汽車零部件3D掃描建模技術初探

陳衛(wèi)國

（東臺市人大常委會辦公室，江蘇 東臺 224200）

汽車零部件3D掃描建模技術初探

陳衛(wèi)國

（東臺市人大常委會辦公室，江蘇 東臺 224200）

文章針對3D打印技術在汽車工業(yè)中的應用，主要進行了汽車零部件3D打印的需求分析，介紹了3D打印技術的基本概念，闡述了汽車零部件3D建模的切片處理技術和打印成型技術，并以FDM成型技術為例，簡述了汽車零部件3D打印的全過程。

3D打?。黄嚲S修

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.011

CLC NO.: TP202 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-33-03

1、汽車零部件3D打印需求分析

21世紀以來，中國的汽車行業(yè)日新月異，隨著市場規(guī)模的逐漸飽和，原本汽車行業(yè)粗放的發(fā)展模式也正經(jīng)歷著向行業(yè)細分模式的轉變，各汽車廠家的競爭日趨激烈。在此行業(yè)發(fā)展大背景之下，對于各汽車廠家而言，如何提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的效費比，如何實現(xiàn)產(chǎn)品快速升級換代，如何能夠提高汽車的節(jié)能環(huán)保性能和安全舒適度，這些都需要汽車廠家從研發(fā)、設計、生產(chǎn)、銷售、服務和維修等方面通盤綜合考慮的因素。

3D打印技術是近幾年發(fā)展的一種高效快速的成型技術，在航空航天、工業(yè)零件、電子電路等方面都有很廣泛的成熟應用。針對3D打印技術的特點，其在汽車領域主要應用的場合主要在兩個階段，一是在汽車研發(fā)的研究階段；二是在汽車售后的維修階段。在新產(chǎn)品汽車的研發(fā)階段，汽車的部分零部件需要針對新產(chǎn)品進行重新設計，傳統(tǒng)的零部件成型技術主要通過開發(fā)模具，生產(chǎn)樣品的模式進行，這種模式主要存在試制環(huán)節(jié)多、周期長、出現(xiàn)問題后研發(fā)成本大幅提高等問題；在汽車售后的維修階段，一些高端車、進口車由于渠道等問題造成配件供應短缺、車輛維修不及時、維修成本高昂等問題；一些停產(chǎn)老舊車型的配件也存在配件停產(chǎn)短缺等等問題。3D打印技術的出現(xiàn)能夠很好的解決上述問題，必將對汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程起到重要的推動作用。

2、3D打印技術的基本概念

3D打印技術(英語:3D printing)是一種快速成形技術，有別于傳統(tǒng)的減材加工和模具加工方式，3D打印是一種增材加工的方式。這種加工方式比傳統(tǒng)利用毛坯修剪成型的減材加工要更加節(jié)約原材料，比模具加工方式更加的節(jié)省時間和費用。它是一種以3D數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印采用分層加工和疊加成型技術把3D數(shù)字模型進行分層切片操作，對每層切片的數(shù)字模型進行逐層加工，疊加而成最終的3D實體。

3D打印的核心技術有以下幾個：

（1）3D數(shù)字化建模技術：3D數(shù)字化建模是利用計算機軟件設計并展現(xiàn)新開發(fā)產(chǎn)品的外形、結構、色彩、質感等特色的過程；

（2）3D數(shù)字化掃描技術：就是利用計算機視覺、計算機圖形學、模式識別與智能系統(tǒng)、光機電一體化控制等技術對現(xiàn)實存在的3D物體進行掃描采集，以獲得逼真的3D建模數(shù)據(jù)；

（3）光機電一體的3D打印成型技術：是利用光機電一體的3D打印機將3D建模數(shù)據(jù)進行逐層打印的技術。

其中前兩項技術是為了獲得被打印物體的3D數(shù)據(jù)模型，3D數(shù)據(jù)模型的文件格式一般是STL格式，該格式目前是CAD/CAM的標準文件格式；后一項技術是在具體的模型數(shù)據(jù)后的成型技術。

3D打印技術的原理：3D打印主要是使用了離散-堆積的思路，我們首先進行零部件的數(shù)字建模，再用軟件把模型切分得到每個截面的輪廓形狀，3D打印過程中逐層打印完成堆積操作，這樣就實現(xiàn)了3D打印的過程。在整個打印過程中，成型技術方法較多，針對不同材料和不同生產(chǎn)要求可以選擇不同成型原理，這也是我們在汽車生產(chǎn)和維修領域使用3D打印技術要研究的內(nèi)容。如下圖1所示，3D打印機快速成型的基本過程如下：

3、汽車零部件的3D數(shù)字建模

3D打印的基礎是建立3D數(shù)字模型，對于3D數(shù)字模型的建立主要有兩種方法：3D數(shù)字化軟件設計和掃描成型，汽車的設計主要就是依靠3D數(shù)字化軟件設計完成的，一般而言，3D設計軟件有AutoCAD,Pro/Engineer, Maya等等，而針對行業(yè)而言，有各自專有的行業(yè)軟件，汽車工業(yè)自己專業(yè)的3D設計軟件是CATIA，歐洲汽車業(yè)使用該軟件幾乎成為標準，包括奔馳、寶馬、克萊斯勒和國內(nèi)的長安、奇瑞等公司均采用此軟件。在汽車維修中掃描技術也可以進行零部件的數(shù)字建模，幫助生產(chǎn)出內(nèi)部結構不算復雜的零部件。3D數(shù)字模型建立后還應該對模型進行美化，設計者可以結合大數(shù)據(jù)的針對性推薦，對儀表臺的外觀設計進行美化修改，直至完全滿意。有了滿意的3D數(shù)字模型下一步就可以打印。3D打印的主流技術包括FDM, DP, SLA, SLS等，這些技術的主要區(qū)別在于使用的耗材即原材料不同和固態(tài)成型方法不同。

3.1 切片處理技術

3D打印切片處理技術是3D打印的核心技術之一，所謂切片就是將3D數(shù)字模型沿某一個軸的方向“切”為一系列的二維平面，得到一系列連續(xù)的二維平面信息，使3D打印機能以平面加工方式根據(jù)不同工藝要求有序連續(xù)加工出每個切片，這個過程即為切片處理過程。由此可見，數(shù)據(jù)處理切片是3D快速成型技術最重要的過程，如果分層處理出現(xiàn)了問題，將直接影響打印出產(chǎn)品的質量。

當前主流的切片軟件主要兩類，一類是業(yè)余DIY愛好者使用的，比如：Cura和Miracl Grue等；另一類是各大打印機生產(chǎn)商開發(fā)應用的，比如QuickCast和 Rapid Tool等。切片軟件的主要功能包括兩個方面，一是切片功能；二是打印功能。CAD文件經(jīng)過軟件切片處理就可以得到能被3D打印機識別的Gcode控制文件，Gcode控制文件包含了控制打印機動作的完整指令步驟。

3.2 打印成型技術

打印成型技術是3D打印技術中最核心、最關鍵的部分，成型技術的好壞直接決定了打印的產(chǎn)品質量。目前，市面上主流的成型技術主要有熔融沉積成型(FDM Fused Deposition Modeling)、三維打印黏結成型(3DP 3D Print)，選擇性激光燒結技術(SLS Selective Laser Sintering)、直接金屬粉末激光燒結技術(DMLS Direct Metal Laser Sintering)。

在上述的3D打印技術中，F(xiàn)DM技術具有打印機結構簡單、成本低廉、打印速度快以及成型尺寸大的特點，非常適合于桌面級和低精度工業(yè)產(chǎn)品使用。FDM的工作原理是將熱塑性材料絲在噴頭處加熱融化，通過噴頭底部的微細噴嘴將融化的材料以一定壓力噴出，隨噴頭移動材料形成一個層，一個層打印完成后工作臺移動再打印下一個層，擠出的材料熔結在上一個層上，這樣一層層打印直至完成整個實體。

4、基于FDM的汽車零部件3D打印案例

汽車維修行業(yè)中，3D打印技術有著良好的發(fā)展前景，尤其針對高檔進口汽車部分零部件供應周期長、價格昂貴以及部分老舊車型備件缺乏的問題，3D打印技術就可以提供很好的幫助，下面以汽車后視鏡的打印為例，討論3D打印技術在汽車維修行業(yè)中的應用。

4.1 3D數(shù)字建模

汽車零部件的3D模型可以從生產(chǎn)廠家獲取或者通過實物掃描的方式獲取，對于汽車維修廠家而言，由于涉及知識產(chǎn)權保護等等問題，直接獲取3D數(shù)字模型一般較為困難，所以一般選擇掃描的方式獲取3D模型數(shù)據(jù)。目前，主流的3D掃描儀大體分為接觸式掃描和非接觸式掃描，其中非接觸式掃描又分為光柵掃描（也叫拍照掃描）和激光掃描。而拍照掃描又有白光掃描或藍光掃描等，激光掃描又有點激光、線激光、面激光的區(qū)別。

由于拍照掃描具有極高的性價比，因而實際應用較廣。拍照式3D掃描儀掃描原理類似于照相機拍攝照片而得名，采用的是目前國際上最先進的結構光非接觸照相測量原理，是為滿足工業(yè)設計行業(yè)應用需求而研發(fā)的產(chǎn)品，它集高速掃描與高精度優(yōu)勢，可按需求自由調整測量范圍，從小型零件掃描到車身整體測量均能完美勝任，具有較高的性價比。

一般的拍照掃描系統(tǒng)，其主要特點如下：

1）掃描速度極快，數(shù)秒內(nèi)可得到100多萬點；

2）一次得到一個面，測量點分布非常規(guī)則；

3）精度高，可達0.02mm；

4）單次測量范圍大；

5）便攜性好，可搬到現(xiàn)場進行測量；

6）可對無法放到工作臺上的較重、大型工件進行測量；

7）大型物體分塊測量、自動拼接；

8）大景深（可達300-500mm，激光掃描一般只有100mm）；

上圖2是蘇州西博掃描系統(tǒng)掃描的汽車后視鏡3D數(shù)字模型圖。

4.2 3D數(shù)字打印

汽車后視鏡一般為高分子ABS材料，由于其對打印材料、精度、表面粗糙度等要求不高，因而FDM打印成型方式成為其打印的首選，本次設計打印過程中，我們使用的是廣州網(wǎng)能產(chǎn)品設計有限公司的FDM50-5050（圖3）3D FDM打印機。

FDM50-5050具有操作簡單、性能穩(wěn)定、打印幅面大、高精度、高效率及低運行成本的特點，非常適合汽車維修過程中ABS部件的3D打印。打印的實際效果圖如下圖4所示。

需要注意的是，在打印完成后的產(chǎn)品是無法直接裝配使用，需要進行一定的后處理工作，包括拋光、噴漆、電鍍等，這些工藝過程與采用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的零件相同。

[1] 康蘭;產(chǎn)品逆向設計中特征和約束的重建[J];機械設計與研究;2009.05:56.

[2] 梁艷霞;基于3ds max的三維建模技術在工業(yè)設計中的應用[J];電腦知識與技術;2009.25:151-152.

[3] 郭一鳴;汪建安;;乘用車參考樣車靜態(tài)參數(shù)的對標分析[J];湖北汽車工業(yè)學院學報;2010:.01:85-86.

[4] 劉軍華;成思源;蔣伍;楊雪榮;張湘?zhèn)?逆向工程中的參數(shù)化建模技術及應用[J];機械設計與制造;2011.10:70-71.

Auto parts 3D scanning modeling technology

Chen Weiguo
( Office of the Standing Committee of the people's Congress of Dongtai, Jiangsu Dongtai 224200）

This paper aimed at the application of 3D printing technology in the automotive industry, mainly for the automo bile parts of 3D printing needs analysis, this paper introduces the basic concept of 3D printing, this paper expounds the auto parts slice of 3D modeling technology and print technology, and with FDM molding technology as an example, this paper expounds the whole process of automobile parts 3D printing.

3D printing; Vehicle maintenance and repair

TP202

A

1671-7988(2016)10-33-03

陳衛(wèi)國，男（1972-），男，籍貫江蘇東臺，大專，技師，就職于東臺市人大辦公室。