汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：為探究3D打印技術(shù)在汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性、有效性。在闡述3d打印技術(shù)原理與特征基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車(chē)燈具結(jié)構(gòu)原理，面向其用戶(hù)需求多樣化、系統(tǒng)化、開(kāi)發(fā)周期縮短的發(fā)展趨勢(shì)，分別探討3D打印技術(shù)在汽車(chē)車(chē)燈概念設(shè)計(jì)、技術(shù)論證和直接制造等方面的應(yīng)用，并結(jié)合案例進(jìn)行了實(shí)踐比對(duì)。3D打印以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)制造有著重要的影響，隨著3D打印材料與工藝、軟件與設(shè)備的進(jìn)一步完善，必將助推汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

關(guān)鍵詞：3D打印；汽車(chē)燈具；快速原型；概念設(shè)計(jì)

引言

3D打印技術(shù)，又稱(chēng)增材制造，是根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化模型，通過(guò)3D打印設(shè)備逐層增加材料來(lái)制造三維產(chǎn)品的技術(shù)[1-2]。從原理上講，3D打印技術(shù)是基于“離散/堆積”的成型思想，先將三維數(shù)字化模型切片分層處理，再將模型沿高度方向上粘結(jié)疊加，采用逐點(diǎn)或逐層成型方法制造物理模型、模具和零件的先進(jìn)制造技術(shù)，是一種“等材”制造技術(shù)[3]。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車(chē)、航天航空、醫(yī)療、軍工、藝術(shù)設(shè)計(jì)等方面廣泛應(yīng)用前景。其中非金屬3D打印在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用尤為突出，以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表盤(pán)、汽車(chē)車(chē)燈等為對(duì)象，主要用于產(chǎn)品研發(fā)的概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證、生產(chǎn)制造、商務(wù)會(huì)展等階段，起到設(shè)計(jì)評(píng)審、功能驗(yàn)證、模具制造、展覽展示等作用。本文在闡述3D打印技術(shù)特征基礎(chǔ)上，分析汽車(chē)燈具的結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢(shì)，探討3D打印技術(shù)在汽車(chē)車(chē)燈設(shè)計(jì)各個(gè)階段的應(yīng)用可行性和有效性，并結(jié)合案例進(jìn)行了實(shí)踐檢驗(yàn)。

一、非金屬3D打印

3D打印技術(shù)是在CAD/CAM技術(shù)、機(jī)械工程、分層制造技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。根據(jù)材料的類(lèi)別可以分為金屬3D打印技術(shù)和非金屬3D打印技術(shù)，常見(jiàn)的非金屬3D打印技術(shù)主要包括光敏固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)體制造（LOM）、三維打?。?DP）、多頭噴射技術(shù)（Polyjet）等工藝，部分常用工藝特征如表1。由于不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維數(shù)據(jù)在3D打印設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀物體，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”，可以高效、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵軐?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思想的“忠實(shí)”的呈現(xiàn)；從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)手段。

二、汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)

汽車(chē)車(chē)燈既是重要的功能件又是重要的外觀件，從功能上看，承擔(dān)著照明（近光、遠(yuǎn)光、室內(nèi)照明等）、信號(hào)提示（示寬，制動(dòng)信號(hào)及轉(zhuǎn)向信號(hào)燈等）作用，是汽車(chē)與環(huán)境、汽車(chē)與人（行人、駕駛員）的重要溝通媒介。從工業(yè)設(shè)計(jì)視角來(lái)看，汽車(chē)車(chē)燈造型是汽車(chē)設(shè)計(jì)的點(diǎn)睛之筆，既是汽車(chē)重要的裝飾，又在很大程度上承載著當(dāng)下社會(huì)的經(jīng)濟(jì)狀況、汽車(chē)文化、審美觀念和制造水平[4]。

（一）汽車(chē)燈具構(gòu)造汽車(chē)車(chē)燈主要包括燈罩，內(nèi)燈罩、燈轂、燈框。透鏡反射鏡、電源燈泡等部件，如圖1所示。通過(guò)不同的方式連接后組成為完整的車(chē)燈。燈罩與汽車(chē)整體風(fēng)格匹配，從形態(tài)上與汽車(chē)前臉有機(jī)融合，承接車(chē)體外形平滑的過(guò)渡，具有：裝飾性強(qiáng)、透光性好、密封燈體等特性。前大燈的燈罩光學(xué)性能尤為重要，進(jìn)行過(guò)濾變色和折射，最后達(dá)到符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的光形和照度值。后尾燈一般都是單機(jī)能信號(hào)燈組合體，需要紅色和透明雙色相間。內(nèi)燈罩起結(jié)構(gòu)支撐作用，車(chē)燈的內(nèi)燈罩裝飾有花紋，對(duì)車(chē)燈增加了點(diǎn)綴的作用。但由于離光源較近，要耐高溫，通常外表面涂有真空鍍膜蒸發(fā)工藝制成的鋁，反射燈泡的亮度，提高照明的程度是燈泡自身的6000倍以上，且外觀漂亮。燈底座具有優(yōu)良的力學(xué)性能，耐低溫、耐磨損，尺寸穩(wěn)定性好，同其他材料的結(jié)合性好，易于涂層和鍍層處理，與不同材質(zhì)燈罩進(jìn)行連接。有些燈具的反射鏡直接設(shè)置在燈轂上，這樣可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重置，降低成本。反射鏡作為車(chē)燈的核心部分，決定了光形好壞與照度的高低。需要優(yōu)質(zhì)的表面處理，主要是真空蒸氣鍍鋁或是銀色噴涂，要求具有高剛性和高強(qiáng)度，良好的成型收縮及尺寸精度穩(wěn)定性。燈泡的亮度以及光線(xiàn)的射出方向直接決定了汽車(chē)照明的效果?，F(xiàn)階段的汽車(chē)的車(chē)燈燈泡HID氙燈、GDL氖燈、LED發(fā)光二極管等新光源，這些新光源代替白熾燈、鹵素?zé)舯贿\(yùn)用在新車(chē)上。汽車(chē)車(chē)燈設(shè)計(jì)融合電子技術(shù)，而新技術(shù)的采用，帶來(lái)了車(chē)燈結(jié)構(gòu)、造型等方面的一系列變化[5]。

（二）汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)趨勢(shì)從設(shè)計(jì)視角看，如圖2，車(chē)燈本身的設(shè)計(jì)主要包括功能、造型、結(jié)構(gòu)、光源技術(shù)方面的考量，而車(chē)燈作為汽車(chē)的重要配件之一，車(chē)燈的設(shè)計(jì)受到汽車(chē)品牌文化、整車(chē)風(fēng)格、價(jià)格定位以及車(chē)燈嵌入整車(chē)的方式影響。從汽車(chē)車(chē)燈發(fā)展來(lái)看，對(duì)車(chē)燈發(fā)展內(nèi)在推動(dòng)的力一方面來(lái)自外部的社會(huì)審美觀、品牌文化典型的變化在于車(chē)燈與整車(chē)的嵌入方式的創(chuàng)新。轎車(chē)車(chē)燈先后經(jīng)歷了外形筒狀的外置投射式前照燈模式、流線(xiàn)型內(nèi)置投射式、前照燈轉(zhuǎn)向燈霧燈組合一體式。今天，汽車(chē)發(fā)展速度達(dá)到了有史以來(lái)的最高程度，汽車(chē)車(chē)燈的發(fā)展也更加多樣化，無(wú)論是造型、光源都有了巨大的進(jìn)步，汽車(chē)燈具的發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化程度息息相關(guān)，每個(gè)時(shí)代的車(chē)燈造型代表了每個(gè)時(shí)代特有的審美觀[6]。從發(fā)展趨勢(shì)看：（1）用戶(hù)需求方面，車(chē)燈發(fā)展呈現(xiàn)高要求、個(gè)性化、迭代更新快的特點(diǎn)。（2）車(chē)燈本身方面，呈現(xiàn)一體化，系統(tǒng)化趨勢(shì)。光源的革命，同時(shí)也帶來(lái)造型革命，使設(shè)計(jì)師們有更多的發(fā)揮空間。智能化、多光型的大燈必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。（3）從開(kāi)發(fā)進(jìn)程來(lái)看，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，汽車(chē)車(chē)燈開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短。

三、非金屬3D打印技術(shù)在汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)的應(yīng)用

（一）在汽車(chē)燈具開(kāi)發(fā)不同階段的應(yīng)用在汽車(chē)燈具不同開(kāi)發(fā)階段，如圖3，3D打印技術(shù)應(yīng)用主要包括概念設(shè)計(jì)、技術(shù)論證和直接制造三個(gè)方面，如表2。概念設(shè)計(jì)階段，3D打印技術(shù)為創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)途徑，一方面大大拓展了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新空間，可以通過(guò)優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)及材料制造功能梯度結(jié)構(gòu)，最大限度地發(fā)揮材料的功能，為許多裝備設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)前所未有的進(jìn)步，使設(shè)計(jì)擺脫了傳統(tǒng)技術(shù)的束縛，給創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了巨大的空間。就燈具設(shè)計(jì)而言，特別在燈具與整車(chē)的嵌入方式、燈具的組合方式、內(nèi)燈罩的裝飾造型等方面，設(shè)計(jì)師傅可以充分發(fā)揮想象能力，甚至全面改變外等罩、內(nèi)燈罩、底座的三大主體結(jié)構(gòu)，按照一體化成型方面展開(kāi)組合方式的新探索。另一方面，大大縮短了設(shè)計(jì)到實(shí)物樣件的成形周期，而且降低了創(chuàng)意設(shè)計(jì)的成本。從用戶(hù)研究、創(chuàng)意構(gòu)思、方案3D打印，一氣呵成，可以在短時(shí)間內(nèi)低成本、迅捷地將設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意轉(zhuǎn)換為形象化、立體化的三維實(shí)體原型，這將為創(chuàng)意產(chǎn)品的研究、創(chuàng)意設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代提供可能和保障。概念設(shè)計(jì)階段，3D打印燈具的主要特征是要嚴(yán)格的尊崇設(shè)計(jì)師的理念和創(chuàng)意。技術(shù)論證是產(chǎn)品功能的以實(shí)現(xiàn)的保障，在燈具設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包括光型的論證、結(jié)構(gòu)論證、裝配認(rèn)證，每個(gè)階段所考核的指標(biāo)不一樣。光型驗(yàn)證主要根據(jù)光學(xué)原理，在選定的光源技術(shù)的前提下，保證通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)光的折射和反射，最終達(dá)到國(guó)家和行業(yè)規(guī)范所規(guī)定的值，主要涉及關(guān)鍵的局部結(jié)構(gòu)和表面處理工藝。結(jié)構(gòu)驗(yàn)證主要針對(duì)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件與部件之間的連接、密封配合。裝配驗(yàn)證，主要對(duì)燈具部件的組合方式、零件與零件的連接方式、部件與車(chē)身的鏈接等方面的驗(yàn)證。3D打印技術(shù)可以快速地對(duì)部件的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、局部的連接方式、安裝方式進(jìn)行快速實(shí)物原型的驗(yàn)證，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和可靠性設(shè)計(jì)提供檢驗(yàn)方式與方法。鑒于3D打印暫時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)大批量制造，所以直接制造階段主要針對(duì)汽車(chē)車(chē)燈路試階段的小批量裝車(chē)路試件的制作。這是對(duì)車(chē)燈整體設(shè)計(jì)的全面檢驗(yàn)，包括與整車(chē)品牌和文化的契合度，車(chē)燈的燈管效果、氣密性、扇熱效果等。特別是環(huán)境的耐候性能的要求，比如白天夜晚、晴天與雨天、車(chē)燈持續(xù)工作發(fā)熱對(duì)原型實(shí)物的檢驗(yàn)。

（二）開(kāi)發(fā)流程的優(yōu)化在燈具開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于燈具往往作為整車(chē)的關(guān)鍵配件開(kāi)發(fā)，研發(fā)廠(chǎng)商服務(wù)于主機(jī)廠(chǎng)或汽車(chē)設(shè)計(jì)公司，基本流程如圖3，包括與上游廠(chǎng)商商務(wù)對(duì)接，明確設(shè)計(jì)需求，根據(jù)需求和國(guó)家或行業(yè)規(guī)范展開(kāi)造型設(shè)計(jì)、光型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、小批量生產(chǎn)進(jìn)行裝車(chē)路試，這一切都的認(rèn)可后進(jìn)行量產(chǎn)。其中，每個(gè)階段都要進(jìn)行確認(rèn)和相關(guān)評(píng)審，從圖中可以看出，需要借助手板樣件進(jìn)行多次實(shí)物評(píng)審。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕大部分設(shè)計(jì)公司或車(chē)燈研發(fā)部門(mén)都是通過(guò)外協(xié)方式進(jìn)行。手板公司單件燈具手板制作流程為包括三維數(shù)據(jù)模型的分塊與重組，CNC加工、膠裝拼接、打磨、表面處理（噴漆、電鍍等）、裝配、交付。單件原型制作的特點(diǎn)是化整為零，將燈具整體拆分為一個(gè)個(gè)容易加工的部分，分布用CNC加工后在組合拼裝，如圖4。而對(duì)于小批量樣件試制流程包括，制作單件手板，開(kāi)硅膠模具、制作一體化部件，表面處理（噴漆、電鍍等），裝配，交付等。如圖4，其特點(diǎn)是用低成本、易開(kāi)具的硅膠模實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的整體成型，而這種模具只能較好地完成10-20左右的高質(zhì)量概念原型，從整體開(kāi)發(fā)流程看，用于概念設(shè)計(jì)和技術(shù)評(píng)審階段的手板至少得制作2-3次以上，裝車(chē)路試階段需要小批量制作。整體燈具開(kāi)發(fā)周期為1年計(jì)算，手板制作的周期就占有1/3。撐添加、模型切片分層；成形加工主要包括工藝路線(xiàn)和工藝參數(shù)設(shè)置；后期處理包括零件的清洗、支撐去除、打磨、表面涂覆以及后固化等。非金屬3D打印技術(shù)將相當(dāng)一部分工作交給3D成型設(shè)備，只要備料、設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)后，機(jī)器可以24小時(shí)連續(xù)自動(dòng)工作。大大提高成型效率，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間。

（三）為個(gè)性化定制提供解決方案?jìng)鹘y(tǒng)的個(gè)性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)受工業(yè)革命影響以大批量生產(chǎn)方式為主，很難做到設(shè)計(jì)的差異性和個(gè)性化[7]。而3D打印技術(shù)則更加符合個(gè)性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)理念，能夠?qū)崿F(xiàn)單件或小批量的制造，從而滿(mǎn)足消費(fèi)者各種不同的需求。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于人性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶(hù)的需求和喜好，或?qū)Ξa(chǎn)品使用的情景實(shí)施針對(duì)性設(shè)計(jì)，消費(fèi)者能夠享受人性化帶來(lái)的舒適也能享受個(gè)性化帶來(lái)的品味與愉悅[8]。就燈具設(shè)計(jì)而言，一方面，針對(duì)高端客戶(hù)或則發(fā)燒友的高端個(gè)性化定制，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化改裝等成為可能；另一方面，同一車(chē)型，不同燈具造型方案（形、色、質(zhì)）等可供客戶(hù)根據(jù)個(gè)人喜好進(jìn)行多方案的選擇。

四、汽車(chē)燈具的非金屬3D打印實(shí)踐

以XX型汽車(chē)大燈為例，通過(guò)UG完成前大燈的三維數(shù)據(jù)模型，如圖5；選用非金屬3D打印技術(shù)Polyjet進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)備選用PolyJet3D打印機(jī)，使用光敏樹(shù)脂材料，該材料能夠模擬從類(lèi)橡膠到透明材料在內(nèi)的多種材料特性——甚至還可模擬高韌性和高耐熱性。數(shù)字材料通過(guò)混合兩種或多種基本樹(shù)脂得到成百上千的材料混合，擴(kuò)大了材料可能性。實(shí)現(xiàn)全面色彩功能、肖氏硬度A值和其他特性，達(dá)到最大的產(chǎn)品逼真度。Objet500設(shè)備尺寸1400x1260x1100mm，如圖6；最大構(gòu)造尺寸490×390×200mm；最高精度：50mm的模型為20-85微米；全尺寸模型不超過(guò)200微米；層厚度橫向打印層最薄為16微米。材料選用剛性不透明材料：VeroBlackPlusRGD875。打印過(guò)程包括，前處理：CAD模型格式轉(zhuǎn)換，采用STL格式的數(shù)據(jù)文件，用若干小三角面片來(lái)逼近模型的外表面，關(guān)鍵在于控制好模型的精度；3D打印:首先擺放好模型位置，自動(dòng)加支撐，設(shè)置主要參數(shù)，即可打印。后處理:取件——去支撐——后處理，打印過(guò)程如圖7、8、9、10，用時(shí)約10小時(shí)，通過(guò)實(shí)踐，與傳統(tǒng)模型制作方法（CNC+手工）比較，如表3。從實(shí)踐驗(yàn)證來(lái)看，3D打印以一體化成型的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)模型制作方式相比，燈具模型的3D打印，在工序上減少了5/9，時(shí)間上節(jié)約了4/5，主要解決了傳統(tǒng)模型制作的工序繁瑣、招工難等問(wèn)題；當(dāng)然在現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備條件下，由于工藝成型方式和材料特性，3D打印技術(shù)在燈具打印件中存在螺紋連接強(qiáng)度、模型耐高低溫等痛點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

3D打印以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)制造有著重要的影響，必將為汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的變革。從當(dāng)下來(lái)看，非金屬3D打印技術(shù)適合小批量生產(chǎn)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全替代傳統(tǒng)制造，3D打印件的表面質(zhì)量與實(shí)際需要尚有一定差距，需要拋光、染色、電鍍、噴漆等后期處理的配合。從功能認(rèn)證和最終生產(chǎn)來(lái)看，材料的選用尚有一定的局限性。我們相信在不久的將來(lái)，3D打印技術(shù)在材料、軟件接口、設(shè)備等方面會(huì)大大完善，形成具有整體規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)鏈，助推汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳懷宇.3D打印三維智能數(shù)字化創(chuàng)造[M].電子工業(yè)出版社，2008(2）：11-15.

[2][美]胡迪•利普森，梅爾芭•庫(kù)曼.3D打印從想象到現(xiàn)實(shí)[M].中信出版社，2008(29）：20-22.

[3]陳鵬.基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研發(fā)[M].電子工業(yè)出版社，2016(1）：21-35.

[4]杜杰.汽車(chē)車(chē)燈造型模式設(shè)計(jì)分析[J].科技資訊.2013（6）：101-101.

[5]李少賢.淺談車(chē)燈設(shè)計(jì)與樹(shù)脂材料的選擇[J].科技資訊.2011(18）:88-88.

[6]甘霖樂(lè).車(chē)燈造型剖析[J].綜合論壇.2011(11）:376-376.

[8]余森林，毛一鳴.工業(yè)4.0時(shí)代3D打印技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性影響[J].設(shè)計(jì).2016(19）:64-65.

作者：劉李明 陳超 包泓 單位：江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院