科普｜汽车行业与三维扫描技术

Sean Parker

三维扫描 使汽车行业的制造商能够改变车辆、总成、零部件的设计、原型制作、逆向工程、质量控制检查以及许多其他应用的方式。

在本博客中，我们将了解三维扫描是什么及其工作原理、汽车制造商如何使用三维扫描、其优点和缺点以及影响其在该行业中使用的未来趋势。

什么是三维扫描？

三维扫描可以在不接触物体的情况下以非常高的精度检测物体的形状和尺寸。然后将生成的数据点组装成对象的数字 3D 模型，该模型可用于任意数量的应用程序。

不同的扫描技术使用不同的方法来实现这一点。三种最流行的三维扫描类型包括：

1. 激光扫描

激光扫描有两种类型。

第一个是激光三角测量，它测量投射到物体表面的激光束的变形。通常有一台激光器和多台摄像机来记录线条的形状。激光和相机之间的角度是预先确定的，因此可以对激光在物体表面移动时每个像素的值进行三角测量，以产生高分辨率扫描。

第二种类型是飞行时间 Time of Flight，它测量激光束反射回传感器所需的时间。激光的速度是恒定的，因此可以利用反射时间来计算物体各部分的距离。

最终，这两种方法都测量从激光发射器到零件的距离，因此它们需要与 CMM/PCMM 等位置和方向控制设备配对，将激光指向零件的相关区域以完成扫描。

2.结构光扫描

这与激光三角测量类似，但它测量投射到物体上的光图案的变形。与激光三角测量一样，结构光扫描也使用一台光投影仪和一台或多台相机。投影仪在物体表面显示图案。当图案在零件上形成轮廓时，相机会记录变化并使用三角测量得出物体的表面。光源通常是蓝色 LED DLP，类似于 A/V 投影仪，相机可以记录正在扫描的图像的颜色。

3.摄影测量

这种方法使用计算机视觉和算法从多张 2D 照片组装 3D 模型。相机从多个角度拍摄照片，然后软件识别每张图像中的共同参考点并将它们融合在一起。摄影测量可以检测颜色、纹理以及形状。除非图像中存在适当的缩放工具，否则它无法检测尺寸。

三维扫描如何应用于汽车行业？

通过弥合物理世界和数字世界之间的差距，三维扫描使汽车制造商能够在 CAD/CAM/CAE 环境中使用物理对象的高保真数字孪生，从而实现快速设计迭代、测量自动化、增强协作以及历史存档趋势分析。

逆向工程

三维扫描是一种快速方法，可以在零件上创建足够密集的测量结果，以解析高度复杂的表面和特征，这对于逆向工程或在 CAD 中重建现有零件非常有用。可以扫描停产零件或未使用 CAD（或之前使用 CAD）设计的零件，并可以从数据中提取原始设计意图，以生成用于未来制造的新文件。可以忽略扫描零件中的缺陷以保留零件功能，纠正设计缺陷以改进功能，或者如果需要新功能、材料或工艺，可以进行其他更改。

汽车逆向工程案例研究：康明斯

28 号康明斯 Diesel Special 是一款经典赛车，曾在 1952 年印地 500 大赛上成为新闻焦点。2017 年，该车受邀重返英国参加一场特别比赛，但其团队发现水泵已被腐蚀，无法幸存事件。 原来的泵是 28 号车独有的，因此没有可用的备用生产零件。此外，汽车需要相对较快的运输时间，这就排除了传统砂铸方法需要大约 10 周的时间。

为了解决这个问题，康明斯工程师对现有水泵外壳进行了三维扫描。为了验证扫描数据的准确性，他们将点云数据导入 Oqton 的 Geomagic Control X 检测和计量软件，在该软件中分离并对齐泵的内部和外部几何形状。然后，他们使用 Oqton 的 Geomagic Design X 逆向工程软件将点云转换为非参数实体模型，以执行 CAD 拟合检查。

最终的设计是使用 3D Systems 的 ProX DMP 320 金属 3D 打印机在 3rd Dimension Industrial 3D Printing（一家专门从事 3D 直接金属打印 (DMP) 的高品质金属生产制造商）的协助下进行 3D 打印的。新水泵的 3D 打印仅用了三天时间，整个过程需要五周时间，而不是通常的 10 周。

设计和原型制作

汽车设计师和工程师经常尝试提高现有车辆部件的性能或了解为什么部件未达到预期性能。在这些情况下，三维扫描可以快速创建所制造的零件、组件、装配体或车辆的准确、高分辨率 3D 模型，而不是原始 3D 设计。借助精确的零件 3D 模型，工程师可以在实际制造之前通过极其逼真的模拟测试一系列新的设计理念。最终，这使得设计团队能够更快地探索更多想法，确保他们的想法可能满足性能标准，并更有信心地直接进入快速原型设计/再制造。

零件更换

该应用程序是逆向工程的一个子集，专门针对经典汽车、摩托车和其他不再提供替换零件的车辆的车主。当然，这些车辆早于数字设计时代，因此通常也没有可用于更换零件的蓝图，甚至没有准确的规格。但三维扫描可以非常轻松地为任何零件创建功能齐全的 3D 模型，即使是几十年来都没有制造过的零件。三维扫描甚至可以用于破损或严重磨损的零件。然后可以在 CAD 程序中改进或改进生成的 3D 模型，直到准备好进行制造。此外，三维扫描可用于与其他零件或组件的任何接口，以确保完美配合。

数字化文档

许多制造商使用三维扫描来创建所有现有零件和工具的完整数字档案。这有助于填补不是由 3D 模型制成的零件或工具、源文件丢失或没有任何文档的零件或工具的任何空白。该数字档案有助于保存有关制造商运营中所有零件和工具的机构知识。

营销传媒

汽车营销团队非常清楚，该过程中最昂贵的部分之一就是安排车辆照片拍摄。这些图像几乎驱动了新车的所有营销内容，因此在这些车辆图像完成之前，几乎没有什么可以向前推进。通过三维扫描，制造商可以简单地扫描车辆并创建可用于网站、社交媒体和数字广告的逼真 3D 渲染。此外，这些渲染可以增强以显示各种车辆选项，而无需花时间单独拍摄所有这些选项。可以在程序设计过程的早期通过对粘土模型的扫描来生成渲染图。

使用粘土模型进行实时设计开发

粘土模型是实时车辆开发过程的重要组成部分。通常，在建立 2D 设计后，会构建 3D 模型，然后在粘土中进行铣削以进行验证。此时，需要对设计进行更多更改，通常是手工更改。设计团队面临的挑战是如何从修改后的粘土模型中捕获新信息并将其转换回数字数据。在这些情况下，三维扫描提供了一种相对快速且简单的方法来了解粘土模型与原始 3D 模型的设计标准和边界之间的关系。通过将两者叠加，设计团队可以快速识别差异，编辑 3D 模型，并在同一天将其发送回粘土地板。这使得设计团队能够更快地迭代并更有信心地做出决策。

三维扫描在汽车行业的优势

此列表绝不是详尽的，但希望此处列出的应用程序或挑战之一能引起您的共鸣。无论您是为 OEM 还是小型定制店工作，汽车设计师、制造工程师、研发团队、质量检验员和许多其他利益相关者都可以通过将三维扫描引入其运营中来以多种方式受益：

• 降低成本。 正如我们在许多此类示例中所看到的，使用三维扫描可以简化设计周期中的多个步骤，从而加快车辆零部件的设计、原型设计、测试和制造速度。这意味着更快的上市时间和更低的生产成本。

• 更快的设计周期。 在使用三维扫描之前，修改现有汽车零件通常需要使用卡尺、量规、直尺或 CMM 等手动工具进行极其缓慢、低分辨率的测量。然后，需要手工创建模型或图纸，以便在复制零件之前通知模型制作者或原型师。零件越复杂，需要的测量就越多，错过或错误测量关键特征的可能性就越大。所有这些都可以使用三维扫描仪在几分钟内完成，其速度比坐标测量机快九倍，比手动测量快几个数量级。同样，当基于现有零件或必须与现有零件连接的新零件创建设计时，这非常有效，因为三维扫描使设计人员在 3D 模型创建方面处于领先地位。在某些情况下，制造商甚至可以直接从三维扫描转到工具或模具铣削，这进一步缩短了生产时间。

• 更简单的原型设计。 快速原型制作是汽车设计过程的重要组成部分。三维扫描简化了流程，使设计团队能够根据三维扫描数据铣削创意的比例模型，甚至根据快速扫描 3D 打印原型。这些扫描对于比较设计理念的各种迭代也非常有帮助，这有助于减少获得最终概念的周期数。当原型准备好后，还可以使用三维扫描来查找任何缺陷。

• 更好的质量控制。 三维扫描在汽车领域最强大的应用之一是检查和质量控制。三维扫描可以对成品零件进行快速、高分辨率的检查，从而提高制造商发现缺陷、缺陷和与预期设计偏差的能力。通过扫描创建的数字孪生可以实现 QA 流程的高效自动化，并且归档扫描数据可以分析一次或多次生产运行中的制造趋势。

•提高产品质量。 三维扫描仪可提供比手动工具更高分辨率的结果，某些系统在以数字方式捕获零件、组件或组件时可提供高达 10 微米（0.01 毫米）的精度。

• 便携方便。 汽车制造商使用的许多三维扫描仪均采用轻质便携设计，因此易于在工厂车间使用。

• 易学。 许多三维扫描仪只需很少的培训或经验即可准确使用。在许多情况下，为了正确使用扫描仪并获得高分辨率结果，总时间最多只需几个小时。

限制和挑战

与任何技术一样，三维扫描也有其局限性和挑战。汽车制造商需要考虑三维扫描的潜在缺点以及所有优点。这些包括：

• 成本： 三维扫描的初始资本支出可能相对较高，具体取决于所需扫描仪的类型以及所需的配件和消耗品（如三维扫描喷雾剂）。此外，没有一种三维扫描仪是万能的。例如，用于质量保证目的数字化小部件的正确硬件可能很难扫描整辆车，因此可能需要多个设备来满足所有扫描需求。

• 表面光洁度： 三维扫描仪依赖于零件反射的光，因此它们很难处理闪亮、透明或深色的表面，这些表面往往会吸收或散射所发射的激光/条纹图案。这些类型的表面处理在汽车应用中极为常见。在这些情况下，制造商可能需要使用特殊的扫描喷雾来处理表面，以暂时消除透明度。

• 数据处理： 高分辨率三维扫描可以生成比传统3D CAD 模型更大的文件，而现有IT 基础设施可能难以管理这些文件。

• 集成到现有工作流程中： 更改任何完善的流程都可能很困难，尤其是从手动流程过渡到数字流程时。虽然三维扫描不需要大量的技术专业知识，但当设计团队开始将三维扫描纳入其工作流程时，它会涉及一些培训以及一些成长的烦恼。

汽车行业的趋势和创新

三维扫描技术不断进步。有几个趋势可能会影响汽车行业在不久的将来如何使用三维扫描，包括：

• 更高的精确度： 新型三维扫描仪正在结合算法技术，以实现更高的精确度并提供更准确的结果。

• 自动化： 自动化三维扫描系统可以执行此过程，无需人工操作员或技术人员，这可以为质量控制检查带来更高的效率。

• 人工智能 (AI)： 在三维扫描中使用 AI 可以帮助识别和纠正三维扫描中的错误，从而获得更快、更准确的结果。

• 云系统： 基于云的三维扫描解决方案有助于缓解数据管理的潜在问题，并使跨地点共享三维扫描和协作变得更加容易。对于依赖并非全部在同一个地方工作的工程团队的汽车制造商来说，这是理想的选择。

• CT 扫描： 这项技术一度只能以高昂的价格获得，但现在正慢慢变得更容易为更广泛的用户所接受。事实上，现在许多三维扫描制造商都在销售它。

汽车行业的未来

显然，三维扫描将继续成为汽车制造商理解和融入设计、工程、生产和检查工作流程的重要技术。其快速连接物理世界和数字世界的独特能力已经改变了这些流程的执行方式，并且只会继续提高运营效率。

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