过用三维重建和3D打印技术在汽车仪表台金属管梁支架试制方面的应用为例，来探索三维重建及3D打印技术在复杂钣金试制焊接工装中的实践应用。

1  提出问题

1.1 对汽车仪表台管梁支架相关特点进行分析

在我国的汽车生产中，汽车的中控主仪表台的金属管梁支架，一般来说是连接了汽车的仪表板，在汽车中所有的指示开关和点火器的一个总控开关称为仪表板，同时仪表板也是汽车中部分设备的控制中心和装饰对象，仪表板一般在汽车中都比较显眼，为了让司机在驾驶中能够更加高效地观察到汽车的状况，也是整个汽车中最吸引驾驶员的地方，仪表板在发挥功能时，要借助管梁来连接汽车中多个设备从而来实现它所具有强大而复杂的功能，汽车的管梁支架一般为金属制造，金属管梁支架通常由一根圆管和围绕在它周围的一些零件组成，组合结构相对于其他来说较复杂，而且形状不是规律性的，这样子就为批量生产的时候带来了巨大的挑战。

1.2 汽车管梁支架在传统生产流程中所存在的问题

1.2.1 管梁支架在批量生产时一般所需的流程  在汽车生产的过程中对金属管梁支架在批量生产的时候，通常采用将各个部分的零件逐个开模冲压成形，然后再将各个部分的零件与中心圆管相结合，在中心圆管和各个部分的零件连接起来后，然后通过制造焊接夹具与工装对组装的各个接口进行焊接和定位，从而完成焊接。

1.2.2 管梁支架在传统制作的流程  管梁支架的传统制作流程与批量生产流程大体相同，传统的制作过程则需要对各个零件采用激光切割、钣金折叠、简易冲压等方式使之成型，在模具冲压成型后，再与中央圆管相连接，继而进行焊接从而达到定位的目的，这样的定位需要设计和制造出较为简易的焊接定位工装和夹具来进行定位，一般来说较为复杂，所制造出来的管梁支架效率较低。

1.2.3 传统和批量制作管梁支架中所存在的问题  在传统的批量制作管梁支架中，这样可以保证所制造管梁支架的焊接精度和高精度定位，但在焊接工装中所需花费的时间较长，延长了做工周期，影响了后续的生产进度，生产成本相对来说也较高。传统的批量生产在工装本身的设计和制造中占据了绝大部分时间和预算，从而加大了所需预算成本，这样的预算在试制项目中会增大开销，从而降低效率。这种传统制作方法只适合于那些大批量产品的焊接制造。而样品制造则需要缩短制造时间，降低制造成本，从而提高制造效率，而传统制造方法所需要花费的时间较长，预算较大，不适合样品制造。

2  解决问题

三维重建和3D打印技术通常来说是一种以数字模型文件作为基础，通过液态光敏树脂或塑料或金属粉末来进行粘合从而制造产品，是一种较为简便的制造产品方式。使用者可以通过逐层打印的方式来对所需构造的物体进行创造，简单来说就是在较短时间内通过花费较少的预算来进行加工产品或者制造产品的一种快速成型技术。在现代一些加工产品或者制造产品方面，三维重建和3D打印技术可以快速制造出任何形状的物体。在我国原型制造和工业设计领域上面，三维重建和3D打印技术得到了设计验证，随着该技术的发展，一些产品的直接制造方面上也使用此方法。在产生时，对产品质量也有着非常高的要求，需要采用简易模具冲压成形，钣金折弯、焊机等钣金加工工艺和流程，都需要单独完成，然后将每个零件焊接在中心圆管上面，保证轴向和圆周方向的精准焊接。

3  三维重建和3D打印技术在焊接定位方面上的探索历程

三维重建和3D打印技术可以快速成型，将三维重建和3D打印技术与传统焊接技术相结合，从而可以找到一种适合开发小部件或小批量复杂钣金试制的焊接新方法，接下来将以在汽车领域中对中控主仪表台金属管梁焊接来进行简单说明。

3.1 所需制造产品的要求

在我国汽车领域中，对金属管梁焊接的工作，通常要求在焊接中将各个部位的零件采用简易模具冲压成型的方法，进而通过钣金折叠，焊接与钣金加工使零件成型，然后将各个部位的成型零件与中心圆管相互焊接，在焊接过程中切要注意焊接的定位精度，从而保证轴向和圆周方向。

3.2 在焊接定位中所需的具体步骤

步骤一：在制造金属管的前期，要以中心圆管为基础数据设计模型，在设计过程中通过三维重建和3D打印技术将定位模型围绕中心圆管的形状制造出来，完成后将各个部分焊接的零件与中央圆管结合的轮廓曲面提取出来，进而生成相应的定位孔和定位槽，在生成的定位孔和定位槽面上，定位孔和定位槽的形状和位置要与零件设计位置上面的圆周和轴向相同，从而提高精准度。步骤二：将所设计好的模型数据导入，进而进行三维重建和3D打印，所采用的材料可以选取SLA光敏树脂，打印后则可以发现打印出的材料与所设计的数据几乎完全一致，各个零件上的定位孔和定位槽在圆周和轴向上的方向位置与各个部位的零件设计方面上的形状和位置几乎完全一致。步骤三：利用三维重建和3D打印技术打印出来的定位工装模型与中心圆管相套，再根据所打印出来的模型，使上面的定位孔和定位槽与中心圆管上的定位孔和定位槽装配对接，将需要焊接的各个零件，用螺丝或点焊的方式进行简单固定。步骤四：对定位模型工装进行破坏拆除。由于所用的材料是光敏树脂，极其容易破坏，在定位模型工装破坏后对每个金属零件进行补焊牢固，在补焊牢固之后就可发现原本较为复杂麻烦的部分也顺利完成。步骤五：进行产品焊接效果评估。产品在采用三维重建和3D打印技术试制完成生产后，主要需要对产品进行效果评估，对试制产品效果评估是对接下来批量生产的一个重要开端。将焊接好的金属管进行3D扫描，将扫描出来的云数据与最开始所设计的数据进行对比分析，通过对各个部分的误差进行测量分析，可以发现3D打印技术打印出来的试制产品，通过拟合检测，所采用3D打印技术，打印出来的零件与标准零件误差均小于一毫米，可以满足产品在规定误差内使用的要求，因此，使用三维重建和3D打印技术制造试制产品定位焊接方法应用成功。

4  结论

随着经济的高速发展和工业化的进程加速，“中国制造2025”相比美国“再工业化构想”、日本“工业智能化”和德国“工业4.0”等，我们不难发现目前全球先进制造业都聚焦在3D打印等方面。利用三维重建和3D打印技术打印，我国市场上开始大量需求，一些小批量、多样化、柔性化的产品，这些产品的生产由于生产数量较多，采用传统生产方式则可能导致时间周期拉长，產品的预算花费增加，这些都会降低实际生产效果，而生产周期、产品预算花费、生产效果等都是制约产品发展的重要因素。通过三维重建和3D打印技术对产品进行制造，可以很好的把控这些因素，进而满足工厂和市场对产品的需求。再通过对三维重建和3D打印技术的多次应用分析后可以发现三维重建和3D打印技术可以减少前期设计所需要的时间和成本，采用三维重建和3D打印技术，可以在半个小时或者数小时之内便可完成所需制造，进而大大缩短了制造时间，减少了花费标准，相比传统制造来说，大大节省了时间成本。三维重建和3D打印技术可以减少前期所需制备的设计量，在对产品进行3D打印和三维重建之前往往会进行数据设计，定位工装模型通常以产品数据作为根本，采用3D打印技术，可以直接提取所需焊接零件的特性和曲面数据进行加工，可以在较短时间内达到厂家生产的目的，大大减少了前期所需制备的设计量

三维重建和3D打印技术制造出的产品可以完全与设计数据相吻合，通过对三维重建和3D打印后的产品进行数据拟合分析可得，所制造出产品的数据与可用数据完美吻合，本方法适用于研发单个或少量生产样品，后期可以在其他钣金件焊接中进行推广，技术效应十分显著。

参考文献：

[1]阎雄伟.3D打印在复杂钣金试制焊接工装中的应用[J].模具制造，2019，19（11）：59-61.

[2]亢宁宁.石墨烯调控3D打印高强高孔隙率功能钛的研究[D].西安理工大学，2020.

[3]李政洁.基于3D打印模具的陶瓷静态螺旋切割器成型研究[D].江南大学，2020.

[4]王龙轩.铸钢分叉节点的拓扑优化设计与3D打印制造研究[D].河南大学，2020.

[5]胡支栋，李信丽.汽车钣金焊接质量研究[J].南方农机，2019，50（18）：47.

[6]马智，徐念.钣金加工组焊工艺分析[J].科学技术创新，2019（12）：153-154.

[7]周欣科，周成林.一种新型激光钣金焊接工艺与设备的开发[J].现代制造技术与装备，2017（10）：100-102.

[8]杨晓龙，李冰，刘鑫.钣金加工组焊工艺分析[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2017（02）：179-180.