CN110573754B - 用于3d打印的车辆架构即接头的组装方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种组装车辆部件的方法，所述方法包括：相对于邻接部件(22)定位节点(20)，测量所述节点或所述邻接部件的至少一个几何特征，基于所述测量3D打印组装调节构件(24)，以及将所述组装调节构件放置在所述节点或所述邻接部件中的至少一者附近。所述组装调节构件被构造成允许所述节点与所述邻接部件之间的相对运动，以用于后续加工操作。

Description

用于3D打印的车辆架构即接头的组装方法

技术领域

本公开涉及机动车辆的组装，并且更具体地涉及3D打印或增材制造在机动车辆的制造和组装中的用途。

背景技术

本章节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

汽车制造商在构建更安全而又更轻量化且更高效的车辆时面临着许多相互冲突的压力。人们不断开发新的技术以试图通过诸如原材料、加工方法和将它们集成到车辆结构中的多种手段来减轻车辆质量。这些新技术使得能够实现更高效设计和制造的结构，这些结构能够满足结构性能要求，同时还减轻车辆质量并因此提高燃油经济性。

一个进步领域是金属和塑料的3D增材制造的激增，以及通过3D扫描系统进行的质量管理。对构建质量的管理是重要的，因为较大较硬的部件(诸如铸造或打印节点和长挤出件)可能不满足车身结构中的零件装配要求。配合的部件之间的间隙可使某些接合方法不可行并且还在结构中产生残余应力。因此，当将所有部件及其公差配对并优化以一起使用时，车辆的整体尺寸和制造稳健性得到改善。

发明内容

在一种形式中，提供了一种组装方法，特别是组装车辆的方法，该方法包括：相对于邻接部件定位节点，测量节点或邻接部件的至少一个几何特征，基于该测量而3D打印组装调节构件，以及将组装调节构件放置在节点或邻接部件中的至少一者附近。组装调节构件被构造成允许节点与邻接部件之间的相对运动，以用于后续加工操作。后续加工操作是诸如电泳涂装(E-Coat)工艺、喷漆和其他涂装工艺之类的工艺，尤其是用于汽车/车辆制造的那些工艺。这些工艺通常包括热量，由于热膨胀系数的差异，该热量导致正在组装的零件之间的相对运动。

在本公开的变型中，3D打印是与组装方法原位执行的，3D打印是离线执行的并且组装调节构件是预先制造的，组装调节构件选自标准组装调节构件的库，并且组装调节构件设置在节点与邻接部件之间。

在另外的变型中，节点制造有至少一个工具加工特征，并且将部件坯料放置在节点上并用该至少一个工具加工特征定位，然后将组装调节构件打印到部件坯料上。

节点和/或邻接部件本身可以通过3D打印工艺形成。

在本公开的其他变型中，邻接部件限定插入件，该插入件至少部分地设置在节点的中空空间内。在后续加工操作之后，可将节点的中空空间至少部分地用粘合剂填充，并且粘合剂可以通过注入口注入节点的中空空间。此外，在后续加工操作之后，可以在节点内机械地固定邻接部件。

在另一种形式中，节点还包括渐缩外部几何结构，该外部几何结构被构造成在节点与邻接部件之间提供额外的相对运动。

在又一种形式中，测量多个节点和多个邻接部件，并且将3D打印的组装调节构件与节点和邻接部件的最接近的配合几何结构配对。组装调节构件被构造成允许节点与邻接部件之间的相对运动，以用于后续加工操作。

在又一种形式中，节点是针对设计负载条件而优化并由3D打印工艺形成的“有机”节点，该节点限定至少一个接收部分和外部几何结构，该外部几何结构以弹性且达到塑性的方式构造以变形从而将节点装配到邻接部件上。

应当理解，这些各种零件构造、扫描技术以及制造和组装方法可以单独地或以任何组合实现，同时保持在本公开的范围内。

根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅出于说明的目的，而无意限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图描述通过示例的方式给出的本公开的各种形式，在附图中：

图1A是根据本公开的教导构造的节点和配合部件的透视图；

图1B是节点和配合部件的沿图1A的线1B-1B截取的剖视图；

图2是示出根据本公开的教导的方法的流程图；

图3是根据本公开的教导的具有固定/工具加工特征的节点和部件坯料的侧面剖视图；

图4A是根据本公开的教导构造的具有滑移面的节点的侧面剖视图；

图4B是根据本公开的教导构造的具有滑移面的节点的另一形式的侧面剖视图；

图5A是具有渐缩延伸部并根据本公开的教导构造的节点的透视图；

图5B是图5A的节点的侧视图，该节点具有垫片并且根据本公开的教导构造；

图6是根据本公开的教导构造的具有粘合剂注入口的节点的侧面示意图；以及

图7是根据本公开的教导构造的有机节点的透视图。

本文所述的附图仅出于说明的目的，而无意以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，而无意对本公开、应用或用途进行限制。应当理解，在整个附图中，对应的附图标记指示相同或对应的零件和特征。

如本文所用，术语“3D打印”或“3D打印的”应被解释为与“增材制造”相同，或者通过材料或颗粒的累积形成零部件的工艺。举例来说，此类工艺可以包括立体光刻、金属烧结和光聚合等，它们包括在材料挤出、材料喷射、粘结剂喷射、片层压、容器内光聚合(vatphoto polymerization)、粉末床熔融和直接能量沉积的大类中。这些工艺应被视为在本公开的范围内。

参见图1A和图1B，更详细地示出和描述了“即时”(JIT) 3D打印节点配合表面。在这种形式中，车辆总成包括至少一个节点20、适配到节点20上的至少一个部件22以及定制3D打印的界面构件24，本文也更一般地称为“组装调节构件”，设置在所述节点的至少一个表面与所述部件的至少一个配合表面之间，其中定制3D打印的界面构件24包括由节点20和部件22的物理测量值限定的几何结构。节点20和部件22的界面几何结构(诸如节点延伸部21的内径和配合部件22的外径)使用诸如CMM (坐标测量机)、激光几何测量系统和/或摄影测量系统等技术来测量。然后生成这些实际几何界面的CAD模型以创建界面构件24的模型，该模型可以使用3D打印技术快速制造。因此，界面构件24针对特定的各个界面来定制尺寸，并允许部件22通过某些热加工(诸如涂装或喷漆)在节点20内移动。粘合剂和/或机械接头可以在这种热加工之前或之后在总成中施加/固化，以提供结构连接。

如本文所用，术语“节点”应该被解释为表示用于接合一个或多个配合部件的零件或构件，所述配合部件可以位于节点的一个或多个位置。节点的示例可以在美国已公开的申请号20170001368及其相关申请家族中找到，这些申请通过引用方式整体并入本文。

通常，基本节点几何结构由车辆的包装要求限定，将3D扫描的配合部件数字化并将间隙针对装配而优化。通过配合的节点表面也可以主动管理配合部件的趋势贴合(trend-fit)。填充间隙的3D打印表面被打印并交付以进行构建。因此，如图2所示组装车辆架构的方法包括：制造至少一个节点，制造被构造成装配到节点上的至少一个部件，扫描节点和部件的几何特征，使用3D打印工艺基于扫描的几何特征制造定制界面构件，将定制界面构件交付到构建位置，以及在节点与部件之间插入界面构件以将节点固定到部件上。

参考图3，为通过3D打印定制的部件提供夹紧 (工具加工/定位)几何结构。通常，提供将部件组装到节点上的方法，该方法包括：制造具有固定/工具加工特征32的节点30，将部件坯料34放置在节点30上并通过固定/工具加工特征32定位部件坯料，然后将附加材料36 3D打印到部件坯料上以形成最终部件几何结构。在这种形式中，附加材料36是“组装调节构件”，该组装调节构件允许节点30与邻接部件(图3中未示出)之间的相对运动，以用于后续加工操作。

通常，3D打印材料与由3D打印/铸造/片状金属制成的部件相容，固定点位于节点的主体上，并且这些点允许部件被定向以允许零件上的最终增材制造。机械臂或类似的移动装置移动和指引零件通过增材制造过程。该零件可以垂直于构建平面和烧结机构定向。

现在参考图4A和图4B，更详细地示出和描述了具有集成滑移面的节点的本公开的另一种形式。如图所示，滑移面可以在零件几何结构的内部，并且机械接头能够相对于接头固定配合部件和节点。接头可以在车身车间、油漆车间或装饰和最终设施中制造。此外，粘合剂可以在内部接合节点并改善零件的刚度。还可以通过随后将滑动接头机械地接合到节点来固定插入件。

因此，提供了用于车辆架构的节点总成，该节点总成包括限定内腔42的主节点40和设置在内腔内并延伸到主节点外部的节点插入件44，节点插入件44限定被构造成与部件配合的区域。任选的粘合剂材料46填充内腔42的至少一部分，并且至少一个机械构件48或粘合剂适于将部件50固定到节点插入件44上。节点插入件44适于在热处理期间在主节点40内平移，而任选的粘合剂材料46为主节点40提供额外的刚度，并且主节点40和节点插入件44中的至少一者使用3D打印工艺制造。

在图4B中，示出了挠性接头轴，其中提供了用于车辆架构的节点总成，该节点总成包括限定内腔和延伸部的节点以及填充内腔的至少一部分的任选的粘合剂材料。主节点的延伸部可以适于在相邻部件的配合期间塑性变形，并且其中节点使用3D打印工艺制造。配合部件和节点可以同样通过机械紧固件和/或粘合剂接合。

现在参考图5A和图5B，提供了用于车辆总成的节点总成，该节点总成包括限定肩部62和从肩部62延伸的延伸部64的节点60，以及围绕节点60的肩部62延伸的垫片66。节点60使用3D打印工艺制造，并且垫片66选自尺寸库以适应车辆组装公差。垫片库还可以用于在单个平台上实现多个主体样式，或者换句话说，将不同的配合几何结构接合到共同节点几何结构。类似地，垫片也是“组装调节构件”，其允许节点30与邻接部件(图5A至图5B中未示出)之间的相对运动，以用于后续加工操作。

通常，可以制造渐缩或非渐缩表面以增加粘合面积或渐缩的正方形、矩形或圆形的变体，如配合部件所要求的。垫片可以是任何金属或聚合物材料。垫片“库”允许将零件公差范围有效地用于车辆中。垫片可具有弹性，这将允许具有不同热膨胀系数的零件有效地用于接头中。垫片材料和几何结构还可以有效地减少产生可接受的构建条件所需的垫片变体的数量。

参考图6，提供了又一个节点，该节点具有粘合剂注入口，该注入口可在油漆车间和/或装饰和最终设施中接近。节点70限定凹陷部72，该凹陷部被构造成位于待组装到节点70上的部件(未示出)附近，其中节点70限定与凹陷部72流体连通的内部通道74，该内部通道74适于接收粘合剂材料并将粘合剂材料运送到凹陷部72以将节点70接合到部件上。

在另一种形式中，提供渐缩或非渐缩节点(例如，类似于图5A中所示的节点，但没有“鼻部”)，该节点对准携带可膨胀粘合剂的部件以接合这些部件。在一种形式中，该节点限定凹陷部，该凹陷部被构造成位于待组装到节点上的部件附近，其中该部件包括可膨胀的粘合剂，并且该凹陷部是渐缩的以在组装期间适应可膨胀的粘合剂，并且该节点使用3D打印工艺制造。

在又一种形式中，提供了组装车辆的方法，该方法包括从多个配合部件中扫描配合部件的关键几何结构，将配合部件的扫描的关键几何结构与虚拟构建软件进行比较，从所述多个配合部件中对具有最接近的配合几何结构的配合部件进行配对，以及组装配对的配合部件。

参考图7，提供“有机”节点，该节点限定针对设计负载条件而优化并由3D打印工艺形成的几何结构，节点80限定至少一个接收部分82和外部几何结构84，该外部几何结构被设计成以弹性且达到塑性的方式变形以将节点80装配到相邻部件86上。对于诸如机加工或铸造之类的传统工艺，此类几何结构几乎是不可能的或成本过高，因此3D打印能够实现这些复杂但结构上有效的几何结构，这些几何结构可以弹性且达到塑性的方式变形以改善组装配合。

本文示出和描述的各种形式是复杂节点几何结构如何与简单的管配合而不存在间隙的变型。另外，本公开提供了构造混合材料(即，碳纤维复合管至铝节点)车辆的解决方案，该车辆将在传统的油漆车间中喷漆。在过去，空间框架构造需要对所有铝挤出件进行合格性鉴定，这是一个耗时又昂贵的过程。通过扫描和测量所有来料部件，假设数量足够高，则可以为每个车辆使用一组优化的部件。但是，对于低容量过程，可能有益的是，定制每个节点而不是匹配一组管。因此，改进的设计包括主节点位置和限定的配合节点。可以在低容量过程中“即时”生产配合节点，或者可以使用垫片库套在节点上并提供相同的高质量构建。

当车辆结构经受油漆烘箱处理时，可能存在的各种材料由于其不同的热膨胀系数将膨胀和收缩不同的量。因此，为了改善白车身的喷漆后的尺寸稳定性，可能有益的是，在车身结构经历其最严格的热循环之后制造最终的混合材料连接。因此，例如在装饰和最终中可接近的粘合剂注入口将允许接头在热事件期间彼此滑过，然后在服务中的温度范围内固定和固化。至少，将提供粘合剂的技术规范及其能够承受与油漆车间热循环相关的应力的粘结间隙。

本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本公开的实质的变型旨在在本公开的范围内。例如，在一些形式中，部件被构造成插入节点内或节点外，并且应当理解，可以采用这些构造的任何组合等等，同时保持在本公开的范围内，只要该构造适于在节点与配合部件之间提供改进的组装配合。不应将此类变型视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (14)

1.一种组装方法，其包括：

相对于邻接部件定位节点；

测量所述节点或所述邻接部件的至少一个几何特征；

基于所述测量3D打印组装调节构件；以及

将所述组装调节构件放置在所述节点或所述邻接部件中的至少一者上，

其中所述组装调节构件被构造成允许所述节点与所述邻接部件之间的相对运动，以用于后续加工操作，

所述组装方法还包括：

制造具有至少一个工具加工特征的所述节点；以及

将部件坯料放置到所述节点上并使用所述至少一个工具加工特征定位所述部件坯料，

其中将所述组装调节构件打印到所述部件坯料上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D打印是与所述组装方法原位执行的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D打印是离线执行的，并且所述组装调节构件是预先制造的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述组装调节构件选自标准组装调节构件的库。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述组装调节构件设置在所述节点与所述邻接部件之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述节点和所述邻接部件中的至少一者通过3D打印工艺形成。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述邻接部件限定插入件，所述插入件至少部分地设置在所述节点的中空空间内。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述后续加工操作之后，将所述节点的所述中空空间至少部分地用粘合剂填充。

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过注入口将所述粘合剂注入所述节点的所述中空空间。

10.根据权利要求7所述的方法，其还包括在所述后续加工操作之后将所述邻接部件机械地固定在所述节点内。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述节点还包括渐缩的外部几何结构，所述渐缩的外部几何结构被构造成在所述节点与所述邻接部件之间提供额外的相对运动。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述后续加工操作选自以下各项组成的组：电泳涂装(E-Coat)工艺、喷漆和表面涂装工艺。

13.根据权利要求1所述的方法，其中测量多个节点和多个邻接部件，并将所述3D打印的组装调节构件与节点和邻接部件的最接近的配合几何结构配对。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述节点是针对设计负载条件而优化并由3D打印工艺形成的节点，所述节点限定至少一个接收部分和外部几何结构，所述外部几何结构以弹性且达到塑性的方式构造以变形从而将所述节点装配到所述邻接部件上。

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