使用3D打印技術打印汽車的方案

1、汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設計 5120519012 蔣沐陽材料科學與工程學院材料制造數(shù)字化技術基礎課程論文汽車車身3D打印系統(tǒng)方案設計課程題目：作者姓名： 蔣沐陽班 級： F1205101學 號： 5120519012成績評定： 18目錄摘要1第一章：課題背景21.1 3D打印技術概述21.2 3D打印的國內(nèi)外技術現(xiàn)狀31.2.1 3D打印技術在國際上的發(fā)展現(xiàn)狀31.2.2 3D打印技術在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀4第二章：系統(tǒng)總體設計方案62.1 設計目標62.2 設計思路61.耗材選擇62.打印系統(tǒng)概述63.STL切片模型的構(gòu)建流程設計84.溫度控制回路系統(tǒng)的設計95.噴頭移動、XYZ方向控制設計10

2、2.3系統(tǒng)特點及設計可行性分析11第三章：3D打印表面成型質(zhì)量和精度的檢測和控制123.1 控制3D打印成品質(zhì)量的方法123.2 表面粗糙度檢測方法123.3 信號采集方法133.4 濾波和信號處理方式133.5 表面粗糙度檢測的控制方式14第四章： 預期創(chuàng)新點、關鍵技術及其解決方案154.1 預期創(chuàng)新點154.2 關鍵技術154.3 解決方案15第五章： 結(jié)論15參考文獻：16摘要： 3D打印技術是快速打印技術的一種，是當今科學界最為炙手可熱的研究對象之一，號稱是第三次工業(yè)革命的帶頭技術。本文從3D打印的前世今生說起，簡略地概括了3D打印的歷史與定義，描述了幾種基本的3D打印方法，并且闡述了

3、3D打印在目前的幾種應用領域，同時，也大致分析了一下3D打印在目前的國際和國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀。本文的重點在于描述一種使用3D打印技術制造汽車車身的方案。方案涵蓋了材料選擇、打印系統(tǒng)的設計、基于STL模型的切片模型的構(gòu)建、基于PID控制的溫控回路的設計以及機械傳動的設計，詳細地描述了各步驟的要點，繪制了各步驟的框圖。 之后，本文講述了一些影響3D打印表面成型質(zhì)量的因素，介紹了一種檢測模型表面粗糙程度的方法：光散射法檢測技術。通過信號采集、濾波方式和信號處理辦法講述了測量信號的使用辦法。最后，本文也總結(jié)了一些本方案的不足之處。關鍵詞：3D打印 汽車車身 FDM技術 切片法 PID控制 光散射法檢測 第

4、一章：課題背景人類的歷史，就是一部不斷挑戰(zhàn)自然、發(fā)明新技術以改善生活的故事。從延續(xù)幾萬年的石器時代，到戰(zhàn)爭的炮火轟開科技大爆炸的種子；從蒸汽機為第一次工業(yè)革命吹響號角，到福特汽車流水線上滾滾的長龍。而今距離現(xiàn)代社會的開端僅僅幾十年，我們早已沉浸在信息化社會的海洋中。美國著名的經(jīng)濟學家里弗金，早在2008年的一本著作第三次工業(yè)革命中便寫道，以信息、能源、制造、營銷、物流的民主化為主要支撐的第三次工業(yè)革命已經(jīng)到來。在這個新的工業(yè)時代中，新能源將會和互聯(lián)網(wǎng)緊密相連，產(chǎn)生分布式的能源網(wǎng)絡，而3D打印技術，將以其簡單、快捷、廉價的特性為人們實現(xiàn)個人自主制造，即制造的民主化，從而極大地提升我們的社會生產(chǎn)效

5、率。11.1 3D打印技術概述3D打印（Three Dimension Printing），顧名思義，就是像將文字打印到平面紙張上（2D打?。┮粯?，通過層層疊加的方式，制造出三維的工件來，這實際上是一種更為通俗的說法。它的許多別稱有，增材制造(Additive Manufactory)、快速成型(Rapid Prototyping)、任意成型(Freedom Fabrication)、快速原型/零件制造(Rapid Prototyping/Manufactory)等等2。要使用3D技術來打印一個物體，首先電腦里應當存在一個數(shù)字模型，這個模型可以使用計算機輔助設計（CAD）或是其他制作3D模型的

6、軟件來完成，也可以使用3D掃描儀來掃描一個真實存在的物體來獲得。之后，3D打印機的軟件會將這個數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為切片模型，即將它以模擬的方式切割成許多薄層，在3D打印機的工作流程中，切片模型被轉(zhuǎn)化為打印頭的行走軌跡，通過一些特定的材料可以通過物體的形式一層一層地精確打印出來，直至完成一個完整的3D物體3。3D打印直接將虛擬的數(shù)字化實體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，極大的簡化了生產(chǎn)的流程，使得生產(chǎn)任意復雜結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)成為可能，也是實現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的可設計的重要技術手段。3D打印是一種堆積成型的成型方式，其基礎步驟包括了構(gòu)造三維模型、三維模型的切片與曲面的近似、薄層打印與疊加、打印后打磨等后處理流程等

7、過程（見圖1）。如今已經(jīng)有十幾種切實可行的3D打印技術，不過，幾乎所有的技術都基于3種基本方法。3在第一種方法中，3D打印機通過擠壓打印噴頭來形成鑄件或半液體材料。最常見的方法即為不斷擠壓流出熱塑性材料，這種材料能夠在離開噴頭的時候迅速凝固成型。這里的材料可以是融化的金屬，也可以是奶酪、巧克力等食品原料，甚至還可以是液態(tài)混凝土，想象一下使用3D打印技術將一整棟樓打印出來的場景吧。第二種方法使用的是感光性樹脂，顧名思義，這種液體在暴露于激光或是其他光源中時會發(fā)生光聚合反應而固化。3D打印機先是按照打印系統(tǒng)生成的路徑進行掃描，噴射出一個單獨的液體層與托板相粘結(jié)，然后將托板下降一層的距離，同時使用光

8、線將液體固化，這時候，生成的第二層液體賤貨牢固地粘結(jié)在第一層固體之上，如此類推，直至整個工件打印完畢。第三種方法，3D打印硬件通過逐層粘合一些精細的材料粉末來制作模型。材料高溫熔化成液態(tài)后，通過噴嘴擠壓出非常細小的球狀顆粒。再噴出后，這些顆粒粉末會很快固化，從而在立體空間中緊密地組合排列成實物。這種技術精度非常高，強度也很可觀，但是成型之后表面粗糙度有待處理。隨著科技的完善與發(fā)展，3D打印技術的應用前景也越來越廣闊。它可以用于改善產(chǎn)品設計：相比于傳統(tǒng)的模型制造方法，3D打印無疑更為便捷快速且與計算機圖形更為貼合相近，通過對計算機的3D模型的模擬，設計者可以很方便地找出設計呈現(xiàn)在實物中的各方各面

9、的缺陷所在。舉個例子來說，雷諾F1車隊自從1988年以來便一直使用3D打印技術生產(chǎn)賽車零件原型，從而測試賽車設計的空氣動力性能。它也可以用于打印模具，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式：傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程需要的夾具、模具等在制造過程中都費時且昂貴，但是使用3D打印可以節(jié)省大量的金錢與時間。比如，在3D砂模鑄造模型的過程中，3D打印技術直接在熔化的金屬中打印鑄造模型，可以節(jié)省70%的總生產(chǎn)時間，同時也能實現(xiàn)更高的精度和更復雜的模具創(chuàng)建。43D打印最廣泛的應用在于它可以直接參與數(shù)字化制造，即制造出最終的產(chǎn)品或部分的零件。它可以在不斷開項鏈的情況下將它打印出來，也可以直接打印出一整套變速箱中的各種運轉(zhuǎn)零件，從而繞開組裝

10、的環(huán)節(jié)。當然，這一切的一切都正在隨著科技的進步不斷發(fā)展，相信在未來，我們還能夠看到3D打印機直接將一整架商業(yè)客機打印出來呢。圖1：一般3D打印技術的工藝流程1.2 3D打印的國內(nèi)外技術現(xiàn)狀1.2.1 3D打印技術在國際上的發(fā)展現(xiàn)狀從上世紀八十年代，3D打印技術的萌芽到如今，經(jīng)過數(shù)十年的探索和發(fā)展，3D打印技術有了長足的進步，目前已經(jīng)能夠在0.01mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi的精細分辨率。國際上較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印。5 在全球3D打印機行業(yè)，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領

11、域具有較強技術實力和特色的企業(yè)/研發(fā)團隊還有美國的FabHome和Shapeways、英國的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型設備開發(fā)公司。于2011年11月收購了3D打印技術的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領域的龍頭地位。當前，國際3D打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。目前,在歐美發(fā)達國家，3D打印技術已經(jīng)初步形成了成功的商用模式（行業(yè)分布見圖2）。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領域，3D打印技術可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復雜而精細的

12、造型。6圖2：全球3D打印技術行業(yè)分布示意圖圖3:3D打印設備數(shù)量區(qū)域分布圖在汽車制造方面，早在2010年年初，世界首款3D打印汽車Urbee便在美國面世。作為一款絕大部分零部件都是3D打印產(chǎn)物的混合動力汽車，它的造價為5萬美元。雖然外形比較獵奇，技術也不夠成熟，但這也給3D打印汽車的進程開了個好頭。在最近幾年里，3D打印技術在汽車領域得到了很大的發(fā)展。參加2012年世界賽車錦標賽的BMWMINI Countryman車隊在那時就開始與站在汽車技術最前沿的Prodrive公司合作，從最開始的車手顯示屏，到空氣動力學傳感器外殼，再蔓延到幾乎整輛賽車：發(fā)動機進氣口、賽車頂部變流片等等，都在3D打印

13、技術中得到了應用?，F(xiàn)在，汽車中有100多個部件都可以使用3D打印技術生產(chǎn)出來。使用3D打印或者其他增材制造方式可以有效減少零部件從供應商到組裝商的運輸成本，對汽車制造廠商來說無疑是很大的便利。1.2.2 3D打印技術在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀從上世紀90年代開始，國內(nèi)的許多高校就陸陸續(xù)續(xù)地開始了3D打印的研發(fā)。清華大學在現(xiàn)代成型學理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應成型材料。但是總體而言，國內(nèi)3D打印技術研發(fā)水平與國外相比還有較大差距 7。

14、近年來，國內(nèi)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實現(xiàn)了3D打印機的整機生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點是由海外歸國團隊建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術與國外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端。同時，國產(chǎn)3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術水平有待進一步提升。在服務領域，我國東部發(fā)達城市已普遍有企業(yè)應用進口3D打印設備開展了商業(yè)化的快速成型服務，其服務范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設計、文物復原等多個領域。與內(nèi)地相比，我國港臺地區(qū)3D打印技術引入起步較早，應用更為廣泛，但港臺主要著重于技術應用，而非自主研發(fā)。而在汽車產(chǎn)業(yè)中，包括奇瑞汽車、長安福

15、特、東風汽車公司等我國的汽車企業(yè)及其零部件配套生產(chǎn)企業(yè)在研發(fā)和制作缸體、缸蓋、變速器齒輪等產(chǎn)品過程中也已經(jīng)開始使用 3D 打印技術?？梢钥吹?，無論是國外的車企還是國內(nèi)的這些生產(chǎn)廠商，普遍更為青睞使用3D打印技術來生產(chǎn)汽車的零部件，而非將汽車整輛打印出來，原因大致有以下幾方面：首先，3D打印技術如今的應用尚不成熟，Urbee作為第一輛大部分車身都來自3D打印的汽車，耗時近三個月，造價相比傳統(tǒng)汽車也毫無優(yōu)勢。其次，世界上傳統(tǒng)的車企如今已經(jīng)形成了一條穩(wěn)定的零部件產(chǎn)業(yè)輸送鏈，而作為新興的產(chǎn)業(yè)，3D制造技術還沒有擁有一條穩(wěn)定可靠的物流網(wǎng)絡作為大批量生產(chǎn)的媒介。所以，如果不能夠解決成本與物流的問題的話，3

16、D打印汽車只能是實驗室的新奇玩意兒。相信隨著時間的推進，3D打印汽車的產(chǎn)業(yè)可以蓬勃地發(fā)展。那么，3D打印技術會不會淹沒在歷史的洪流里呢？這點我們倒不用擔心。3D打印出的汽車更具有模塊化，無論是維修還是組裝都相比傳統(tǒng)汽車要便捷很多，它的普及也只是時間問題了。圖5：世界首款3D打印汽車Urbee第二章：系統(tǒng)總體設計方案2.1 設計目標使用3D打印技術，選取適當?shù)牟牧?，設計出一套簡單快捷的車體打印系統(tǒng)，用戶可以使用自己的CAD模型通過軟件轉(zhuǎn)化為STL文件進行打印。該套系統(tǒng)對于工作環(huán)境以及打印設施沒有苛刻的需求，打印出的車身務求光滑、復合動力學特征。在可能發(fā)生的交通事故中，減少因為應力集中或者材料堆積

17、不當造成的車身開裂或是膨脹變形等悲劇。同時，在保證車身質(zhì)量以及制造效率的同時，能夠?qū)r格維持在一個合理的范圍之內(nèi)。2.2 設計思路1. 耗材選擇3D打印材料是3D打印技術發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等8。從已有的材料中可以看出，無論是Local Motors所研制的strati3D打印電動汽車還是聞名遐邇的第一、第二代Urbee混合動力汽車都沒有使用金屬材料作為打印材料。Strati汽車使用的是黑色ABS塑料層以及碳纖維加固層，無獨有偶，Urbee汽車也是絕大部分都使用

18、ABS工程塑料打印而成。從這兩個例子里不難發(fā)現(xiàn)，相比起金屬材料，工程塑料明顯更受汽車廠商的青睞。一方面，工程塑料變形溫度大大低于金屬材料，加工方便；另一方面，工程塑料的強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度以及抗老化性都極其優(yōu)秀，在3D打印的拉伸、抽絲、冷卻固化這些步驟里可以很好地完成自己的任務。目前在汽車產(chǎn)業(yè)中最常用的工程塑料是ABS材料（在熔融沉積造型中經(jīng)常使用）以及PC材料9。ABS材料（Acrylonitrile Butadiene Styrene）強度高，韌性好，在90以上即可進行機械加工（鉆孔、噴漆、電鍍等）。同時，它有許多的顏色種類，可以滿足口味挑剔的買家。而PC材料（聚碳酸酯）是真正的熱

19、塑性材料，它的高強度、耐高溫和抗沖擊、抗彎曲能力都達到了一定程度，從而可以直接在汽車上裝配使用。綜合以上兩種材料，我們在這里使用PC-ABS材料8。它具備了ABS的韌性和PC材料的耐高溫和耐熱性，能夠有效地保障汽車的使用者；同時具有一定的流動性，在3D打印的過程中能夠提供一定的便捷；ABS材料的特性也使它能夠應用在汽車這樣的大塊頭成品中。PC-ABS材料的熔化溫度為230300攝氏度，其分解溫度大致在250攝氏度左右，在后文的溫度控制環(huán)節(jié)中將會對此加以注意。2. 打印系統(tǒng)概述根據(jù)使用的材料PC-ABS材料，這里使用FDM（熔絲沉積制造）技術，即第一章中提到的第一種基礎方法，其打印流程見圖6。從

20、硬件上，打印系統(tǒng)分為三部分：文件存儲和傳輸部分、驅(qū)動控制電路部分以及機械傳動部分。首先，通過單片機上的存儲設備直接從計算機上讀取事先建好的3D模型，由單片機對之進行分析與切片（或者直接將打印所需的STL文件存儲入單片機中），同時，建立一個X-Y軸的平面，并且該平面能夠在Z軸上上下運動，從而為稍后的噴頭打印做準備；其次，從單片機輸出控制指令，通過一定的驅(qū)動電路驅(qū)動電機，使用解析過的數(shù)據(jù)處理控制噴頭以及X、Y、Z軸的運動；機械傳動部分包括了X、Y、Z軸的直線運動與定位，以及對噴頭模塊的加熱和供料系統(tǒng)的控制。在實際工作中，單片機讀取了三維模型之后，輸出控制指令，控制噴頭的溫度使材料熔化，同時控制噴頭

21、的噴出系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴出材料的量。每打好一層，從外部的存儲設備讀取下一層的參數(shù)，打印下一層，直到全部模型完成。在后面的第3、4、5節(jié)中將分別詳細闡述對于切片程序、溫度控制以及噴頭移動控制的系統(tǒng)設計。 程序的總框架見圖7。圖6：FDM成型流程圖 圖7：總程序框架3. STL切片模型的構(gòu)建流程設計10對3D模型的切片模擬過程是整個3D打印中最開始的步驟。這部分的內(nèi)容涉及到了STL模型的切割，其中的三個重要環(huán)節(jié)是建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、求交線以及生成截面輪廓線。流程圖見圖8。圖8：STL切片模型流程在切片處理過程中有許多的算法，比如直接求交線切片算法以及進階的模型的拓撲結(jié)構(gòu)算法等。在這里使用基于Z坐標的分層算法，這

22、種算法是一種相對簡單的拓撲關系算法。在讀取STL文件數(shù)據(jù)時記錄各頂點的Z坐標并排序，分層時通過分層高度Z來讀取西藥進行求交計算的目標三角形面片。通過對各個微小三角形面片之間逐次求交線來連接得到封閉的輪廓線。主要步驟如下：(1)讀入STL文件的所有三角形面片，記錄各頂點的Z坐標并標記 ID 號。 (2)將讀取的三角形面片按Z坐標從小到大進行排序。 (3)按照從Z軸從小到大的方向進行切片，根據(jù)分層切片的高度Zh來確定需要進行求交的三角形(4)任選一三角形面片進行求交，再根據(jù)連續(xù)性索引到下一個集合中的三角形，以此類推最終得到閉合輪廓線，分層高度增加一個單位 Z。 (5)重復步驟(3)、(4),直到分

23、層高度大于所有三角形 Z 坐標的最大值，分層結(jié)束。此處對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立不再贅述。4. 溫度控制回路系統(tǒng)的設計噴頭處的溫度控制的大致流程圖見下文框圖9。溫度檢測（熱電偶、A/D轉(zhuǎn)換）主程序在可視化界面上顯示溫度與預設溫度比較大于等于小于加熱保持狀態(tài)停止加熱返回主程序圖9：溫度控制回路流程圖在3D打印時，噴頭處的溫度控制極為重要。若是溫度過低，則液體會過于黏稠，若是溫度過高，則液體不易凝結(jié)。上文中已經(jīng)得知，PC-ABS材料的最適宜處理溫度為250攝氏度左右，故設置環(huán)境溫度為248攝氏度，噴頭溫度為250攝氏度。在這樣的狀態(tài)下打印最為有效。這部分溫度控制回路檢測的是噴頭處材料加熱部分的溫度，目標是

24、使其保持在預設值的范圍之內(nèi)，在實際溫度較高時停止加熱，而在實際溫度低于設定溫度時將溫度加熱控制到材料的熔點處。*在對溫度進行精確控制的環(huán)節(jié)中可以使用PID溫度控制技術，以決定每一步的加熱應該增加多少具體的操作量。PID溫控系統(tǒng)的核心就是，在采樣時間間隔t內(nèi)，采樣得到測量值xn與預定值x0的偏差值e，然后根據(jù)偏差值e與系統(tǒng)設備本身所決定的一些常數(shù)，求出操作量y。系統(tǒng)的主要設備有計算機（工控機），測量熱電偶、數(shù)據(jù)采集控制卡（A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，I/O接口等）與信號調(diào)理模塊、控溫元件等。除了計算機以外的其他元件都可以集成在3D打印機中，與計算機相連接。模擬控制的PID算法表示為： yt=KPxt+

25、1T10txtdt+TDdx(t)dt11 (2-1)在式中，KP為比例常數(shù)，TI為積分時間，TD為微分時間。通過計算機采樣輸入，將式（2-1）中的連續(xù)微積分方程式使用離散的方式表示。同時采用增量式算法,將第n次調(diào)節(jié)時的控制量由第n-1次的控制量加上一個增量得到，即： yn=yn-1+yn (2-2) 如此即可得到： yn=yn-1+yn=Aen-Ben-1+Cen-2 (2-3)上式中，A、B、C均為與Kp、T、TL、TD相關的常數(shù)。en在上文中已經(jīng)提到，是采樣的溫度以及預設溫度的偏差值。在溫控環(huán)節(jié)中加入上述的增量式PID算法，能夠有效又便捷地讓計算機只輸出增量，占用內(nèi)存較小。5. 噴頭移動

26、、XYZ方向控制設計在上述兩個步驟，切片模型的建立以及溫度控制回路的確定之后，來到了3D打印最為關鍵的步驟，即對模型的打印過程。上文已經(jīng)介紹過，使用PC-ABS塑料打印時最宜使用FDM成型法，這種方法雖然打印的精度不大高，但是由于其打印速度快，對環(huán)境要求不太高，所以對于大型零部件（尤其是汽車車身）的打印最為適合。在打印時使用化繁為簡的方法，將三維打印簡化為許許多多的二維打印在Z軸上的疊加，同時將二維打印轉(zhuǎn)化為一個平面上許多直線的一維打印。首先使用特定材料，PVAL與AA（聚乙烯醇與丙烯酸混合材料12）搭建支撐材料，之后的所有步驟在支撐材料之上進行。通過對于切片模型的讀取，驅(qū)動控制模塊與機械傳動

27、模塊協(xié)同運作，將切片模型的每一層轉(zhuǎn)化為一個邊界函數(shù)，噴頭的軌跡即在這個邊界函數(shù)的區(qū)域中進行移動。當打印完一層，噴頭加工到邊界時，打印機通過信號反饋停止此層的加工。此時，步進機構(gòu)將會將X-Y平面沿著Z軸向下移動一個微小量，計算機再讀取下一層的切片模型，重復進行打印，直到模型打印結(jié)束為止。這個過程的流程圖見圖10。打印時對于噴頭系統(tǒng)的功能要求有如下幾點：（1）噴頭連接裝滿用料的絲筒，保證噴頭直徑足夠小（0.05mm左右），以確保模型的分辨率夠高。（2）原料在進入噴頭的出液點之前確保經(jīng)過溫度控制回路，固態(tài)料絲經(jīng)過及時且充分的預熱、熔化轉(zhuǎn)化為預定溫度的熔融狀態(tài)的液態(tài)料絲。（3）熔融態(tài)的液態(tài)物料需按照直

28、線行進進行堆積。同時，出絲速度可以控制。具體的程序設計不加贅述。 至此，整個設計的設計框架搭建完畢。開始，搭建支撐材料 (n為當前層數(shù)，N為切片模型確認的總層數(shù))n=0n=N？否是從存儲模型中獲得第n層的參數(shù)程序結(jié)束使用D/A轉(zhuǎn)換器將切片模型轉(zhuǎn)化為平面上噴頭的軌跡函數(shù)，以設置各電機的參數(shù)噴頭根據(jù)函數(shù)運行，結(jié)束時停止步進電機在Z軸上向下移動一個單位圖10：打印過程主要流程圖2.3系統(tǒng)特點及設計可行性分析本設計采用高強度高韌性抗熱性極強的PC-ABS材料，能夠在汽車的整體機身上很好地工作，Urbee和Strati的成功很好地證明了這一點。打印技術采用了熔絲沉積制造技術（FDM），打印速度在3D打印

29、技術中首屈一指，同時對于外部環(huán)境的需求并不高，成本很低廉，可以解決汽車的造價問題。汽車的車身、發(fā)動機、輪軸等結(jié)構(gòu)都可以使用這個方法制造。溫度傳感器等各種打印機上的附帶元件可以通過藍牙或是其他無線連接設備與計算機連接，減少設備的復雜度。對3D打印產(chǎn)品的表面成型質(zhì)量以及精度的檢測、控制見下一章。第三章：3D打印表面成型質(zhì)量和精度的檢測和控制3.1 控制3D打印成品質(zhì)量的方法上文提到了步進機構(gòu)能夠在每一個二維圖案打印完畢之后向下步進一個微小的單位，這個單位就是每一層的厚度。厚度與分辨率關系密切，分層越小則分辨率越高，在汽車工業(yè)中，這個分辨率最好能夠達到600dpi（每英寸長度上的層數(shù)）。在我們的設計

30、中，若是層厚控制在0.3mm0.4mm左右，則分辨率可以達到600800dpi，能夠滿足表面粗糙度的要求。另外，X 軸和Y 軸的分辨率由設備的機械系統(tǒng)決定（噴頭的粗細、打印的波動等），一般無法調(diào)整。 除了Z軸上的分辨率需要調(diào)整之外，需要設定的參數(shù)還有噴嘴直徑、填充方式、網(wǎng)格間距、理想輪廓線的補償量、偏置掃描中的偏置值、開啟延遲時間、關閉延遲時間、成型材料、加密層及其參數(shù)設置、成型室吹熱風的方式、空行程速度、工件相對于工作臺面的成型角度、添加支撐等都會影響表面質(zhì)量和成型時間等13。以上的這些參數(shù)都可以在軟件中設置或是改變環(huán)境條件來達成。 通常來說小的補償量、大的擠出速度、小的填充速度、小的分層厚

31、度、小的開啟延時和關閉延時可以得到表面質(zhì)量與成型時間的最優(yōu)化設計，此處不作詳述。3.2 表面粗糙度檢測方法表面粗糙度（Surface Roughness）最早以前稱作表面光潔度（Surface Finish），是反映工件表面質(zhì)量的一個重要指標。國標 GB3505-83 中定義：“加工表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特征。一般由所采用的加工方法和（或）其它因素形成。”14在我們的設計中，由于3D打印過程中可能出現(xiàn)的每層厚度與設計厚度產(chǎn)生偏差而導致的三維形狀與實際形狀不符，或是由于X-Y平面上的dpi太小而導致的表面光潔度減小，這些都可能導致最終成品上不太樂觀的表面粗糙度。如何測量表面

32、粗糙度，這個步驟是需要貫穿于整個3D打印過程中的。在第二章中描述的3D打印過程中，每打印完成一層二維的平面，系統(tǒng)就將執(zhí)行一次判斷，然后將Z軸下降一個單位。在這個過程中，可以考慮當Z軸每下降510個像素點時執(zhí)行一次表面檢測。由于汽車車身動輒長達三至五米，高度也有一米多，所以這種表面檢測技術必須是極為迅捷，同時，由于噴頭直徑大致在0.1mm左右，所以每一層的斷面處的表面光潔度在1微米級別的微觀結(jié)構(gòu)上一定是非常粗糙，所以并無需使用極為精密的表面粗糙度測量方法（如觸針法等），只需測量每一層的斷面處是否在0.1毫米級的平面上保持水平，并且表面相對光滑與否。通過以上兩點的分析，為了滿足測量迅速、工件簡單便

33、捷的要求，這里使用光學散射測量技術。光學散射的實質(zhì)是，一束光以一定角度照射到具有微小不平度的粗糙表面時，反射光出現(xiàn)散射現(xiàn)象，此時在反射方向的光強有所減弱，在其它方向的光強則有所增加。15（見圖11）研究表明，發(fā)生散射現(xiàn)象是由于物體表面的粗糙不平引起的，說明表面粗糙度和散射光強度分布有一定的關系。對于表面粗糙度數(shù)值較小的表面，反射光能較強，散射光能較弱；反之，表面粗糙度數(shù)值較大的表面，反射光能較弱，散射光能較強。所以使用光學散射法可以非常簡單快捷地大致測量每一個斷面的表面粗糙度情況，比針觸法等傳統(tǒng)方法速度快了5倍以上。圖11：光學散射現(xiàn)象 3.3 信號采集方法如圖11中所示的那樣，在工件上方一定

34、角度的位置放置一臺X光發(fā)射儀，發(fā)射出一束極細小的平行光，而在發(fā)射儀的另一邊放置一臺感光儀器，光帶打在感光儀器上之后，可以由感光儀器得到反射光與散射光的相對量的大小。感光儀器連接一臺數(shù)字傳感器，將得到的非電學量：相對光強信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出信號，即表面粗糙度的數(shù)值。數(shù)字輸出信號可以是散射光與反射光的光強度比值，因為通常比值較小，所以這里可以乘以100，這里將這個數(shù)字成為散射指數(shù)。這個數(shù)值在010內(nèi)為正常范圍。同時，使用散射法中反射光線與入射光線的相對位置還可以得到測量點的垂直高度Zn。在測量進行之前，可以使用一開始打印了十層左右的樣品的表面粗糙度進行參照。在測量過程中，x光將行進與觸頭同樣的路徑，

35、即將二維平面轉(zhuǎn)化為許多一維直線，從頭到尾按照表面的邊界函數(shù)運動。因為汽車車身的打印尺寸巨大，所以可以考慮同時使用四臺光散射粗糙度測量設備，從而加快檢測進程。最后通過數(shù)字傳感器得到一個散射指數(shù)與采樣時間的關系圖表。 由3D打印的特性，光學散射法獲得的表面粗糙度必定是無規(guī)律且復雜的，但由于液體直徑（0.1mm以上）比光學散射法的分辨率（1um）要大得多，所以數(shù)字傳感器的采樣頻率不能太小，也不需要太大，具體視散射系統(tǒng)的參數(shù)而定。3.4 濾波和信號處理方式1. 濾波方法我們已經(jīng)知道，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)環(huán)境不可能和在實驗室里一樣整潔無干擾。供電電壓的波動、其他設備的影響以及負載波動、環(huán)境溫度的影響

36、都有可能會影響到3D打印過程的進行。在3D打印的過程中，我們使用到了溫度傳感器（熱電偶），而在表面粗糙度的測量中，使用的是將光學結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的數(shù)字傳感器。這兩臺傳感儀器都有可能收到不同程度的干擾，前者受到干擾后會導致液體受熱不均勻，使得樣品表面粗糙度提升，而后者受到干擾后會影響到樣品表面粗糙度的測量。因為傳感器得到的信號本身就沒什么規(guī)律，而且受到的干擾又是各式各樣，同時，對測量的精度要求并不是很高。所以此處使用一種復合濾波法：去極值平均濾波算法。這種方法能夠有效地先排除粗大的脈沖干擾，然后將剩下的采樣值進行平均濾波。連續(xù)采樣n次后，剔除其中的最大值與最小值，求剩下的n-2個采樣的平均值。

37、此處選取n=10，既不太大，也不太小。2. 信號處理方法在表面粗糙度的檢測中，通過前面的采樣、濾波步驟，已經(jīng)可以得到相對光滑的“散射指數(shù)-采樣時間”和“表面高度Zn-采樣時間”關系了。因為每次檢測都是檢測一整個橫截面，而且采樣的速度是一個恒定的值，所以每個采樣時間實際上代表著在橫截面上的某個特定位置。假設橫截面是個正方形，則此時橫截面上的每個點都可以用坐標表示，通過對采樣時間和坐標進行換算，很容易可以得到“散射指數(shù)”與表面高度與截面上的坐標的關系。從而可以知道在某個截面的什么位置上表面粗糙度更高，什么位置上表面粗糙度很低，同時可以得到表面高度的最大值與最小值。設得到的散射指數(shù)為Sn。數(shù)據(jù)處理方

38、式如下：1） 將截面分為若干塊區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)對散射指數(shù)求平均值，每個平均值都不應該超過臨界平均值Sm。2） 將截面上的最高位置Zmax與最低位置Zmin相減，結(jié)果不應超過某個臨界 Zm值。3.5 表面粗糙度檢測的控制方式 在3D打印的過程中，每隔5層左右執(zhí)行一次散射光表面檢測，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字傳感器后傳輸給單片機，經(jīng)單片機的濾波以及進行3.4.2中的信號處理后，如果數(shù)字超出了Sm和 Zm，即為明顯的表面粗糙現(xiàn)象，為了穩(wěn)妥起見重新進行一次檢測，若數(shù)字異常現(xiàn)象依舊存在，則暫時停止打印，交由計算機進行分析，進行一定的吐絲流量與溫度設置的更正，之后重新開始打印，檢測方法如上所述。第四章： 預期創(chuàng)

39、新點、關鍵技術及其解決方案4.1 預期創(chuàng)新點使用相對普及、易得的PC-ABS工程塑料，既能夠達到車身所需的強度要求，也能夠?qū)⒊杀究刂圃谝粋€合理范圍之內(nèi)。而使用熔絲沉積制造技術（FDM）與STL文件分層切片法繪制模型相互配合，結(jié)合了FDM的快速、容易制作大型模型以及切片方法的簡單快捷、減少計算機計算量的特點，這些都保證了制造的效率將會很高。同時融入了PID溫度控制系統(tǒng)，通過控制出絲的溫度使得樣品內(nèi)部的材料密度分布均勻，也保證了表面的粗糙度能夠控制在合理范圍之內(nèi)。在檢測過程中使用光散射法檢測，簡單便捷有效。4.2 關鍵技術1. 將溫度控制回路、單片機、寄存器、驅(qū)動模塊、機械傳動設備以及之后的光散射

40、測量儀集成在一個3D打印設備中，通過藍牙或是無線網(wǎng)絡的方式與計算機相連，減少消費者（3D打印成品制作者）的工作量。2. 噴頭移動路徑的函數(shù)實現(xiàn)。（2.2.5中提到）4.3 解決方案1. 通過模塊化的方式將單片機、溫度控制回路、驅(qū)動模塊與機械傳動設備相連，計算機負責顯示可視化的內(nèi)容。機械傳動設備可以覆蓋在一個中大型的車床上，從而實現(xiàn)對龐大的車身的制造。在制造大型車身之前可以將上述模塊與一個小型的機械設備相連，通過制造小型模型的方式發(fā)現(xiàn)解決工業(yè)生產(chǎn)中可能有的問題。2. 在切片模型結(jié)束之后，對每一個薄層截面再進行一次一維處理，使其分散為一條條線段的集合。設計的函數(shù)可以是由一條長線來來回回地在這些線段上折出來的結(jié)果。第五章： 結(jié)論經(jīng)過了上述的工程描述、實現(xiàn)方式、粗糙度檢驗等工序，一套使用3D打印技術的車身打印方案已經(jīng)初具雛形。過程中使用的原料是現(xiàn)在最流行的