现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的消费需求,就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善,可以完成各种动力、强度、刚度分析,但研究开发中仍需要做成实物以验证其外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件,可以采用增材制造技术制作零件原型来验证设计人员的设计思想,并利用零件原型做功能性和装配性检验,图5-5a为采用光固化成型工艺制造的用于装配检验的汽车水箱面罩原型。
汽车发动机研发中需要进行流动分析实验。将透明的模型安装在简单的实验台上,中间循环某种液体,在液体内加一些细小粒子或细气泡以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功地用于发动机冷却系统(气缸盖、机体水箱)、进排气管等的研究。问题的关键是透明模型的制造,用传统方法耗时长,花费大且不精确,而用SLA技术结合CAD造型仅仅需要4~5周的时间,且花费只为之前的1/3,制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD数据要求,模型的表面质量也能满足要求。
进气道是发动机十分重要的一部分,由形状十分复杂的自由曲面构成,它对提高进气效率、改善燃烧过程有十分重要的影响。在发动机的设计过程中,需要对不同的进气道方案做气道试验,传统的方法是用手工方法加工出由十几个或几十个截面来描述的气道木模或石膏模,再用木模的砂模铸造出气道,对气道进行吹风试验找出设计不足后,还要重新修改模型。如此要反复多次,每一次都要手工修改或重新制作,费时费力,且受木模工技术水平影响很大,精度难以保证。采用增材制造技术可以一次成型多个不同的气道模型,而且形状和所设计的模型完全一致。和传统的手工制作木模的方式相比,不仅可以提高模型精度,而且能够降低制作、修改成本,缩短设计周期。图5-5b所示为用于冷却系统流动分析的气缸盖模型。为了进行分析,该气缸盖模型装在了曲轴箱上,并配备了必要的辅助零件。当分析结果不合格时,可以将模型拆卸,对模型零件进行修改之后重装模型,进行另一轮的流动分析,直至各项指标均满足要求为止。
图5-5 光固化原型制造在汽车领域的应用
韩国现代汽车公司采用了美国Stratasys公司的FDM成型系统,用于检验设计、空气动力评估和功能测试。现代汽车公司自动技术部的首席工程师Tae Sun Byun说:“空间的精确和稳定对设计检验来说是至关重要的,采用ABS工程塑料的FDM Maxum系统满足了两者的要求,在1382mm的长度上,其最大误差只有0.75mm。现代公司计划再安装第二套RP成型系统,并仍将选择FDM Maxum,该系统完美地符合我们的设计要求,并能在30个月内收回成本。”图5-6为韩国现代汽车公司采用FDM工艺制作的某车型的仪表盘。
图5-6 韩国现代汽车公司采用FDM工艺制作的某车型的仪表盘
采用SLS工艺快速制造内燃机进气管模型,如图5-7所示,可以直接与相关零部件安装接合,进行功能验证,快速检测内燃机运行效果以评价设计的优劣,然后进行针对性的改进以达到内燃机进气管产品的设计要求。
捷豹路虎使用Objet Connex500生产了一个完整的仪表板通风口,如图5-8所示。这个仪表板通风口使用刚塑性材料的壳体和空气偏转叶片,橡胶类材料的控制旋钮和空气密封。制作完成后经过清洗和测试,证明所有叶片上的铰链和控制旋钮都符合要求。
图5-7 采用SLS工艺制作的内燃机进气管模型(www.xing528.com)
图5-8 利用Connex500制作的仪表板通风口
派克汉尼汾的RACOR部门设计了一款用于尾气排放的过滤器,以满足柴油发动机制造商新的排放要求。该公司使用其Fortus FDM系统创建了一个PPSF制作的过滤器的原型。利用该过滤器原型进行了功能设计测试,测试结果显示这个利用增材制造技术制作的过滤器性能非常好。图5-9为过滤器的数学模型及FDM工艺成型的过滤器。
图5-9 过滤器的数学模型及FDM工艺成型的过滤器
法雷奥汽车空调湖北有限公司每年生产100万组汽车空调(A/C)系统或零件。因为经营环境中的竞争异常激烈,法雷奥必须确保其研发和设计过程的总体安全性,从而能快速且经济有效地将创新产品投放市场。传统的原型设计方式往往无法满足法雷奥空调在设计方面的精度和细节要求,加工周期非常长,而利用增材制造技术制作模型具有较高的精确度和结构强度,并且材料性能非常好,完全符合技术要求,并按组件和产品要求进行早期评估。如果生产中出现问题而需要对产品进行更改,研发团队可通过立即测试修改的设计来进行快速响应。图5-10为利用增材制造技术制作的汽车空调外壳。
图5-10 利用增材制造技术制作的汽车空调外壳
汽车车灯在新车开发中占据着非常重要的地位,其新颖性及其外观与整车的匹配等都是设计中必须考虑的因素。快速制造其样件并与车模安装进行整体评估,已经成为新车型开发中必需的环节。图5-11为利用SLS工艺制作的汽车车灯样机支架。
图5-11 利用SLS工艺制作的汽车车灯样机支架
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