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汽车灯具设计中3D打印技术的应用

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摘要:为探究3D打印技术在汽车灯具设计中应用的可行性、有效性。在阐述3D打印技术原理与特征基础上,结合汽车灯具结构原理,面向其用户需求多样化、系统化、开发周期缩短的发展趋势,分别探讨3D打印技术在汽车车灯概念设计、技术论证和直接制造等方面的应用,并结合案例进行了实践比对。3D打印以其独特的优势,对汽车行业的产品研发和生产制造有着重要的影响,随着3D打印材料与工艺、软件与设备的进一步完善,必将助推汽车行业的产业升级。

关键词:3D打印;汽车灯具;快速原型;概念设计

引言

3D打印技术,又称增材制造,是根据所设计的三维数字化模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术[1-2]。从原理上讲,3D打印技术是基于“离散/堆积”的成型思想,先将三维数字化模型切片分层处理,再将模型沿高度方向上粘结叠加,采用逐点或逐层成型方法制造物理模型、模具和零件的先进制造技术,是一种“等材”制造技术[3]。随着技术的快速发展,3D打印技术在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、艺术设计等方面广泛应用前景。其中非金属3D打印在汽车工业的应用尤为突出,以汽车发动机、仪表盘、汽车车灯等为对象,主要用于产品研发的概念设计、技术验证、生产制造、商务会展等阶段,起到设计评审、功能验证、模具制造、展览展示等作用。本文在阐述3D打印技术特征基础上,分析汽车灯具的结构与发展趋势,探讨3D打印技术在汽车车灯设计各个阶段的应用可行性和有效性,并结合案例进行了实践检验。

一、非金属3D打印

3D打印技术是在CAD/CAM技术、机械工程、分层制造技术、激光技术、数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的一种先进制造技术。根据材料的类别可以分为金属3D打印技术和非金属3D打印技术,常见的非金属3D打印技术主要包括光敏固化成型(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)、多头喷射技术(Polyjet)等工艺,部分常用工艺特征如表1。由于不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维数据在3D打印设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状物体,从而实现“自由制造”,可以高效、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,能实现设计思想的“忠实”的呈现;从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种有效的实现手段。

二、汽车灯具设计

汽车车灯既是重要的功能件又是重要的外观件,从功能上看,承担着照明(近光、远光、室内照明等)、信号提示(示宽,制动信号及转向信号灯等)作用,是汽车与环境、汽车与人(行人、驾驶员)的重要沟通媒介。从工业设计视角来看,汽车车灯造型是汽车设计的点睛之笔,既是汽车重要的装饰,又在很大程度上承载着当下社会的经济状况、汽车文化、审美观念和制造水平[4]。

(一)汽车灯具构造汽车车灯主要包括灯罩,内灯罩、灯毂、灯框。透镜反射镜、电源灯泡等部件,如图1所示。通过不同的方式连接后组成为完整的车灯。灯罩与汽车整体风格匹配,从形态上与汽车前脸有机融合,承接车体外形平滑的过渡,具有:装饰性强、透光性好、密封灯体等特性。前大灯的灯罩光学性能尤为重要,进行过滤变色和折射,最后达到符合国家标准的光形和照度值。后尾灯一般都是单机能信号灯组合体,需要红色和透明双色相间。内灯罩起结构支撑作用,车灯的内灯罩装饰有花纹,对车灯增加了点缀的作用。但由于离光源较近,要耐高温,通常外表面涂有真空镀膜蒸发工艺制成的铝,反射灯泡的亮度,提高照明的程度是灯泡自身的6000倍以上,且外观漂亮。灯底座具有优良的力学性能,耐低温、耐磨损,尺寸稳定性好,同其他材料的结合性好,易于涂层和镀层处理,与不同材质灯罩进行连接。有些灯具的反射镜直接设置在灯毂上,这样可以简化结构,减轻重置,降低成本。反射镜作为车灯的核心部分,决定了光形好坏与照度的高低。需要优质的表面处理,主要是真空蒸气镀铝或是银色喷涂,要求具有高刚性和高强度,良好的成型收缩及尺寸精度稳定性。灯泡的亮度以及光线的射出方向直接决定了汽车照明的效果。现阶段的汽车的车灯灯泡HID氙灯、GDL氖灯、LED发光二极管等新光源,这些新光源代替白炽灯、卤素灯被运用在新车上。汽车车灯设计融合电子技术,而新技术的采用,带来了车灯结构、造型等方面的一系列变化[5]。

(二)汽车灯具设计趋势从设计视角看,如图2,车灯本身的设计主要包括功能、造型、结构、光源技术方面的考量,而车灯作为汽车的重要配件之一,车灯的设计受到汽车品牌文化、整车风格、价格定位以及车灯嵌入整车的方式影响。从汽车车灯发展来看,对车灯发展内在推动的力一方面来自外部的社会审美观、品牌文化典型的变化在于车灯与整车的嵌入方式的创新。轿车车灯先后经历了外形筒状的外置投射式前照灯澳门威尼斯网上娱乐、流线型内置投射式、前照灯转向灯雾灯组合一体式。今天,汽车发展速度达到了有史以来的最高程度,汽车车灯的发展也更加多样化,无论是造型、光源都有了巨大的进步,汽车灯具的发展与社会经济文化程度息息相关,每个时代的车灯造型代表了每个时代特有的审美观[6]。从发展趋势看:(1)用户需求方面,车灯发展呈现高要求、个性化、迭代更新快的特点。(2)车灯本身方面,呈现一体化,系统化趋势。光源的革命,同时也带来造型革命,使设计师们有更多的发挥空间。智能化、多光型的大灯必将成为未来的发展趋势。(3)从开发进程来看,由于市场竞争激烈,汽车车灯开发周期越来越短。

三、非金属3D打印技术在汽车灯具设计的应用

(一)在汽车灯具开发不同阶段的应用在汽车灯具不同开发阶段,如图3,3D打印技术应用主要包括概念设计、技术论证和直接制造三个方面,如表2。概念设计阶段,3D打印技术为创意产品设计与研发提供了创新的实现途径,一方面大大拓展了设计师的创新空间,可以通过优化拓扑设计及材料制造功能梯度结构,最大限度地发挥材料的功能,为许多装备设计和制造带来前所未有的进步,使设计摆脱了传统技术的束缚,给创新设计提供了巨大的空间。就灯具设计而言,特别在灯具与整车的嵌入方式、灯具的组合方式、内灯罩的装饰造型等方面,设计师傅可以充分发挥想象能力,甚至全面改变外等罩、内灯罩、底座的三大主体结构,按照一体化成型方面展开组合方式的新探索。另一方面,大大缩短了设计到实物样件的成形周期,而且降低了创意设计的成本。从用户研究、创意构思、方案3D打印,一气呵成,可以在短时间内低成本、迅捷地将设计师的创意转换为形象化、立体化的三维实体原型,这将为创意产品的研究、创意设计的反复迭代提供可能和保障。概念设计阶段,3D打印灯具的主要特征是要严格的尊崇设计师的理念和创意。技术论证是产品功能的以实现的保障,在灯具设计过程中主要包括光型的论证、结构论证、装配认证,每个阶段所考核的指标不一样。光型验证主要根据光学原理,在选定的光源技术的前提下,保证通过相应的结构能实现光的折射和反射,最终达到国家和行业规范所规定的值,主要涉及关键的局部结构和表面处理工艺。结构验证主要针对创新的结构设计、部件与部件之间的连接、密封配合。装配验证,主要对灯具部件的组合方式、零件与零件的连接方式、部件与车身的链接等方面的验证。3D打印技术可以快速地对部件的创新结构、局部的连接方式、安装方式进行快速实物原型的验证,为产品的结构创新和可靠性设计提供检验方式与方法。鉴于3D打印暂时还不能实现大批量制造,所以直接制造阶段主要针对汽车车灯路试阶段的小批量装车路试件的制作。这是对车灯整体设计的全面检验,包括与整车品牌和文化的契合度,车灯的灯管效果、气密性、扇热效果等。特别是环境的耐候性能的要求,比如白天夜晚、晴天与雨天、车灯持续工作发热对原型实物的检验。

(二)开发流程的优化在灯具开发过程中,由于灯具往往作为整车的关键配件开发,研发厂商服务于主机厂或汽车设计公司,基本流程如图3,包括与上游厂商商务对接,明确设计需求,根据需求和国家或行业规范展开造型设计、光型设计、结构设计、模具设计、小批量生产进行装车路试,这一切都的认可后进行量产。其中,每个阶段都要进行确认和相关评审,从图中可以看出,需要借助手板样件进行多次实物评审。通过调研发现,绝大部分设计公司或车灯研发部门都是通过外协方式进行。手板公司单件灯具手板制作流程为包括三维数据模型的分块与重组,CNC加工、胶装拼接、打磨、表面处理(喷漆、电镀等)、装配、交付。单件原型制作的特点是化整为零,将灯具整体拆分为一个个容易加工的部分,分布用CNC加工后在组合拼装,如图4。而对于小批量样件试制流程包括,制作单件手板,开硅胶模具、制作一体化部件,表面处理(喷漆、电镀等),装配,交付等。如图4,其特点是用低成本、易开具的硅胶模实现构件的整体成型,而这种模具只能较好地完成10-20左右的高质量概念原型,从整体开发流程看,用于概念设计和技术评审阶段的手板至少得制作2-3次以上,装车路试阶段需要小批量制作。整体灯具开发周期为1年计算,手板制作的周期就占有1/3。撑添加、模型切片分层;成形加工主要包括工艺路线和工艺参数设置;后期处理包括零件的清洗、支撑去除、打磨、表面涂覆以及后固化等。非金属3D打印技术将相当一部分工作交给3D成型设备,只要备料、设置好相应参数后,机器可以24小时连续自动工作。大大提高成型效率,节约开发时间。

(三)为个性化定制提供解决方案传统的个性化创意设计受工业革命影响以大批量生产方式为主,很难做到设计的差异性和个性化[7]。而3D打印技术则更加符合个性化创意设计理念,能够实现单件或小批量的制造,从而满足消费者各种不同的需求。将3D打印技术应用于人性化创意设计中,根据用户的需求和喜好,或对产品使用的情景实施针对性设计,消费者能够享受人性化带来的舒适也能享受个性化带来的品味与愉悦[8]。就灯具设计而言,一方面,针对高端客户或则发烧友的高端个性化定制,实现个性化改装等成为可能;另一方面,同一车型,不同灯具造型方案(形、色、质)等可供客户根据个人喜好进行多方案的选择。

四、汽车灯具的非金属3D打印实践

以XX型汽车大灯为例,通过UG完成前大灯的三维数据模型,如图5;选用非金属3D打印技术Polyjet进行验证。设备选用PolyJet3D打印机,使用光敏树脂材料,该材料能够模拟从类橡胶到透明材料在内的多种材料特性——甚至还可模拟高韧性和高耐热性。数字材料通过混合两种或多种基本树脂得到成百上千的材料混合,扩大了材料可能性。实现全面色彩功能、肖氏硬度A值和其他特性,达到最大的产品逼真度。Objet500设备尺寸1400x1260x1100mm,如图6;最大构造尺寸490×390×200mm;最高精度:50mm的模型为20-85微米;全尺寸模型不超过200微米;层厚度横向打印层最薄为16微米。材料选用刚性不透明材料:VeroBlackPlusRGD875。打印过程包括,前处理:CAD模型格式转换,采用STL格式的数据文件,用若干小三角面片来逼近模型的外表面,关键在于控制好模型的精度;3D打印:首先摆放好模型位置,自动加支撑,设置主要参数,即可打印。后处理:取件——去支撑——后处理,打印过程如图7、8、9、10,用时约10小时,通过实践,与传统模型制作方法(CNC+手工)比较,如表3。从实践验证来看,3D打印以一体化成型的优势,与传统模型制作方式相比,灯具模型的3D打印,在工序上减少了5/9,时间上节约了4/5,主要解决了传统模型制作的工序繁琐、招工难等问题;当然在现有的技术和设备条件下,由于工艺成型方式和材料特性,3D打印技术在灯具打印件中存在螺纹连接强度、模型耐高低温等痛点。

结语

3D打印以其独特的优势,对汽车行业的产品研发和生产制造有着重要的影响,必将为汽车行业的发展带来巨大的变革。从当下来看,非金属3D打印技术适合小批量生产,短时间内无法完全替代传统制造,3D打印件的表面质量与实际需要尚有一定差距,需要抛光、染色、电镀、喷漆等后期处理的配合。从功能认证和最终生产来看,材料的选用尚有一定的局限性。我们相信在不久的将来,3D打印技术在材料、软件接口、设备等方面会大大完善,形成具有整体规模和竞争力的产业链,助推汽车行业的产业升级。

参考文献

[1]吴怀宇.3D打印三维智能数字化创造[M].电子工业出版社,2008(2):11-15.

[2][美]胡迪•利普森,梅尔芭•库曼.3D打印从想象到现实[M].中信出版社,2008(29):20-22.

[3]陈鹏.基于3D打印技术的产品创新设计与研发[M].电子工业出版社,2016(1):21-35.

[4]杜杰.汽车车灯造型澳门威尼斯网上娱乐设计分析[J].科技资讯.2013(6):101-101.

[5]李少贤.浅谈车灯设计与树脂材料的选择[J].科技资讯.2011(18):88-88.

[6]甘霖乐.车灯造型剖析[J].综合论坛.2011(11):376-376.

[8]余森林,毛一鸣.工业4.0时代3D打印技术对工业设计的系统性影响[J].设计.2016(19):64-65.

作者:刘李明 陈超 包泓 单位:江苏科技大学机械工程学院

汽车博览杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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