基于FDM的汽车维修工具3D打印技术研究

摘 要：随着智能制造、控制技术、材料技术、信息技术等技术的不断发展和提升，3D打印技术也被推向了一个更加广阔的研究平台。对3D打印技术在汽车维修中的应用研究，正逐步向智能化、便捷化、通用化、个性化定制等多角度进行。本文对3D打印技术中的一种成型技术-----FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积）在汽车维修工具中的应用进行了一定程度上的探索及研究，目的是如何能最有效地利用3D打印技术，从而为汽车维修行业服务。

关键词：FDM；3D打印技术；汽车维修工具

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.193

0 引言

3D打印技术以其生产方式简单、打印时间短、相对陈本低、主动性和灵活性强、高效率、产品千变万化等特点迅速进入人们的视线，汽车行业也开始考虑如何充分利用其特点、发挥其优势，通过智能化和数字化的实现，使之为汽车维修行业带来更高的生产效率和更大的发展空间。

1 3D打印技术在汽车行业中的研究现状

目前，3D打印技术在学术界更多的研究重点被放在对3D打印计算机软件开发、新材料研制、3D打印机性能研发等方面。在汽车行业中，有3D打印技术对汽车零部件结构的优化、汽车流水线生产效率的提高、生产成本的降低等方面的研究，但是在对于汽车外部造型设计美学、汽车内饰体验设计、智能化交互汽车设计、汽车制造、汽车维修等方面的科研成果和文献很少，更缺少系统的理论研究和内容框架。

2 3D打印技术的分类

3D打印包括数字设计建模、切片处理、打印成型、打印后处理等步骤。其中，成型技术是3D打印技术中是最关键的部分，成型技术的优劣直接影响着打印产品质量的好坏。目前，成型技术分为四种，分别为FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）、3DP（3Three Dimension Printing，3D喷射打印成型）、SLS （Selective Laser Sintering，选择性激光烧结技术）及DMLS （ Dirce Metal Laser Sintering直接金属粉末激光烧结技术）。

FDM成型技术由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

3DP成型技术是由美国麻省理工学院Emanual Sachs等人于1989年研制成功。3DP成型技术与SLS成型技术类似，都是采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面而连接起来的。用粘接剂粘接的零件强度较低，因此还须后处理。

SLS成型技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Deckard于1989年研制成功。SLS的加工过程是采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。

DMLS成型技术只能用于金属材料打印，它是通过使用高能量的激光束，由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。

3 基于FDM的汽车维修工具的3D打印

3.1 FDM的工作原理

FDM的工作原理是：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层“画出”截面轮廓，如此循环，最终形成整个实体。

3.2 基于FDM的汽车维修工具的3D打印步骤

在汽车维修中，经常需要用到各种各样的工具，但购买的工具存在无法满足某些零部件的特殊要求的情况，因此，我们可以利用3D打印技术，打印出满足特殊需求的汽车维修工具。

下面以维修工具——扳手的打印为例，讨论3D打印技术在汽车维修中的应用方法。基于FDM的3D打印过程包括三维模型设计、切片处理、打印机参数的确定，实施打印及打印后的产品后处理等步骤。

3.2.1 三维模型设计

采用三维绘图软件Solidworks对扳手进行三维模型的设计，设计出的扳手如图1所示。

3.2.2 切片处理

将设计好的三维模型转换成STL文件格式，然后使用软件Cura（Cura是一款智能的前端显示、调整大小、切片和打印的软件）对三维模型文件进行切片，如图2所示。

其中，图2中包含的基本设置有：层厚0.2mm、壁厚0.8 mm、底部/顶部厚度0.8 mm、填充率20%、打印速度50 mm/s、喷嘴温度220℃、热床温度70℃、耗材直径1.75 mm、流量100%；图2中包含的高级设置有：喷嘴直径0.4 mm、反转速度40 mm/s、反转长度4.5 mm/s、初始层高度0.3 mm、初始层线宽比例100%、切除底部0 mm、移动速度120 mm/s、底层打印速度20mm/s、层最小打印时间5sec等。

3.2.3 打印机参数的确定

打印机型号：森工MakerPi（创新派）系列；打印机参数包括：打印尺寸：200*200*300mm；打印层厚：0.05—0.3mm；打印材料：PLA/ABS/PHA/HIPS/PETG等；喷嘴直径：0.4 mm；成型精度：±0.1—0.3mm；XY轴定位精度：0.0128 mm；Z轴定位精度：0.0025 mm；喷头温度：≤250℃；热床温度：≤120℃；AC输入：200—240V 4.0A/100—140V 7.0A等。

3.2.4 打印

切片处理完成后，Cura软件导出能被3D打印机识别的Gcode控制文件，将这个文件输入到3D打印机中，3D打印机主板里固化的软件开始读取文件，并控制逐层打印，如图3所示。

3.2.5 打印后处理

使用FDM成型技术打印出的产品无法直接使用，需进行一定的后处理工作，包括抛光、喷漆、电镀等。处理后成型的扳手如图4所示。

4 结束语

本文以扳手这个汽车维修工具为例，根据3D打印技术中FDM成型技术的的特点及步骤，按照三维模型设计、切片处理、打印参数的确定，实施打印及打印后处理等步骤进行了试验生产，生产结果表明，基于FDM的3D打印技术打印出的汽车维修工具可满足实际使用要求。

参考文献：

[1]吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2014：17.

[2]王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].吉林大学，2014.

[3]谷祖威.3D打印技术对汽车零部件制造业的影响[J].现代零部件，

2013（09）：68-69.

项目来源：武汉商学院2015年度校级科学研究项目《3D打印技术在汽车维修中的应用研究》（2015KY009）

作者简介：叶园（1983-），女，湖北武汉人，本科，武汉商学院机电工程与汽车服务学院实验师，研究方向：电子技术、通信工程、自动化控制。

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