电气工程与电子技术学报

3D 打印用于汽车行业特殊部件的原型制作

尼古拉·科塞托

工业 4.0 中创新技术的发展表征并定义了用于 3D 打印的新材料的开发，这些材料具有全新的特性，特别是新的“材料模式”。其中之一肯定是 TPU（热塑性聚氨酯），它是创新增材制造后续研究应用的主角。这种聚合物具有许多优点，例如高抗冲击、耐磨、擦伤和切割性；此外，它具有相当先进的层间粘合性，可在制造的零件层面上实现出色的机械均匀性，使其具有各向同性。拟议的案例研究展示了解决用于测试录制和赛车测试的视频设备过热引起的问题的结果，设计了一种创新的解决方案，该解决方案始终可用，同时避免任何类型的电气化技术，以避免设备故障和重量的增加。高度关注热应力，以使组件具有高水平的耐高温性，这些高温在夏季驾驶舱内从挡风玻璃暴露在阳光下时产生。重要的是使用成本低廉、性能卓越的家用 3D 打印机，其技术材料如今也以相当便宜的价格出售。以下研究使用的工具代表了低预算的选择，将设计提升到新的挑战水平，从而使 3D 打印成为每个人都可以使用的工具，以正确复制无法大规模生产的元素。这些工具包括：带高分辨率摄像头的智能手机、流体动力机械部件、家用 3D 打印机、TPU 材料卷轴以及带有摄影测量和 3D 建模软件的计算机。所用程序包括确定初始步骤，具体而言，对用于此次测试的汽车（赛车 Lamborghini Huracan）的冷却格栅进行测量和三维扫描，由于所讨论模型的形状简单，因此可以使用简单的摄影测量技术。摄影测量的数字测量阶段始于用不同的镜头拍摄汽车仪表板的照片，然后将其传输到数字媒体中，通过软件处理冷却网格的清晰图像，然后根据之前检测到的不同图案将其放大到全尺寸，以便正确解释设计所需的所有测量值。然后通过使用市场上已有的组件来确定该程序，选择防水模块化流体动力学管和适合热应力的通用模块化接头，并仔细进行定位研究以确定放置上述组件的合适位置。确定合适的尺寸框架后，便可以对装置进行正确的数学设计，以最佳优化室内空调系统的气流对流。期望的目标是利用车辆冷却系统来冷却位于挡风玻璃上的摄像头，所用元件的重量显著减轻，采用单一材料，不会出现电气或其他故障，还能耐受夏季赛道的高温。接下来的步骤是使用 Rhinoceros 3D 等软件在数字环境中直接在检测到的网格元素上对组件进行三维建模，同时遵守正确打印相关材料所需的所有类型标准，事实上，TPU 需要最小厚度才能为模型提供适当的灵活性，从而在安装到网格上后获得正确的气密闭合。始终使用 3D 建模软件，可以将组件放置在虚拟环境中进行几何和风格验证，并与汽车领域的不同驾驶员和技术人员进行仔细比较，以选择合适的美观和功能组件，并使用测试材料对打印模型进行不同的物理测试，以物理方式了解与产品在汽车内饰中的应用相关的问题。 关键步骤肯定是尊重风格形式和正确设计的几何形状之间的平衡，以便在没有悬臂层支撑的情况下进行干净且时间优化的打印，这一特点是通过精心的“阶梯式”设计实现的，将原型的平坦部分直接放在印刷板上，从而实现轮廓不断增加的模型构造，通过仔细管理整个打印阶段并在打印过程中的不同时间适当操纵不同的温度来实现。为了研究材料的行为和设计模型的形态，为了进行不同的测试并改进其特性，我们进行了各种测试，使用不同类型的 3D TPU 打印材料对不同类型样品的不同行为进行了仔细的研究。结果是通过验证最终定义的物理产品获得的，该产品无需通过胶合和/或螺纹连接来创建连接系统，事实上，所使用的方法包括避免使用旨在实现最佳产品性能的组件胶水，即优化驾驶舱不同位置摄像头的冷却，而不会损坏昂贵且技术先进的汽车仪表板，使设计的组件完全可拆卸，而不会在压缩碳表面留下任何附着痕迹。此项活动证实了上述技术的价值，通过适当的技术转让提高了性能，以便能够在任何设计和制造需求中最大限度地提高产品和组件的性能，管理由于运行3D打印机和工业材料供应成本高昂而前所未有的特殊原型制作活动。