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【3D逆向掃描應用推薦】汽車產業與3D掃描技術

消費產品 | 2024.02.20

【3D逆向掃描應用推薦】汽車產業與3D掃描技術

汽車產業與3D掃描技術

3D掃描使汽車行業的製造商能夠改變車輛、組件、零件的設計、原型、逆向工程、品質控制檢查以及許多其他應用的方式。

在本部落格中，我們將了解三維掃描是什麼及其工作原理、汽車製造商如何使用三維掃描、其優點和缺點以及影響其在該行業中使用的未來趨勢。

什麼是3D掃描？

3D掃描可以在不接觸物體的情況下以非常高的精度檢測物體的形狀和尺寸。然後將產生的資料點組裝成物件的數字3D 模型，該模型可用於任意數量的應用程式。

不同的掃描技術使用不同的方法來實現這一點。三種最受歡迎的三維掃描類型包括：

1. 雷射掃描

雷射掃描有兩種類型。

第一個是雷射三角測量，它測量投射到物體表面的雷射光束的變形。通常有一台雷射和多台攝影機來記錄線條的形狀。雷射和相機之間的角度是預先確定的，因此可以對雷射在物體表面移動時每個像素的值進行三角測量，以產生高解析度掃描。

第二種類型是飛行時間Time of Flight，它測量雷射光束反射回感測器所需的時間。雷射的速度是恆定的，因此可以利用反射時間來計算物體各部分的距離。

最終，這兩種方法都測量從雷射發射器到零件的距離，因此它們需要與CMM/PCMM 等位置和方向控制設備配對，將雷射指向零件的相關區域以完成掃描。

2.結構光掃描

這與雷射三角測量類似，但它測量投射到物體上的光圖案的變形。與雷射三角測量一樣，結構光掃描也使用一台光投影機和一台或多台相機。投影機在物體表面顯示圖案。當圖案在零件上形成輪廓時，相機會記錄變化並使用三角測量得出物體的表面。光源通常是藍色LED DLP，類似於A/V 投影儀，相機可以記錄正在掃描的影像的顏色。

3.攝影測量

此方法使用電腦視覺和演算法從多張2D 照片組裝3D 模型。相機從多個角度拍攝照片，然後軟體識別每張影像中的共同參考點並將它們融合在一起。攝影測量可以偵測顏色、紋理以及形狀。除非影像中存在適當的縮放工具，否則它無法偵測尺寸。

汽車產業中的3D掃描掃描可實現複雜零件的精確測量，提高精度和效率

3D掃描如何應用於汽車產業？

透過彌合物理世界和數位世界之間的差距，3D掃描使汽車製造商能夠在CAD/CAM/CAE 環境中使用實體物件的高保真數位孿生，從而實現快速設計迭代、測量自動化、增強協作以及歷史存檔趨勢分析。

逆向工程

3D掃描是一種快速方法，可以在零件上創建足夠密集的測量結果，以解析高度複雜的表面和特徵，這對於逆向工程或在CAD 中重建現有零件非常有用。可以掃描停產零件或未使用CAD（或先前使用CAD）設計的零件，並可以從資料中提取原始設計意圖，以產生用於未來製造的新文件。可以忽略掃描零件中的缺陷以保留零件功能，修正設計缺陷以改善功能，或者如果需要新功能、材料或工藝，可以進行其他更改。

汽車逆向工程案例研究：康明斯

28 號康明斯Diesel Special是一款經典賽車，曾在1952 年印地500 大賽上成為新聞焦點。2017 年，該車受邀重返英國參加一場特別比賽，但團隊發現水泵已被腐蝕，無法存活事件。原來的幫浦是28 號車獨有的，因此沒有可用的備用生產零件。此外，汽車需要相對較快的運輸時間，這排除了傳統砂鑄方法需要大約10 週的時間。

為了解決這個問題，康明斯工程師對現有水泵外殼進行了三維掃描。為了驗證掃描資料的準確性，他們將點雲資料匯入Oqton 的Geomagic Control X 偵測和計量軟體，在該軟體中分離並對齊泵浦的內部和外部幾何形狀。然後，他們使用Oqton 的Geomagic Design X 逆向工程軟體將點雲轉換為非參數實體模型，以執行CAD 擬合檢查。

最終的設計是使用3D Systems 的ProX DMP 320 金屬3D 列印機在3rd Dimension Industrial 3D Printing（專門從事3D 直接金屬列印(DMP) 的高品質金屬生產製造商）的協助下進行3D 列印的。新水泵的3D 列印僅花了三天時間，整個過程需要五週時間，而不是通常的10 週。

三維掃描和3D 列印為#28 Cummins Diesel Special 賦予了新的生命品質

質量控制和3D檢測

品質控制是對製造的零件進行檢查的階段，以確保其滿足正常性能所需的所有規格，例如氣缸蓋是否完全依預期適合預期的引擎。

三維掃描極大地提高了檢測過程的速度和準確性，使汽車製造商能夠快速捕捉零件的3D 模型，並將其與零件的原始設計（通常是CAD 模型）進行比較。這有助於識別與設計的任何偏差，因此可以將不符合規格的零件從生產線上拉下來。汽車製造商還可以使用三維掃描在數位環境中對零件或組裝體進行進一步分析，其中高解析度測量比手動或CMM 測量更具描述性。

使用現代電腦可以非常有效地對數百萬個點進行形狀、尺寸、比例、後處理錯誤和許多其他利基分析。對工具的額外分析還可以揭示下游缺陷的根本原因，或用於追蹤工具磨損並在需要返工之前通知用戶。許多製造商使用自動結構光掃描來對車門和艙口進行間隙和齊平分析。

3D列印/積層製造

3D 列印也稱為積層製造，在汽車產業中用於快速生產零件，以及使用更輕、更強的塑膠代替更傳統的材料來製造零件。3D 列印通常需要3D 模型，但在某些情況下，製造商可能能夠直接透過三維掃描來3D 列印零件。或者，三維掃描可能需要在列印準備應用程式中進行最少的調整才能為最終輸出做好準備。無論哪種方式，快速列印掃描零件的能力都可用於當日原型製作、概念車輛的創新零件以及客製化夾具和固定裝置等製造輔助工具。

檢查積層製造零件的QA 團隊還可以使用三維掃描克服這項任務的獨特挑戰。例如，許多增材部件包含高度有機（即拓撲優化或解剖）特徵，這些特徵很難使用傳統工具進行可靠測量，但通常很容易以3D 方式掃描，然後覆蓋統計數據和通過/不通過報告的參考。

3D視覺化

沉浸式虛擬實境體驗正在成為汽車銷售和行銷過程中越來越重要的一部分。三維掃描車輛的內部和外部使製造商能夠快速創建VR 就緒的3D 模型。虛擬遊覽允許客戶探索虛擬車輛並體驗其外觀和感覺，就像在實體車輛中一樣。

車輛客製化

許多車主喜歡使用客製化零件和配件來客製化他們的車輛，以滿足各種功能和美學目的。透過三維掃描，可以以極高的精度製造適合其車輛的售後零件。就像量身訂製的套裝一樣，基於三維掃描的售後零件可以針對單一特定車輛進行設計，而不僅僅是針對特定品牌和型號。透過這種方式，三維掃描為客製化零件製造商提供了一種有趣的方式來區分他們的產品

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車輛客製化案例研究：Kindig-It Design

位於猶他州鹽湖城的Kindig-It Design是一家高端客製化汽車店，專門修復和改裝經典車輛。該工廠面臨的一大挑戰是汽車通常具有複雜的表面，這使得測量變得困難。

為了在CAD 中設計與現有車輛配合使用的新零件，Kindig-It 使用用於三維掃描的FARO ScanArm 和Geomagic Design X 軟體執行逆向工程。這使得Kindig-It 能夠製造包含複雜形狀、使用不同壁厚且通常更適合的客製化零件。

最近的例子包括為1953 年雪佛蘭Corvette 重新設計的車頭燈，以及為1971 年Karmann Ghia 改裝空調系統量身訂製的進氣口。

Kindig-It 使用FARO ScanArm 和Geomagic Design X 軟體執行逆向工程

設計和原型製作

汽車設計師和工程師經常嘗試提高現有車輛部件的性能或了解為什麼部件未達到預期性能。在這些情況下，三維掃描可以快速創建所製造的零件、組件、組裝或車輛的準確、高解析度3D 模型，而不是原始3D 設計。借助精確的零件3D 模型，工程師可以在實際製造之前透過極其逼真的模擬測試一系列新的設計概念。最終，這使得設計團隊能夠更快地探索更多想法，確保他們的想法可能符合性能標準，並更有信心地直接進入快速原型設計/再製造。

零件更換

該應用程式是逆向工程的子集，專門針對經典汽車、摩托車和其他不再提供替換零件的車輛的車主。當然，這些車輛早於數位設計時代，因此通常也沒有可用於更換零件的藍圖，甚至沒有準確的規格。但三維掃描可以非常輕鬆地為任何零件創建功能齊全的3D 模型，即使是幾十年來都沒有製造過的零件。三維掃描甚至可以用於破損或嚴重磨損的零件。然後可以在CAD 程式中改進或改進生成的3D 模型，直到準備好進行製造。此外，三維掃描可用於與其他零件或組件的任何接口，以確保完美配合。

數位化文件

許多製造商使用三維掃描來創建所有現有零件和工具的完整數位檔案。這有助於填補不是由3D 模型製成的零件或工具、來源文件遺失或沒有任何文件的零件或工具的任何空白。此數位檔案有助於保存有關製造商營運中所有零件和工具的機構知識。

行銷傳媒

汽車行銷團隊非常清楚，過程中最昂貴的部分之一就是安排車輛照片拍攝。這些圖像幾乎驅動了新車的所有行銷內容，因此在這些車輛圖像完成之前，幾乎沒有什麼可以向前推進。透過三維掃描，製造商可以簡單地掃描車輛並創建可用於網站、社交媒體和數位廣告的逼真3D 渲染。此外，這些渲染可以增強以顯示各種車輛選項，而無需花時間單獨拍攝所有這些選項。可以在程式設計過程的早期透過對黏土模型的掃描來產生渲染圖。

使用黏土模型進行即時設計開發

黏土模型是即時車輛開發過程的重要組成部分。通常，在建立2D 設計後，會建立3D 模型，然後在黏土中進行銑削以進行驗證。此時，需要對設計進行更多更改，通常是手動更改。設計團隊面臨的挑戰是如何從修改後的黏土模型中捕獲新資訊並將其轉換回數位資料。在這些情況下，三維掃描提供了一種相對快速且簡單的方法來了解黏土模型與原始3D 模型的設計標準和邊界之間的關係。透過將兩者疊加，設計團隊可以快速識別差異，編輯3D 模型，並在同一天將其發送回黏土地板。這使得設計團隊能夠更快地迭代並更有信心地做出決策。

三維掃描在汽車產業的優勢

此列表絕不是詳盡的，但希望此處列出的應用程式或挑戰之一能引起您的共鳴。無論您是為OEM 還是小型客製化商店工作，汽車設計師、製造工程師、研發團隊、品質檢驗員和許多其他利害關係人都可以透過將三維掃描引入其營運中來以多種方式受益： •

降低成本。正如我們在許多此類範例中所看到的，使用三維掃描可以簡化設計週期中的多個步驟，從而加快車輛零件的設計、原型設計、測試和製造速度。這意味著更快的上市時間和更低的生產成本。

•更快的設計週期。在使用三維掃描之前，修改現有汽車零件通常需要使用卡尺、量規、直尺或CMM 等手動工具進行極其緩慢、低解析度的測量。然後，需要手工創建模型或圖紙，以便在複製零件之前通知模型製作者或原型師。零件越複雜，需要的測量就越多，錯過或錯誤測量關鍵特徵的可能性就越大。所有這些都可以使用三維掃描儀在幾分鐘內完成，其速度比座標測量機快九倍，比手動測量快幾個數量級。同樣，當基於現有零件或必須與現有零件連接的新零件創建設計時，這非常有效，因為三維掃描使設計人員在3D 模型創建方面處於領先地位。在某些情況下，製造商甚至可以直接從三維掃描轉到工具或模具銑削，這進一步縮短了生產時間。

•更簡單的原型設計。快速原型製作是汽車設計過程的重要組成部分。三維掃描簡化了流程，使設計團隊能夠根據三維掃描資料銑削創意的比例模型，甚至根據快速掃描3D 列印原型。這些掃描對於比較設計理念的各種迭代也非常有幫助，這有助於減少獲得最終概念的週期數。當原型準備好後，還可以使用三維掃描來尋找任何缺陷。

•更好的品質控制。三維掃描在汽車領域最強大的應用之一是檢查和品質控制。三維掃描可以對成品零件進行快速、高解析度的檢查，從而提高製造商發現缺陷、缺陷和與預期設計偏差的能力。透過掃描創建的數位孿生可以實現QA 流程的高效自動化，並且歸檔掃描資料可以分析一次或多次生產運行中的製造趨勢。

•提高產品品質。三維掃描儀可提供比手動工具更高解析度的結果，某些系統在以數位方式捕捉零件、組件或組件時可提供高達10 微米（0.01 毫米）的精度。

•便攜方便。汽車製造商使用的許多三維掃描儀均採用輕量便攜設計，因此易於在工廠車間使用。

•易學。許多三維掃描儀只需很少的訓練或經驗即可準確使用。在許多情況下，為了正確使用掃描器並獲得高解析度結果，總時間最多只需幾個小時。