汽车零部件3D扫描建模技术初探

陈卫国

（东台市人大常委会办公室，江苏 东台 224200）

汽车零部件3D扫描建模技术初探

陈卫国

（东台市人大常委会办公室，江苏 东台 224200）

文章针对3D打印技术在汽车工业中的应用，主要进行了汽车零部件3D打印的需求分析，介绍了3D打印技术的基本概念，阐述了汽车零部件3D建模的切片处理技术和打印成型技术，并以FDM成型技术为例，简述了汽车零部件3D打印的全过程。

3D打印；汽车维修

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.011

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

1、汽车零部件3D打印需求分析

21世纪以来，中国的汽车行业日新月异，随着市场规模的逐渐饱和，原本汽车行业粗放的发展模式也正经历着向行业细分模式的转变，各汽车厂家的竞争日趋激烈。在此行业发展大背景之下，对于各汽车厂家而言，如何提高生产效率和产品的效费比，如何实现产品快速升级换代，如何能够提高汽车的节能环保性能和安全舒适度，这些都需要汽车厂家从研发、设计、生产、销售、服务和维修等方面通盘综合考虑的因素。

3D打印技术是近几年发展的一种高效快速的成型技术，在航空航天、工业零件、电子电路等方面都有很广泛的成熟应用。针对3D打印技术的特点，其在汽车领域主要应用的场合主要在两个阶段，一是在汽车研发的研究阶段；二是在汽车售后的维修阶段。在新产品汽车的研发阶段，汽车的部分零部件需要针对新产品进行重新设计，传统的零部件成型技术主要通过开发模具，生产样品的模式进行，这种模式主要存在试制环节多、周期长、出现问题后研发成本大幅提高等问题；在汽车售后的维修阶段，一些高端车、进口车由于渠道等问题造成配件供应短缺、车辆维修不及时、维修成本高昂等问题；一些停产老旧车型的配件也存在配件停产短缺等等问题。3D打印技术的出现能够很好的解决上述问题，必将对汽车产业的发展进程起到重要的推动作用。

2、3D打印技术的基本概念

3D打印技术(英语:3D printing)是一种快速成形技术，有别于传统的减材加工和模具加工方式，3D打印是一种增材加工的方式。这种加工方式比传统利用毛坯修剪成型的减材加工要更加节约原材料，比模具加工方式更加的节省时间和费用。它是一种以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印采用分层加工和叠加成型技术把3D数字模型进行分层切片操作，对每层切片的数字模型进行逐层加工，叠加而成最终的3D实体。

3D打印的核心技术有以下几个：

（1）3D数字化建模技术：3D数字化建模是利用计算机软件设计并展现新开发产品的外形、结构、色彩、质感等特色的过程；

（2）3D数字化扫描技术：就是利用计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的3D建模数据；

（3）光机电一体的3D打印成型技术：是利用光机电一体的3D打印机将3D建模数据进行逐层打印的技术。

其中前两项技术是为了获得被打印物体的3D数据模型，3D数据模型的文件格式一般是STL格式，该格式目前是CAD/CAM的标准文件格式；后一项技术是在具体的模型数据后的成型技术。

3D打印技术的原理：3D打印主要是使用了离散-堆积的思路，我们首先进行零部件的数字建模，再用软件把模型切分得到每个截面的轮廓形状，3D打印过程中逐层打印完成堆积操作，这样就实现了3D打印的过程。在整个打印过程中，成型技术方法较多，针对不同材料和不同生产要求可以选择不同成型原理，这也是我们在汽车生产和维修领域使用3D打印技术要研究的内容。如下图1所示，3D打印机快速成型的基本过程如下：

3、汽车零部件的3D数字建模

3D打印的基础是建立3D数字模型，对于3D数字模型的建立主要有两种方法：3D数字化软件设计和扫描成型，汽车的设计主要就是依靠3D数字化软件设计完成的，一般而言，3D设计软件有AutoCAD,Pro/Engineer, Maya等等，而针对行业而言，有各自专有的行业软件，汽车工业自己专业的3D设计软件是CATIA，欧洲汽车业使用该软件几乎成为标准，包括奔驰、宝马、克莱斯勒和国内的长安、奇瑞等公司均采用此软件。在汽车维修中扫描技术也可以进行零部件的数字建模，帮助生产出内部结构不算复杂的零部件。3D数字模型建立后还应该对模型进行美化，设计者可以结合大数据的针对性推荐，对仪表台的外观设计进行美化修改，直至完全满意。有了满意的3D数字模型下一步就可以打印。3D打印的主流技术包括FDM, DP, SLA, SLS等，这些技术的主要区别在于使用的耗材即原材料不同和固态成型方法不同。

3.1 切片处理技术

3D打印切片处理技术是3D打印的核心技术之一，所谓切片就是将3D数字模型沿某一个轴的方向“切”为一系列的二维平面，得到一系列连续的二维平面信息，使3D打印机能以平面加工方式根据不同工艺要求有序连续加工出每个切片，这个过程即为切片处理过程。由此可见，数据处理切片是3D快速成型技术最重要的过程，如果分层处理出现了问题，将直接影响打印出产品的质量。

当前主流的切片软件主要两类，一类是业余DIY爱好者使用的，比如：Cura和Miracl Grue等；另一类是各大打印机生产商开发应用的，比如QuickCast和 Rapid Tool等。切片软件的主要功能包括两个方面，一是切片功能；二是打印功能。CAD文件经过软件切片处理就可以得到能被3D打印机识别的Gcode控制文件，Gcode控制文件包含了控制打印机动作的完整指令步骤。

3.2 打印成型技术

打印成型技术是3D打印技术中最核心、最关键的部分，成型技术的好坏直接决定了打印的产品质量。目前，市面上主流的成型技术主要有熔融沉积成型(FDM Fused Deposition Modeling)、三维打印黏结成型(3DP 3D Print)，选择性激光烧结技术(SLS Selective Laser Sintering)、直接金属粉末激光烧结技术(DMLS Direct Metal Laser Sintering)。

在上述的3D打印技术中，FDM技术具有打印机结构简单、成本低廉、打印速度快以及成型尺寸大的特点，非常适合于桌面级和低精度工业产品使用。FDM的工作原理是将热塑性材料丝在喷头处加热融化，通过喷头底部的微细喷嘴将融化的材料以一定压力喷出，随喷头移动材料形成一个层，一个层打印完成后工作台移动再打印下一个层，挤出的材料熔结在上一个层上，这样一层层打印直至完成整个实体。

4、基于FDM的汽车零部件3D打印案例

汽车维修行业中，3D打印技术有着良好的发展前景，尤其针对高档进口汽车部分零部件供应周期长、价格昂贵以及部分老旧车型备件缺乏的问题，3D打印技术就可以提供很好的帮助，下面以汽车后视镜的打印为例，讨论3D打印技术在汽车维修行业中的应用。

4.1 3D数字建模

汽车零部件的3D模型可以从生产厂家获取或者通过实物扫描的方式获取，对于汽车维修厂家而言，由于涉及知识产权保护等等问题，直接获取3D数字模型一般较为困难，所以一般选择扫描的方式获取3D模型数据。目前，主流的3D扫描仪大体分为接触式扫描和非接触式扫描，其中非接触式扫描又分为光栅扫描（也叫拍照扫描）和激光扫描。而拍照扫描又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描又有点激光、线激光、面激光的区别。

由于拍照扫描具有极高的性价比，因而实际应用较广。拍照式3D扫描仪扫描原理类似于照相机拍摄照片而得名，采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理，是为满足工业设计行业应用需求而研发的产品，它集高速扫描与高精度优势，可按需求自由调整测量范围，从小型零件扫描到车身整体测量均能完美胜任，具有较高的性价比。

一般的拍照扫描系统，其主要特点如下：

1）扫描速度极快，数秒内可得到100多万点；

2）一次得到一个面，测量点分布非常规则；

3）精度高，可达0.02mm；

4）单次测量范围大；

5）便携性好，可搬到现场进行测量；

6）可对无法放到工作台上的较重、大型工件进行测量；

7）大型物体分块测量、自动拼接；

8）大景深（可达300-500mm，激光扫描一般只有100mm）；

上图2是苏州西博扫描系统扫描的汽车后视镜3D数字模型图。

4.2 3D数字打印

汽车后视镜一般为高分子ABS材料，由于其对打印材料、精度、表面粗糙度等要求不高，因而FDM打印成型方式成为其打印的首选，本次设计打印过程中，我们使用的是广州网能产品设计有限公司的FDM50-5050（图3）3D FDM打印机。

FDM50-5050具有操作简单、性能稳定、打印幅面大、高精度、高效率及低运行成本的特点，非常适合汽车维修过程中ABS部件的3D打印。打印的实际效果图如下图4所示。

需要注意的是，在打印完成后的产品是无法直接装配使用，需要进行一定的后处理工作，包括抛光、喷漆、电镀等，这些工艺过程与采用传统方法生产的零件相同。

[1] 康兰;产品逆向设计中特征和约束的重建[J];机械设计与研究;2009.05:56.

[2] 梁艳霞;基于3ds max的三维建模技术在工业设计中的应用[J];电脑知识与技术;2009.25:151-152.

[3] 郭一鸣;汪建安;;乘用车参考样车静态参数的对标分析[J];湖北汽车工业学院学报;2010:.01:85-86.

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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

陈卫国，男（1972-），男，籍贯江苏东台，大专，技师，就职于东台市人大办公室。