汽車燈具設計中3D打印技術的應用范文

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摘要：為探究3D打印技術在汽車燈具設計中應用的可行性、有效性。在闡述3d打印技術原理與特征基礎上，結合汽車燈具結構原理，面向其用戶需求多樣化、系統化、開發周期縮短的發展趨勢，分別探討3D打印技術在汽車車燈概念設計、技術論證和直接制造等方面的應用，并結合案例進行了實踐比對。3D打印以其獨特的優勢，對汽車行業的產品研發和生產制造有著重要的影響，隨著3D打印材料與工藝、軟件與設備的進一步完善，必將助推汽車行業的產業升級。

關鍵詞：3D打印；汽車燈具；快速原型；概念設計

引言

3D打印技術，又稱增材制造，是根據所設計的三維數字化模型，通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維產品的技術[1-2]。從原理上講，3D打印技術是基于“離散/堆積”的成型思想，先將三維數字化模型切片分層處理，再將模型沿高度方向上粘結疊加，采用逐點或逐層成型方法制造物理模型、模具和零件的先進制造技術，是一種“等材”制造技術[3]。隨著技術的快速發展，3D打印技術在消費電子產品、汽車、航天航空、醫療、軍工、藝術設計等方面廣泛應用前景。其中非金屬3D打印在汽車工業的應用尤為突出，以汽車發動機、儀表盤、汽車車燈等為對象，主要用于產品研發的概念設計、技術驗證、生產制造、商務會展等階段，起到設計評審、功能驗證、模具制造、展覽展示等作用。本文在闡述3D打印技術特征基礎上，分析汽車燈具的結構與發展趨勢，探討3D打印技術在汽車車燈設計各個階段的應用可行性和有效性，并結合案例進行了實踐檢驗。

一、非金屬3D打印

3D打印技術是在CAD/CAM技術、機械工程、分層制造技術、激光技術、數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的一種先進制造技術。根據材料的類別可以分為金屬3D打印技術和非金屬3D打印技術，常見的非金屬3D打印技術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（SLS）、分層實體制造（LOM）、三維打印（3DP）、多頭噴射技術（Polyjet）等工藝，部分常用工藝特征如表1。由于不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維數據在3D打印設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀物體，從而實現“自由制造”，可以高效、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，能實現設計思想的“忠實”的呈現；從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種有效的實現手段。

二、汽車燈具設計

汽車車燈既是重要的功能件又是重要的外觀件，從功能上看，承擔著照明（近光、遠光、室內照明等）、信號提示（示寬，制動信號及轉向信號燈等）作用，是汽車與環境、汽車與人（行人、駕駛員）的重要溝通媒介。從工業設計視角來看，汽車車燈造型是汽車設計的點睛之筆，既是汽車重要的裝飾，又在很大程度上承載著當下社會的經濟狀況、汽車文化、審美觀念和制造水平[4]。

（一）汽車燈具構造汽車車燈主要包括燈罩，內燈罩、燈轂、燈框。透鏡反射鏡、電源燈泡等部件，如圖1所示。通過不同的方式連接后組成為完整的車燈。燈罩與汽車整體風格匹配，從形態上與汽車前臉有機融合，承接車體外形平滑的過渡，具有：裝飾性強、透光性好、密封燈體等特性。前大燈的燈罩光學性能尤為重要，進行過濾變色和折射，最后達到符合國家標準的光形和照度值。后尾燈一般都是單機能信號燈組合體，需要紅色和透明雙色相間。內燈罩起結構支撐作用，車燈的內燈罩裝飾有花紋，對車燈增加了點綴的作用。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。燈底座具有優良的力學性能，耐低溫、耐磨損，尺寸穩定性好，同其他材料的結合性好，易于涂層和鍍層處理，與不同材質燈罩進行連接。有些燈具的反射鏡直接設置在燈轂上，這樣可以簡化結構，減輕重置，降低成本。反射鏡作為車燈的核心部分，決定了光形好壞與照度的高低。需要優質的表面處理，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度，良好的成型收縮及尺寸精度穩定性。燈泡的亮度以及光線的射出方向直接決定了汽車照明的效果。現階段的汽車的車燈燈泡HID氙燈、GDL氖燈、LED發光二極管等新光源，這些新光源代替白熾燈、鹵素燈被運用在新車上。汽車車燈設計融合電子技術，而新技術的采用，帶來了車燈結構、造型等方面的一系列變化[5]。

（二）汽車燈具設計趨勢從設計視角看，如圖2，車燈本身的設計主要包括功能、造型、結構、光源技術方面的考量，而車燈作為汽車的重要配件之一，車燈的設計受到汽車品牌文化、整車風格、價格定位以及車燈嵌入整車的方式影響。從汽車車燈發展來看，對車燈發展內在推動的力一方面來自外部的社會審美觀、品牌文化典型的變化在于車燈與整車的嵌入方式的創新。轎車車燈先后經歷了外形筒狀的外置投射式前照燈模式、流線型內置投射式、前照燈轉向燈霧燈組合一體式。今天，汽車發展速度達到了有史以來的最高程度，汽車車燈的發展也更加多樣化，無論是造型、光源都有了巨大的進步，汽車燈具的發展與社會經濟文化程度息息相關，每個時代的車燈造型代表了每個時代特有的審美觀[6]。從發展趨勢看：（1）用戶需求方面，車燈發展呈現高要求、個性化、迭代更新快的特點。（2）車燈本身方面，呈現一體化，系統化趨勢。光源的革命，同時也帶來造型革命，使設計師們有更多的發揮空間。智能化、多光型的大燈必將成為未來的發展趨勢。（3）從開發進程來看，由于市場競爭激烈，汽車車燈開發周期越來越短。

三、非金屬3D打印技術在汽車燈具設計的應用

（一）在汽車燈具開發不同階段的應用在汽車燈具不同開發階段，如圖3，3D打印技術應用主要包括概念設計、技術論證和直接制造三個方面，如表2。概念設計階段，3D打印技術為創意產品設計與研發提供了創新的實現途徑，一方面大大拓展了設計師的創新空間，可以通過優化拓撲設計及材料制造功能梯度結構，最大限度地發揮材料的功能，為許多裝備設計和制造帶來前所未有的進步，使設計擺脫了傳統技術的束縛，給創新設計提供了巨大的空間。就燈具設計而言，特別在燈具與整車的嵌入方式、燈具的組合方式、內燈罩的裝飾造型等方面，設計師傅可以充分發揮想象能力，甚至全面改變外等罩、內燈罩、底座的三大主體結構，按照一體化成型方面展開組合方式的新探索。另一方面，大大縮短了設計到實物樣件的成形周期，而且降低了創意設計的成本。從用戶研究、創意構思、方案3D打印，一氣呵成，可以在短時間內低成本、迅捷地將設計師的創意轉換為形象化、立體化的三維實體原型，這將為創意產品的研究、創意設計的反復迭代提供可能和保障。概念設計階段，3D打印燈具的主要特征是要嚴格的尊崇設計師的理念和創意。技術論證是產品功能的以實現的保障，在燈具設計過程中主要包括光型的論證、結構論證、裝配認證，每個階段所考核的指標不一樣。光型驗證主要根據光學原理，在選定的光源技術的前提下，保證通過相應的結構能實現光的折射和反射，最終達到國家和行業規范所規定的值，主要涉及關鍵的局部結構和表面處理工藝。結構驗證主要針對創新的結構設計、部件與部件之間的連接、密封配合。裝配驗證，主要對燈具部件的組合方式、零件與零件的連接方式、部件與車身的鏈接等方面的驗證。3D打印技術可以快速地對部件的創新結構、局部的連接方式、安裝方式進行快速實物原型的驗證，為產品的結構創新和可靠性設計提供檢驗方式與方法。鑒于3D打印暫時還不能實現大批量制造，所以直接制造階段主要針對汽車車燈路試階段的小批量裝車路試件的制作。這是對車燈整體設計的全面檢驗，包括與整車品牌和文化的契合度，車燈的燈管效果、氣密性、扇熱效果等。特別是環境的耐候性能的要求，比如白天夜晚、晴天與雨天、車燈持續工作發熱對原型實物的檢驗。

（二）開發流程的優化在燈具開發過程中，由于燈具往往作為整車的關鍵配件開發，研發廠商服務于主機廠或汽車設計公司，基本流程如圖3，包括與上游廠商商務對接，明確設計需求，根據需求和國家或行業規范展開造型設計、光型設計、結構設計、模具設計、小批量生產進行裝車路試，這一切都的認可后進行量產。其中，每個階段都要進行確認和相關評審，從圖中可以看出，需要借助手板樣件進行多次實物評審。通過調研發現，絕大部分設計公司或車燈研發部門都是通過外協方式進行。手板公司單件燈具手板制作流程為包括三維數據模型的分塊與重組，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是化整為零，將燈具整體拆分為一個個容易加工的部分，分布用CNC加工后在組合拼裝，如圖4。而對于小批量樣件試制流程包括，制作單件手板，開硅膠模具、制作一體化部件，表面處理（噴漆、電鍍等），裝配，交付等。如圖4，其特點是用低成本、易開具的硅膠模實現構件的整體成型，而這種模具只能較好地完成10-20左右的高質量概念原型，從整體開發流程看，用于概念設計和技術評審階段的手板至少得制作2-3次以上，裝車路試階段需要小批量制作。整體燈具開發周期為1年計算，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和工藝參數設置；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打印技術將相當一部分工作交給3D成型設備，只要備料、設置好相應參數后，機器可以24小時連續自動工作。大大提高成型效率，節約開發時間。

（三）為個性化定制提供解決方案傳統的個性化創意設計受工業革命影響以大批量生產方式為主，很難做到設計的差異性和個性化[7]。而3D打印技術則更加符合個性化創意設計理念，能夠實現單件或小批量的制造，從而滿足消費者各種不同的需求。將3D打印技術應用于人性化創意設計中，根據用戶的需求和喜好，或對產品使用的情景實施針對性設計，消費者能夠享受人性化帶來的舒適也能享受個性化帶來的品味與愉悅[8]。就燈具設計而言，一方面，針對高端客戶或則發燒友的高端個性化定制，實現個性化改裝等成為可能；另一方面，同一車型，不同燈具造型方案（形、色、質）等可供客戶根據個人喜好進行多方案的選擇。

四、汽車燈具的非金屬3D打印實踐

以XX型汽車大燈為例，通過UG完成前大燈的三維數據模型，如圖5；選用非金屬3D打印技術Polyjet進行驗證。設備選用PolyJet3D打印機，使用光敏樹脂材料，該材料能夠模擬從類橡膠到透明材料在內的多種材料特性——甚至還可模擬高韌性和高耐熱性。數字材料通過混合兩種或多種基本樹脂得到成百上千的材料混合，擴大了材料可能性。實現全面色彩功能、肖氏硬度A值和其他特性，達到最大的產品逼真度。Objet500設備尺寸1400x1260x1100mm，如圖6；最大構造尺寸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。打印過程包括，前處理：CAD模型格式轉換，采用STL格式的數據文件，用若干小三角面片來逼近模型的外表面，關鍵在于控制好模型的精度；3D打印:首先擺放好模型位置，自動加支撐，設置主要參數，即可打印。后處理:取件——去支撐——后處理，打印過程如圖7、8、9、10，用時約10小時，通過實踐，與傳統模型制作方法（CNC+手工）比較，如表3。從實踐驗證來看，3D打印以一體化成型的優勢，與傳統模型制作方式相比，燈具模型的3D打印，在工序上減少了5/9，時間上節約了4/5，主要解決了傳統模型制作的工序繁瑣、招工難等問題；當然在現有的技術和設備條件下，由于工藝成型方式和材料特性，3D打印技術在燈具打印件中存在螺紋連接強度、模型耐高低溫等痛點。

結語

3D打印以其獨特的優勢，對汽車行業的產品研發和生產制造有著重要的影響，必將為汽車行業的發展帶來巨大的變革。從當下來看，非金屬3D打印技術適合小批量生產，短時間內無法完全替代傳統制造，3D打印件的表面質量與實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。從功能認證和最終生產來看，材料的選用尚有一定的局限性。我們相信在不久的將來，3D打印技術在材料、軟件接口、設備等方面會大大完善，形成具有整體規模和競爭力的產業鏈，助推汽車行業的產業升級。

參考文獻

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[4]杜杰.汽車車燈造型模式設計分析[J].科技資訊.2013（6）：101-101.

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

[8]余森林，毛一鳴.工業4.0時代3D打印技術對工業設計的系統性影響[J].設計.2016(19）:64-65.

作者：劉李明 陳超 包泓 單位：江蘇科技大學機械工程學院