摘要：作为先进的数字化增材制造技术，3D打印成型以其个性定制、快速成型、可构造复杂型面、节省材料等特点，在包装设计中可以发挥突出的作用。本文介绍了5种常见的3D打印技术及其特点，并将3D打印技术应用在汽车零件包装设计中的各个环节，如样品制作、模拟验证、检具制作等，从而提高包装设计效率。
关键词：3D打印技术；汽车零件包装设计
3D打印(3Dprinting)是一种基于原料喷射成型原理的快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP)。3D打印与喷墨打印机的工作原理有些相似，它是以数字化模型为基础，运用粉末状或丝状金属、塑料、陶瓷等材料，通过逐层打印的方式构造物体。与普通打印机只能打印平面纸张材料不同，3D打印技术综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学及材料科学等诸多方面的技术与知识，可以将电脑上设计的3D模型通过打印的方式快速输出固体实体模型[1]。区别于做减法的去除式制造技术，3D打印技术是一种做加法的增材制造技术，可降低模型的造价，节省产品开发的成本和时间。
13D打印技术介绍
一般来说，通过3D打印获得一件物品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段，具体流程如图1所示。目前国内外常用的3D打印有：（1）熔融沉积（FDM），（2）光敏固化（SLA），（3）选择性激光烧结技术（SLS），（4）分层实体制造（LOM），（5）三维印刷（3DP）。这些3D打印技术主要区别在于打印材料种类和成型方法、速度、成本等。
1.1FDM(熔融沉积成型FusedDepositionModeling)
FDM也叫“熔融沉积”技术，工作原理是加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，呈现半流体性质，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。当一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体，模型制作完成后，再去除支撑结构即可[2]。该技术的优点是成本低、操作安全简便；缺点是精度差、速度慢、成型过程需要支撑结构。
1.2SLA(立体光固化成型StereoLithographyApparatus)
SLA也叫“光敏固化”技术，是应用最早、目前研究最深入、使用最广泛的快速成型技术之一[3]。其原理是用紫外激光聚焦到液体感光树脂层表面，使其由点及面快速固化，从而完成单层材料的图形化，层层叠加至整个样件成型。将成型件没入配好的化学药液中，洗掉多余的树脂，再在带紫外线的烘箱内完成产品的进一步固化[4]。该技术的优点是工艺成熟、成型速度较快、系统工作稳定，且精度高、表面质量好；缺点是设备和材料成本高、操作复杂，树脂材料成型后易碎、不利于长时间保存，成型过程需要支撑结构。
1.3SLS(选择性激光烧结SelectiveLaserSintering)
SLS也叫“粉末材料选择性激光烧结”技术，其加工过程是由敷料辊将粉末状的材料均匀敷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层上扫描，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型[5]。该技术优点是精度高，可用包括金属材料在内的多种材料，应用广泛，无需支撑结构；缺点是成型表面粗糙、加工时间长，需使用激光器，设备投入和维护成本高。
1.4LOM(分层实体制造LaminatedObjectManufacturing)
LOM也叫“分层实体制造”技术，是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的固体片材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对固体片材完成一层材料内外轮廓的切割后，将经送料结构送上的一层新材叠加上去，已切割层经粘压装置粘合在一起，如此重复，完成模型制作[6]。该技术优点是成型速度快、精度高，可加工内部结构简单的大型零件，制作成本低，无需支撑结构；缺点是需使用激光器，设备投入和维护成本高，主要材料为纸或箔材，性能差，难以构建形状复杂的零件。
1.53DP(三维印刷粘接ThreeDimensionalPrintingandGluing)
3DP也称“三维印刷”技术，其工作方式与传统二维喷墨打印最接近。与SLS工艺一样，3DP也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件，不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结，而是通过喷头喷出的粘结剂。其工作原理为：首先将粉末通过水平压辊平辅于打印平台之上，同时将带有颜色的胶水通过加压的方式输送到打印头中存储。接下来系统会根据三维模型的颜色将彩色的胶水进行混合并选择性的喷在粉末平面上，粉末遇胶水后会粘结为实体；一层粘结完成后，打印平台下降，水平压棍再次将粉末铺平，然后再开始新一层的粘结，如此的反复层层打印，直至整个模型粘结完毕。该技术的优点是成本低、加工速度快，操作安全简便，可打印彩色原型，没有支撑结构；缺点是成型强度低，表面粗糙。
23D打印技术在汽车零部件包装设计中的应用
2.1汽车零部件包装设计流程
零件包装是物流过程中为了保护零件产品，方便储运和搬运，提升运作效率，缩短制造周期，按一定技术方法而采用的容器、材料和辅助物等的总称。包装作为物流环节中的重要一环，在整个物流过程中起着举足轻重的作用。汽车零部件包装设计需考虑零件从供应商到仓库再到生产线整个环节可能会出现的各种对零件质量有影响的问题，并想办法解决保护零件质量，保证成本和人机工程。合理的包装设计流程可以大大减少设计中的出错机会，有利于保证包装设计质量，提高包装设计效率。包装设计流程包括信息收集、概念设计、样品制作、测试验证、图纸归档、首件验收等主要步骤。
2.1.1信息收集
包装信息收集是包装设计的重要一步，为了使包装能有效的保护零件质量，符合使用需求，必须全面收集以下各方面的信息：（1）零件信息：包括零件属性、尺寸、重量、零件数模、单台用量等；（2）车间工艺信息：包括生产线装配工艺、生产节拍、线旁空间、取料方向、吊夹具信息、人机工程等；（3）物流规划信息：运输方式、搬运方式、仓储堆叠、是否需要排序等；（4）其它特殊要求：包括防锈、防尘、防潮、防静电等。
2.1.2概念设计
信息收集完成后，就要综合物流规划、工艺布置、生产设备操作等方面的需求，在满足安全、质量、成本、人机工程等原则的前提下，对零部件包装进行概念设计。包装概念设计优先选用标准包装，在标准包装不能满足需求的情况下设计专用特殊包装。特殊包装的设计通过三维绘图软件进行，将零部件数模在三维图形中进行匹配模拟，并在结构、定位、材料方面进行详细的设计和校核。包装概念设计完成后，组织相关部门进行联合评审。
2.1.3样品制作
包装概念设计方案评审通过后，包装设计部门将包装数模生成详细的二维图纸，由包装实物制造单位根据包装设计图纸造出成品模型。包装样品模型一般只制作一个，属于定制化的制造，制作过程需要包装设计人员参与跟踪指导。包装样品模型制作完成后，包装设计部门需组织生产、质量和物流相关部门对包装样品进行现场评审，从包装尺寸、包括结构、包装材料选择、包装对零件质量的防护以及生产和物流操作安全、取放料、人机工程等方面进行联合评审。
2.1.4测试验证
包装样品评审通过后，为了测试包装设计的安全性和合理性，需对包装样品进行测试验证。测试项目包括路况动态测试和各个试生产阶段的实际发运上线验证。重要的零件包装还需进行冲击、振动、堆压、跌落等实验室测试。
2.1.5图纸归档
包装样品测试验证通过后，就进入到图纸归档阶段。包装设计人员对包装制作工程图纸进行完善，为进入到包装批量采购制作阶段做准备。同时还应准备全套的辅助资料，包括验收规范、点检规范和作业指导书等。
2.1.6首件验收
图纸归档完成后，制作图纸发放到包装制作供应商，进入到包装批量制作阶段。批量制作的工艺和材料与之前的样品可能会有差异，因此批量制作的首件需经包装设计人员和包装制作质量检验人员联合检验。如果检验不合格，则需调整制作方案或设计方案。首件验收通过后，意味着包装设计阶段的结束。
2.23D打印技术在汽车零部件包装设计中的应用
在汽车新车型项目启动的过程中，一般要求在项目预试生产阶段(PPV)需投入包装样品，在试生产阶段(NS/S)需投入相应的批量包装。在保护零件质量、避免临时包装带来一系列问题的同时，也在和生产同步验证包装设计的安全性和合理性。汽车新车型启动项目节点一般是固定的，对包装样品和批量投放有着严格的要求，因此汽车零部件包装设计在时间节点上要求非常高。由于汽车新车型项目的复杂性，很多零部件产品设计、生产工艺和物流规划信息都不能及时获得，有时候则是信息变更后留给包装设计的时间很短，因此在汽车零部件包装设计中，响应速度和设计效率就显得尤为重要。因此，汽车零部件包装设计具有造型复杂、时间节点要求高等特点。而3D打印技术以其可打印复杂型面、成型快速的特点，在样品制作、测试验证、首件验收三个环节可以发挥重要的作用。
2.2.1样品制作
包装概念方案完成后，包装设计部门需组织各相关方对包装设计方案进行直观的评审，这就需要把设计概念转化为包装样品实物模型。由于方案还存在很大的修改可能性，包装样品制作不是按照批量制作的方式进行，而是一个定制化制作的过程。特别是对于一些型面复杂的定位结构，如果按照传统的方式制作，需经过图纸绘制、采购外协、备料、机加工等一系列过程；而采用3D打印方式，能直接将概念设计数模转化为实物样品，省略了中间一系列过程，大大提高了包装设计的效率。以某整车项目转向机料架定位块为例，采用传统的样品制作方式大概需要一周时间，而采用3D打印的方式则只需一天，使包装样品验证时间大大提前。
2.2.2模拟验证
样架制作完成后，需要零件实样进行验证。在包装设计方案验证环节，样件的获取是非常重要的，如果没有样件，就难以发现包装定位配合干涉等潜在的一些问题。但汽车零部件包装设计阶段正处于项目早期，很多时候不能从产品工程或制造工程部门及时获取样件，使得包装设计处于停滞状态，从而影响整体包装项目进度。利用3D打印技术，包装设计部门可以把零件整体或者零件的关键特征点制作出来，替代样件对包装样品进行验证。以某新型发动机项目为例，该项目有纵置和横置两种类型共12个机型，这些发动机都在同一条生产线上装配，要求包装兼容所有的机型，这无疑给包装设计带来了很大的难度。最为关键的是，该项目横置发动机要一年之后才启动，当前只有纵置发动机的样机。缺少了横置发动机样机的验证，料架设计方案就不能保证能兼容所有的机型。利用3D打印技术，包装设计部门可以对发动机数模进行处理，提取与料架定位相关的部分并进行实样打印，从而与料架样品进行模拟验证。
2.2.3首件验收
包装设计最后一个环节为首件验收，由设计者、使用部门和采购申请人对制作供应商的首件进行确认。包装设计概念方案和样架方案评审通过后，转化为制作图纸，制作供应商根据图纸进行制作。由于批量制作的加工方法和包装样品相比有较大的差异，制作完成的首件还需进行评审检验，以发现制作过程或者设计中的问题。首件检验需要将零件样件放到料架上，确认料架结构、定位和功能是否符合要求，但是对于一些特殊的零件如发动机总成等，用零件实物在料架上一一校验将显得非常不方便。因此，需要制作便于移动携带的检具，对首件以及后续批量制作的料架进行快速有效的检验。以发动机为例，一般情况下，由于型面和定位方式的差异，每种发动机料架需单独制作一种检具。而通过3D打印技术，针对各种发动机料架制作相应的特征块，安装在通用的母板上，形成“柔性检具”，对不同发动机的检验只需更换特征块即可。采用这种“柔性检具”，每个项目可以节约近5000元，检具制作的周期缩短两周。
3结语
3D打印技术能将数字化设计方案直接转换为实物模型，具有快速成型、可构造复杂型面、节省材料等特点，契合了汽车零部件包装设计的需求，在包装样品制作、模拟验证和首件验收等环节发挥了重要的作用，有效的提高了包装设计的速度和效率，降低了包装设计成本。随着打印技术和材料的进一步发展，3D打印技术的应用领域将进一步拓宽，在包装材料的制备、包装器具的制作以及整个包装行业中的应用前景将会越来越广泛。
参考文献：
[1]乔益民,王家民.3D打印技术在包装容器成型中的应用[J].包装工程,2012,33(22):68-71.
[2]牛一帆.塑料包装,2014,25(5):22-25,16.[4]蒋立新,等.中国军转民,2013(12):58-62.
[3]覃丹丹,等.快速成型技术在人工骨制造过程中的应用研究.生物骨科材料与临床研究,2006.2:38-41.
[4]杨恩泉,3D打印技术对航空制造业发展的影响.航空科学技术,2013.1:13-17.
作者:赵华坚 袁亚君 蔡正兴 单位:上汽通用汽车有限公司