汽車外飾油泥模型制作工藝的優(yōu)化

郭上清

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)?，F(xiàn)已經(jīng)是世界第一，國(guó)內(nèi)各個(gè)汽車公司都依然在注重研發(fā)能力，不斷提升自主開(kāi)發(fā)能力是汽車公司持續(xù)發(fā)展進(jìn)步的關(guān)鍵因素，汽車造型設(shè)計(jì)是自主研發(fā)的基礎(chǔ)，在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中必不可少。早期汽車造型設(shè)計(jì)中，汽車模型多用石膏和木板為材料，但是由于這些材料的固有特性，這類模型不便于反復(fù)修改，影響開(kāi)發(fā)時(shí)間，也增加開(kāi)發(fā)成本。1955年日本首次使用工業(yè)油泥進(jìn)行汽車模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。1972年美國(guó)通用汽車公司將油泥應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模型上，使汽車設(shè)計(jì)擺脫了受限于石膏、木板的歷史。當(dāng)今，油泥模型設(shè)計(jì)制作在汽車開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)必不可少，不管車身、部件還是內(nèi)飾部件都會(huì)用油泥進(jìn)行制作；對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，汽車外觀是第一吸引眼球的要素，在汽車造型設(shè)計(jì)過(guò)程中外飾油泥模型也是首要環(huán)節(jié)，外飾油泥模型創(chuàng)意確定后，接下來(lái)才開(kāi)發(fā)內(nèi)飾創(chuàng)意模型以及后續(xù)的A面數(shù)據(jù)、工程制造等工作。

1 汽車外飾油泥模型制作的作用

外飾油泥模型的制作是汽車造型設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 創(chuàng)意設(shè)計(jì)師將自己的外飾創(chuàng)意用二維平面圖表現(xiàn)出來(lái)，但由于肉眼的局限性，不可能從平面就很精確地認(rèn)識(shí)到立體感覺(jué)，所以在平面效果圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際汽車產(chǎn)品之前，需要進(jìn)行油泥模型制作。外飾油泥模型的制作在時(shí)間上優(yōu)先于內(nèi)飾模型，這是因?yàn)橥怙椝屑扒皳躏L(fēng)的造型影響內(nèi)飾設(shè)計(jì)整體布局。整個(gè)汽車的油泥模型是設(shè)計(jì)與工程之間的橋梁，基于選定的外飾效果圖，模型師和設(shè)計(jì)師協(xié)作把立體實(shí)物模型制作出來(lái)，利用逆向掃描工具把更改的模型掃描成點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)師依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成A面數(shù)據(jù)輸出給工程。

油泥模型的設(shè)計(jì)與制作在汽車造型設(shè)計(jì)中起著承前啟后的關(guān)鍵性作用，它是連接設(shè)計(jì)與工程的媒介,即將二維的平面視圖、效果圖轉(zhuǎn)化為真實(shí)的三維實(shí)物，除了視覺(jué)上感觀以外更有觸覺(jué)的體驗(yàn)，還能夠有效地彌補(bǔ)平面表達(dá)中不能解決的許多空間問(wèn)題,使設(shè)計(jì)對(duì)象更直觀、更具體。

2 汽車外飾油泥模型開(kāi)發(fā)制作

外飾油泥模型制作是一項(xiàng)工程，涉及很多個(gè)科室部門(mén)，它的啟動(dòng)以及最終完成受到工程約束、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、模型輸入4個(gè)方面的影響。 工程約束最主要是總布置圖、工程硬點(diǎn)的確定，直接影響著油泥模型的開(kāi)啟；創(chuàng)意設(shè)計(jì)主要輸入條件有草圖、效果圖、附件圖，這些都是模型師主要的參考依據(jù)；項(xiàng)目管理方面包括經(jīng)費(fèi)預(yù)算、人力資源、項(xiàng)目計(jì)劃，這些對(duì)油泥模型進(jìn)度推動(dòng)至關(guān)重要；模型輸入的骨架、油泥等材料工具、過(guò)程中制作工藝的確定，都是油泥模型制作的基礎(chǔ)。

3 汽車外飾油泥模型制作工藝優(yōu)化

當(dāng)前常用的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中，模型設(shè)計(jì)工作開(kāi)始需要依靠初版CAS。外飾設(shè)計(jì)師指導(dǎo)數(shù)據(jù)師完成初版CAS 的設(shè)計(jì)工作，一般需要兩周的時(shí)間，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)以后，模型團(tuán)隊(duì)可以利用評(píng)審后的CAS進(jìn)行骨架設(shè)計(jì)工作以及后面的模型設(shè)計(jì)工作，大致的開(kāi)發(fā)流程為CAS數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段→骨架設(shè)計(jì)制作→覆蓋木板→加工泡沫→油泥加工→手工改型→逆向掃描→逆向CAS優(yōu)化→再次油泥加工→順面細(xì)節(jié)處理→表面裝飾→最終評(píng)審交付。整個(gè)外飾模型周期較長(zhǎng)，為了響應(yīng)并滿足當(dāng)下汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)的高節(jié)奏，對(duì)常用工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到縮短模型設(shè)計(jì)階段開(kāi)發(fā)周期進(jìn)而減少項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)時(shí)間。文中結(jié)合實(shí)際油泥模型設(shè)計(jì)工作，對(duì)外飾油泥模型制作工藝進(jìn)行了優(yōu)化，骨架設(shè)計(jì)提前不依靠初版CAS,減少過(guò)程中逆向數(shù)據(jù)在加工的工藝，根據(jù)工藝的差異性把外飾油泥模型制作優(yōu)化為模型前期準(zhǔn)備、模型加工、模型設(shè)計(jì)三大工藝。

3.1 汽車外飾油泥模型前期準(zhǔn)備

3.1.1 骨架數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)輸入

骨架設(shè)計(jì)是前期準(zhǔn)備的第一項(xiàng)工作，它的啟動(dòng)所需輸入大致分為Y0截面、整車參數(shù)、輪胎數(shù)據(jù)、評(píng)審姿態(tài)4個(gè)方面,不需要數(shù)據(jù)師提供初版CAS。如圖1所示，Y0截面包含多個(gè)硬點(diǎn)、接近角、離去角、離地高度等信息，可以很直觀地限定好骨架設(shè)計(jì)的范圍；整車參數(shù)約束了其長(zhǎng)寬尺寸；輪胎數(shù)據(jù)是骨架前后輪軸設(shè)計(jì)的依據(jù)，必須具有完整的數(shù)模；評(píng)審姿態(tài)是根據(jù)設(shè)計(jì)輸入要求，限定骨架與輪軸之間的相對(duì)關(guān)系。以往需要粗版的CAS數(shù)據(jù)才可進(jìn)行骨架搭建，現(xiàn)在只要有了以上輸入，模型骨架設(shè)計(jì)就可以開(kāi)展。

圖1 Y0截面

3.1.2 骨架數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

骨架設(shè)計(jì)輸入以后，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)師進(jìn)行骨架數(shù)據(jù)的搭建工作，骨架底盤(pán)主體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮強(qiáng)度，鋼管太厚骨架太重，鋼管太薄骨架易變形；骨架上前、后基準(zhǔn)板設(shè)計(jì)在同一水平面上，前后輪軸要放在基準(zhǔn)板中間位置，預(yù)設(shè)調(diào)動(dòng)范圍，滿足后期骨架調(diào)整；前輪軸輪心與Y0截面輪心一致，方便后面的坐標(biāo)加工；考慮模型轉(zhuǎn)運(yùn)，需要對(duì)輪軸固定板的高度限定最小值。骨架多數(shù)情況下是可以重復(fù)利用的，而輪胎安裝結(jié)構(gòu)需要合理的設(shè)計(jì)，以滿足不同輪距車型的開(kāi)發(fā)需求?？傮w來(lái)說(shuō)骨架數(shù)據(jù)搭建時(shí)需要考慮骨架與型面不要干涉，骨架的承載及自重，骨架的裝卸搬運(yùn)，骨架的柔性再度利用以及設(shè)計(jì)合理的輪胎安裝結(jié)構(gòu)等因素。

3.1.3 骨架制作及泡沫搭接

利用外飾骨架數(shù)據(jù)加工并組裝骨架，骨架利用方鋼制作，在制作過(guò)程中需注意:(1)骨架要焊接牢固，有良好的承重能力和穩(wěn)定性, 必須考慮好不同孔徑的鋼鐵使用；(2)方鋼需要進(jìn)行除銹處理，表面先涂一層底漆，再涂面漆；(3)預(yù)留好后續(xù)裝配工作的空間。

骨架制作完成后需要覆蓋木板，木板厚度一般使用18 mm左右，可以把金屬骨架的框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu),便于銜接金屬骨架和聚氨酯硬質(zhì)泡沫板材，同時(shí)可以起到美觀作用，由于輪胎機(jī)構(gòu)是一個(gè)獨(dú)立體，包含調(diào)整機(jī)構(gòu)、對(duì)刀基準(zhǔn)塊，切割木板時(shí)需要避讓。泡沫內(nèi)芯利用強(qiáng)力泡沫膠粘貼在木板表面，根據(jù)車型的大致輪廓堆積泡沫，泡沫的堆放很關(guān)鍵，必須確保泡沫銜接處無(wú)縫隙，這里使用的泡沫區(qū)別于普通的包裝泡沫，它是特殊定制的高密度材料，具有密度大、質(zhì)地硬的特點(diǎn)。

3.2 汽車外飾油泥模型加工

3.2.1 模型泡沫加工

泡沫搭接完成后，初版CAS數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)師的跟蹤完成下可以輸入加工，通常數(shù)據(jù)需要評(píng)審確定 ；泡沫加工數(shù)據(jù)在CAS數(shù)據(jù)中進(jìn)行再設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)上的硬點(diǎn)位置盡量滿足工程要求，包括C點(diǎn)位置，前擋風(fēng)玻璃、窗膠條及側(cè)窗玻璃位置；加工泡沫時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏置設(shè)計(jì)，相比CAS數(shù)據(jù)必往內(nèi)偏置30 mm左右, 用于預(yù)留油泥填敷厚度，提供后面油泥塑形的余量空間，機(jī)床銑削泡沫后，對(duì)表面進(jìn)行清理，查看泡沫搭接處是否有漏空，如果有必須及時(shí)補(bǔ)充泡沫膠進(jìn)行加固。

3.2.2 模型敷油泥

敷油泥前，必須提前硬化泡沫表面，保證油泥填敷過(guò)程泡沫顆粒不起來(lái)。開(kāi)始上油泥時(shí)，要遵循宜薄忌厚的原則,上泥時(shí)用力要均勻一致,遵循“平薄寬長(zhǎng)”,保證油泥之間不出現(xiàn)裂縫，填敷油泥時(shí)先薄敷,再厚敷，如圖2所示。油泥容易冷卻，需要在保持軟質(zhì)的情況下快速填敷， 當(dāng)油泥硬化后不能直接在表面敷泥，必須使用專業(yè)的加熱工具對(duì)硬油泥進(jìn)行烘烤，達(dá)到合適的軟度再填敷新熱油泥。

圖2 油泥填敷

3.2.3 模型油泥加工

油泥模型加工常見(jiàn)的銑削機(jī)器有三軸懸臂式、五軸懸臂式、五軸龍門(mén)式等，各個(gè)設(shè)備加工工藝以及時(shí)效都不一樣，文中以三軸懸臂式機(jī)床加工為例，如圖3所示，油泥加工需要CAS數(shù)據(jù)的輸入后進(jìn)行，基于泡沫加工數(shù)據(jù)進(jìn)一步根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，同時(shí)將該數(shù)據(jù)不斷反饋給工程，解決部分重大工程問(wèn)題，CAS數(shù)據(jù)評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后可以輸入模型進(jìn)行加工；油泥加工數(shù)據(jù)可以分粗加工數(shù)據(jù)和精加工數(shù)據(jù)兩次輸入，兩版數(shù)據(jù)相隔2—3天，期間給CAS數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)多了一些優(yōu)化時(shí)間，同時(shí)能體現(xiàn)更細(xì)特征，包含有上下格柵特征等信息，兩版數(shù)據(jù)的變化量盡量控制在5 mm以內(nèi)。

圖3 外飾整車加工

粗加工數(shù)據(jù)可以用于敷泥大面檢查以及粗加工，粗加工使用直徑為10 mm的刀進(jìn)行加工，為了速度快一些，根據(jù)油泥性質(zhì)及設(shè)備性能設(shè)置刀路步徑一般為8 mm左右、加工余量在5 mm左右，完成粗加工后需要對(duì)表面進(jìn)行清理并查缺補(bǔ)漏；精加工數(shù)據(jù)輸入后，優(yōu)先在軟件上與粗加工比對(duì)，以便查看風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利用直徑為10 mm的刀進(jìn)行油泥面檢查，精加工的刀路步徑設(shè)定為3 mm(細(xì)節(jié)處可以按需2 mm步徑)，如果粗加工數(shù)據(jù)與精加工數(shù)據(jù)大范圍偏差大于5 mm，建議重新粗加工一輪。

3.3 汽車外飾油泥模型設(shè)計(jì)

3.3.1 油泥模型改型

模型加工出來(lái)，通常需要對(duì)外飾模型的側(cè)窗玻璃、前后擋玻璃、前后燈以及格柵保杠裙板進(jìn)行預(yù)評(píng)審一輪，有黑色的區(qū)域利用黑錫紙快速覆蓋，完成后把模型運(yùn)到戶外旋轉(zhuǎn)臺(tái)，在自然光下進(jìn)行模型評(píng)審，模型師與設(shè)計(jì)師可以直觀地對(duì)模型與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對(duì)比，先遠(yuǎn)處查看模型姿態(tài)及體量感，再近距離看細(xì)節(jié)。 外飾設(shè)計(jì)師根據(jù)自己的效果圖在油泥模型車上利用膠帶進(jìn)行再次的設(shè)計(jì)表達(dá)，先從油泥模型的側(cè)面進(jìn)行貼膠帶，側(cè)面效果直接決定了這臺(tái)車的姿態(tài)感覺(jué)，然后對(duì)前后油泥區(qū)域進(jìn)行膠帶表達(dá)工作。當(dāng)設(shè)計(jì)主題有兩個(gè)方案時(shí)，可以以Y0線為基準(zhǔn)，左右兩邊分別體現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)方案； 當(dāng)設(shè)計(jì)方案只有單一主題時(shí)，為了快速在模型上體現(xiàn)最符合設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，也為了節(jié)約項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間，以Y0線為基準(zhǔn)，油泥模型師往往對(duì)整車模型一半進(jìn)行設(shè)計(jì)特征改型；油泥模型師和設(shè)計(jì)師進(jìn)行溝通協(xié)商，查看前臉、側(cè)面、尾部的修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)幾輪的改型，最終滿足設(shè)計(jì)師要求。在車頭和車尾中心線位置放置一定高度的鏡子，把前臉及尾部鏡像成一個(gè)完整的狀態(tài)給設(shè)計(jì)師進(jìn)行評(píng)審。

3.3.2 模型高光檢查

高光是美術(shù)方面的用語(yǔ)，當(dāng)光源照射到物體表面上后，反射到人的眼睛里面，從而把最亮的點(diǎn)凸顯出來(lái)，眾多的點(diǎn)組合在一起形成了形態(tài)各異的高管帶，簡(jiǎn)稱高光或者高管帶。高光可以反映出油泥模型表面的形態(tài)和曲率、體量感、飽滿度、光順度，它是油泥模型表面曲率的動(dòng)態(tài)反映，會(huì)隨著光源的變化以及人們視線移動(dòng)，產(chǎn)生流動(dòng)性。高光同時(shí)也是反映油泥模型表面質(zhì)量最為重要的方式之一；外飾油泥模型表面的造型、曲率不同，會(huì)產(chǎn)生不同形態(tài)的高光形態(tài)，例如條形高光、回旋型高光、S型高光等，條形高光經(jīng)常在兩車門(mén)區(qū)域體現(xiàn)，如圖4所示；回旋型高光在輪包區(qū)域體現(xiàn)，如圖5所示；S型高光經(jīng)常在引擎蓋上呈現(xiàn)。油泥模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷地進(jìn)行高光檢查，常用的材料有錫紙膜、膠膜等，其中油泥改型過(guò)程中，錫紙膜檢查高光使用最多；對(duì)于不順暢的高光，油泥模型師需要反復(fù)進(jìn)行修改優(yōu)化油泥表面曲率，直到滿足設(shè)計(jì)師以及自己需要的高光效果。

圖4 條形高光

圖5 回旋型高光

3.3.3 油泥模型掃描

通過(guò)高光檢查的油泥模型，再經(jīng)過(guò)評(píng)審確定后，然后利用掃描工具進(jìn)行油泥表面掃描。文中結(jié)合實(shí)例操作進(jìn)行說(shuō)明，使用的掃描工具是Creaform掃描系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由照相定位系統(tǒng)(maxSHOT)，激光掃描儀或白光掃描儀組成。定位系統(tǒng)與掃描儀的結(jié)合，可以大范圍掃描，并且有效控制汽車外飾油泥模型三維掃描精度，獲取高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體掃描工作流程如圖6所示。

掃描得到的數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)STL格式， 掃描數(shù)據(jù)通過(guò)軟件后處理， 填補(bǔ)表面上的漏洞，剪裁邊界；點(diǎn)云面片修補(bǔ)后，再進(jìn)行坐標(biāo)擬合， 文中在快速掃描時(shí)并未用設(shè)備進(jìn)行空間坐標(biāo)擬合，所以處理掃描數(shù)據(jù)必須核對(duì)坐標(biāo)，只有坐標(biāo)擬合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)才可以輸出給數(shù)據(jù)師進(jìn)行曲面建模，同時(shí)輸出給工程那邊進(jìn)行截面分析。

圖6 掃描工作流程

3.3.4 外飾油泥模型裝飾

外飾油泥模型掃描完以后，需要對(duì)因掃描留下來(lái)的表面物質(zhì)進(jìn)行清理，還需要有經(jīng)驗(yàn)的油泥模型師對(duì)油泥整車進(jìn)行精刮，填補(bǔ)掃描貼點(diǎn)去除過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。有需要的時(shí)候再次檢查油泥車身大面光順后的高光，刻畫(huà)逼真的門(mén)封線，對(duì)各個(gè)線條進(jìn)行倒角，校核檢查輪胎位置。接著開(kāi)始進(jìn)行車身裝飾工作，車身裝飾的主要內(nèi)容包括油泥車身貼膠膜或者噴涂車身漆，如圖7所示。在油泥表面進(jìn)行車身貼膜，只需1—2天就可完成工作，并能快速展現(xiàn)效果；噴漆工藝相對(duì)復(fù)雜，需要檢查油泥，并噴多道工序，4—5天才可以完成，但噴漆有個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)就是光澤度很好。

外飾模型完成貼膜或噴漆后，為了體現(xiàn)完整并仿真的汽車效果，需要安裝門(mén)把手、后視鏡、水切膠條、行李架、雨刮器等零部件，這些部件也許還沒(méi)來(lái)得及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)，可以先各自設(shè)計(jì)，然后一起討論，臨時(shí)借用其他車型的零部件。 如果零部件有CAS數(shù)模數(shù)據(jù)，可以通過(guò)3D打印、CNC加工出來(lái)。外飾油泥模型裝飾完整后供項(xiàng)目評(píng)審。

圖7 油泥模型貼膜和噴漆

3.4 優(yōu)化后的工藝

汽車外飾油泥模型制作過(guò)程關(guān)聯(lián)的區(qū)域較多，在項(xiàng)目的造型設(shè)計(jì)中，前期的各項(xiàng)輸入非常關(guān)鍵，直接影響著模型前期準(zhǔn)備工作，目前每個(gè)車企都在加快新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，為了縮短造型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間，相比常用的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，文中對(duì)外飾油泥模型制作工藝進(jìn)行了優(yōu)化，如圖8所示。

圖8 外飾油泥模型制作優(yōu)化后的工藝

4 結(jié)束語(yǔ)

模型制作工藝優(yōu)化后，各個(gè)環(huán)節(jié)交付物清晰，模型開(kāi)發(fā)階段資源的投入可控，并且在每個(gè)工藝過(guò)程中，可以進(jìn)一步量化時(shí)間目標(biāo)；外飾油泥模型的制作受多方面輸入影響，需在一個(gè)大的團(tuán)隊(duì)溝通下開(kāi)展完成，外飾油泥模型制作工藝的優(yōu)化，對(duì)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)以及造型設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)效率有很重要的意義。