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摘要：作為先進的數字化增材制造技術，3d打印成型以其個性定制、快速成型、可構造復雜型面、節省材料等特點，在包裝設計中可以發揮突出的作用。本文介紹了5種常見的3D打印技術及其特點，并將3D打印技術應用在汽車零件包裝設計中的各個環節，如樣品制作、模擬驗證、檢具制作等，從而提高包裝設計效率。
關鍵詞：3D打印技術；汽車零件包裝設計
3D打印(3Dprinting)是一種基于原料噴射成型原理的快速成型技術(RapidPrototyping，簡稱RP)。3D打印與噴墨打印機的工作原理有些相似，它是以數字化模型為基礎，運用粉末狀或絲狀金屬、塑料、陶瓷等材料，通過逐層打印的方式構造物體。與普通打印機只能打印平面紙張材料不同，3D打印技術綜合應用了CAD/CAM技術、激光技術、光化學及材料科學等諸多方面的技術與知識，可以將電腦上設計的3D模型通過打印的方式快速輸出固體實體模型[1]。區別于做減法的去除式制造技術，3D打印技術是一種做加法的增材制造技術，可降低模型的造價，節省產品開發的成本和時間。
13D打印技術介紹
一般來說，通過3D打印獲得一件物品需要經歷建模、分層、打印和后期處理四個主要階段，具體流程如圖1所示。目前國內外常用的3D打印有：（1）熔融沉積（FDM），（2）光敏固化（SLA），（3）選擇性激光燒結技術（SLS），（4）分層實體制造（LOM），（5）三維印刷（3DP）。這些3D打印技術主要區別在于打印材料種類和成型方法、速度、成本等。
1.1FDM(熔融沉積成型FusedDepositionModeling)
FDM也叫“熔融沉積”技術，工作原理是加熱頭把熱熔性材料（ABS樹脂、尼龍、蠟等）加熱到臨界狀態，呈現半流體性質，同時噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。當一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層。這樣層層堆積粘結，自下而上形成一個零件的三維實體，模型制作完成后，再去除支撐結構即可[2]。該技術的優點是成本低、操作安全簡便；缺點是精度差、速度慢、成型過程需要支撐結構。
1.2SLA(立體光固化成型StereoLithographyApparatus)
SLA也叫“光敏固化”技術，是應用最早、目前研究最深入、使用最廣泛的快速成型技術之一[3]。其原理是用紫外激光聚焦到液體感光樹脂層表面，使其由點及面快速固化，從而完成單層材料的圖形化，層層疊加至整個樣件成型。將成型件沒入配好的化學藥液中，洗掉多余的樹脂，再在帶紫外線的烘箱內完成產品的進一步固化[4]。該技術的優點是工藝成熟、成型速度較快、系統工作穩定，且精度高、表面質量好；缺點是設備和材料成本高、操作復雜，樹脂材料成型后易碎、不利于長時間保存，成型過程需要支撐結構。
1.3SLS(選擇性激光燒結SelectiveLaserSintering)
SLS也叫“粉末材料選擇性激光燒結”技術，其加工過程是由敷料輥將粉末狀的材料均勻敷在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，控制系統控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升到熔化點，進行燒結并與下面已成型的部分實現粘結。一層完成后，工作臺下降一層厚度，鋪料輥在上面鋪上一層均勻密實粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型[5]。該技術優點是精度高，可用包括金屬材料在內的多種材料，應用廣泛，無需支撐結構；缺點是成型表面粗糙、加工時間長，需使用激光器，設備投入和維護成本高。
1.4LOM(分層實體制造LaminatedObjectManufacturing)
LOM也叫“分層實體制造”技術，是根據三維CAD模型每個截面的輪廓線，在計算機控制下，發出控制激光切割系統的指令，使切割頭作X和Y方向的移動。供料機構將地面涂有熱溶膠的固體片材（如涂覆紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材）一段段的送至工作臺的上方。激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓用二氧化碳激光束對固體片材完成一層材料內外輪廓的切割后，將經送料結構送上的一層新材疊加上去，已切割層經粘壓裝置粘合在一起，如此重復，完成模型制作[6]。該技術優點是成型速度快、精度高，可加工內部結構簡單的大型零件，制作成本低，無需支撐結構；缺點是需使用激光器，設備投入和維護成本高，主要材料為紙或箔材，性能差，難以構建形狀復雜的零件。
1.53DP(三維印刷粘接ThreeDimensionalPrintingandGluing)
3DP也稱“三維印刷”技術，其工作方式與傳統二維噴墨打印最接近。與SLS工藝一樣，3DP也是通過將粉末粘結成整體來制作零部件，不同之處在于，它不是通過激光熔融的方式粘結，而是通過噴頭噴出的粘結劑。其工作原理為：首先將粉末通過水平壓輥平輔于打印平臺之上，同時將帶有顏色的膠水通過加壓的方式輸送到打印頭中存儲。接下來系統會根據三維模型的顏色將彩色的膠水進行混合并選擇性的噴在粉末平面上，粉末遇膠水后會粘結為實體；一層粘結完成后，打印平臺下降，水平壓棍再次將粉末鋪平，然后再開始新一層的粘結，如此的反復層層打印，直至整個模型粘結完畢。該技術的優點是成本低、加工速度快，操作安全簡便，可打印彩色原型，沒有支撐結構；缺點是成型強度低，表面粗糙。
23D打印技術在汽車零部件包裝設計中的應用
2.1汽車零部件包裝設計流程
零件包裝是物流過程中為了保護零件產品，方便儲運和搬運，提升運作效率，縮短制造周期，按一定技術方法而采用的容器、材料和輔助物等的總稱。包裝作為物流環節中的重要一環，在整個物流過程中起著舉足輕重的作用。汽車零部件包裝設計需考慮零件從供應商到倉庫再到生產線整個環節可能會出現的各種對零件質量有影響的問題，并想辦法解決保護零件質量，保證成本和人機工程。合理的包裝設計流程可以大大減少設計中的出錯機會，有利于保證包裝設計質量，提高包裝設計效率。包裝設計流程包括信息收集、概念設計、樣品制作、測試驗證、圖紙歸檔、首件驗收等主要步驟。
2.1.1信息收集
包裝信息收集是包裝設計的重要一步，為了使包裝能有效的保護零件質量，符合使用需求，必須全面收集以下各方面的信息：（1）零件信息：包括零件屬性、尺寸、重量、零件數模、單臺用量等；（2）車間工藝信息：包括生產線裝配工藝、生產節拍、線旁空間、取料方向、吊夾具信息、人機工程等；（3）物流規劃信息：運輸方式、搬運方式、倉儲堆疊、是否需要排序等；（4）其它特殊要求：包括防銹、防塵、防潮、防靜電等。
2.1.2概念設計
信息收集完成后，就要綜合物流規劃、工藝布置、生產設備操作等方面的需求，在滿足安全、質量、成本、人機工程等原則的前提下，對零部件包裝進行概念設計。包裝概念設計優先選用標準包裝，在標準包裝不能滿足需求的情況下設計專用特殊包裝。特殊包裝的設計通過三維繪圖軟件進行，將零部件數模在三維圖形中進行匹配模擬，并在結構、定位、材料方面進行詳細的設計和校核。包裝概念設計完成后，組織相關部門進行聯合評審。
2.1.3樣品制作
包裝概念設計方案評審通過后，包裝設計部門將包裝數模生成詳細的二維圖紙，由包裝實物制造單位根據包裝設計圖紙造出成品模型。包裝樣品模型一般只制作一個，屬于定制化的制造，制作過程需要包裝設計人員參與跟蹤指導。包裝樣品模型制作完成后，包裝設計部門需組織生產、質量和物流相關部門對包裝樣品進行現場評審，從包裝尺寸、包括結構、包裝材料選擇、包裝對零件質量的防護以及生產和物流操作安全、取放料、人機工程等方面進行聯合評審。
2.1.4測試驗證
包裝樣品評審通過后，為了測試包裝設計的安全性和合理性，需對包裝樣品進行測試驗證。測試項目包括路況動態測試和各個試生產階段的實際發運上線驗證。重要的零件包裝還需進行沖擊、振動、堆壓、跌落等實驗室測試。
2.1.5圖紙歸檔
包裝樣品測試驗證通過后，就進入到圖紙歸檔階段。包裝設計人員對包裝制作工程圖紙進行完善，為進入到包裝批量采購制作階段做準備。同時還應準備全套的輔助資料，包括驗收規范、點檢規范和作業指導書等。
2.1.6首件驗收
圖紙歸檔完成后，制作圖紙發放到包裝制作供應商，進入到包裝批量制作階段。批量制作的工藝和材料與之前的樣品可能會有差異，因此批量制作的首件需經包裝設計人員和包裝制作質量檢驗人員聯合檢驗。如果檢驗不合格，則需調整制作方案或設計方案。首件驗收通過后，意味著包裝設計階段的結束。
2.23D打印技術在汽車零部件包裝設計中的應用
在汽車新車型項目啟動的過程中，一般要求在項目預試生產階段(PPV)需投入包裝樣品，在試生產階段(NS/S)需投入相應的批量包裝。在保護零件質量、避免臨時包裝帶來一系列問題的同時，也在和生產同步驗證包裝設計的安全性和合理性。汽車新車型啟動項目節點一般是固定的，對包裝樣品和批量投放有著嚴格的要求，因此汽車零部件包裝設計在時間節點上要求非常高。由于汽車新車型項目的復雜性，很多零部件產品設計、生產工藝和物流規劃信息都不能及時獲得，有時候則是信息變更后留給包裝設計的時間很短，因此在汽車零部件包裝設計中，響應速度和設計效率就顯得尤為重要。因此，汽車零部件包裝設計具有造型復雜、時間節點要求高等特點。而3D打印技術以其可打印復雜型面、成型快速的特點，在樣品制作、測試驗證、首件驗收三個環節可以發揮重要的作用。
2.2.1樣品制作
包裝概念方案完成后，包裝設計部門需組織各相關方對包裝設計方案進行直觀的評審，這就需要把設計概念轉化為包裝樣品實物模型。由于方案還存在很大的修改可能性，包裝樣品制作不是按照批量制作的方式進行，而是一個定制化制作的過程。特別是對于一些型面復雜的定位結構，如果按照傳統的方式制作，需經過圖紙繪制、采購外協、備料、機加工等一系列過程；而采用3D打印方式，能直接將概念設計數模轉化為實物樣品，省略了中間一系列過程，大大提高了包裝設計的效率。以某整車項目轉向機料架定位塊為例，采用傳統的樣品制作方式大概需要一周時間，而采用3D打印的方式則只需一天，使包裝樣品驗證時間大大提前。
2.2.2模擬驗證
樣架制作完成后，需要零件實樣進行驗證。在包裝設計方案驗證環節，樣件的獲取是非常重要的，如果沒有樣件，就難以發現包裝定位配合干涉等潛在的一些問題。但汽車零部件包裝設計階段正處于項目早期，很多時候不能從產品工程或制造工程部門及時獲取樣件，使得包裝設計處于停滯狀態，從而影響整體包裝項目進度。利用3D打印技術，包裝設計部門可以把零件整體或者零件的關鍵特征點制作出來，替代樣件對包裝樣品進行驗證。以某新型發動機項目為例，該項目有縱置和橫置兩種類型共12個機型，這些發動機都在同一條生產線上裝配，要求包裝兼容所有的機型，這無疑給包裝設計帶來了很大的難度。最為關鍵的是，該項目橫置發動機要一年之后才啟動，當前只有縱置發動機的樣機。缺少了橫置發動機樣機的驗證，料架設計方案就不能保證能兼容所有的機型。利用3D打印技術，包裝設計部門可以對發動機數模進行處理，提取與料架定位相關的部分并進行實樣打印，從而與料架樣品進行模擬驗證。
2.2.3首件驗收
包裝設計最后一個環節為首件驗收，由設計者、使用部門和采購申請人對制作供應商的首件進行確認。包裝設計概念方案和樣架方案評審通過后，轉化為制作圖紙，制作供應商根據圖紙進行制作。由于批量制作的加工方法和包裝樣品相比有較大的差異，制作完成的首件還需進行評審檢驗，以發現制作過程或者設計中的問題。首件檢驗需要將零件樣件放到料架上，確認料架結構、定位和功能是否符合要求，但是對于一些特殊的零件如發動機總成等，用零件實物在料架上一一校驗將顯得非常不方便。因此，需要制作便于移動攜帶的檢具，對首件以及后續批量制作的料架進行快速有效的檢驗。以發動機為例，一般情況下，由于型面和定位方式的差異，每種發動機料架需單獨制作一種檢具。而通過3D打印技術，針對各種發動機料架制作相應的特征塊，安裝在通用的母板上，形成“柔性檢具”，對不同發動機的檢驗只需更換特征塊即可。采用這種“柔性檢具”，每個項目可以節約近5000元，檢具制作的周期縮短兩周。
3結語
3D打印技術能將數字化設計方案直接轉換為實物模型，具有快速成型、可構造復雜型面、節省材料等特點，契合了汽車零部件包裝設計的需求，在包裝樣品制作、模擬驗證和首件驗收等環節發揮了重要的作用，有效的提高了包裝設計的速度和效率，降低了包裝設計成本。隨著打印技術和材料的進一步發展，3D打印技術的應用領域將進一步拓寬，在包裝材料的制備、包裝器具的制作以及整個包裝行業中的應用前景將會越來越廣泛。
參考文獻：
[1]喬益民,王家民.3D打印技術在包裝容器成型中的應用[J].包裝工程,2012,33(22):68-71.
[2]牛一帆.塑料包裝,2014,25(5):22-25,16.[4]蔣立新,等.中國軍轉民,2013(12):58-62.
[3]覃丹丹,等.快速成型技術在人工骨制造過程中的應用研究.生物骨科材料與臨床研究,2006.2:38-41.
[4]楊恩泉,3D打印技術對航空制造業發展的影響.航空科學技術,2013.1:13-17.
作者:趙華堅 袁亞君 蔡正興 單位:上汽通用汽車有限公司