汽车外饰油泥模型制作工艺的优化

2020-08-03郭上清

汽车零部件 2020年7期

郭上清

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

中国汽车产业规模现已经是世界第一，国内各个汽车公司都依然在注重研发能力，不断提升自主开发能力是汽车公司持续发展进步的关键因素，汽车造型设计是自主研发的基础，在汽车产品开发中必不可少。早期汽车造型设计中，汽车模型多用石膏和木板为材料，但是由于这些材料的固有特性，这类模型不便于反复修改，影响开发时间，也增加开发成本。1955年日本首次使用工业油泥进行汽车模型的设计开发。1972年美国通用汽车公司将油泥应用到汽车设计开发模型上，使汽车设计摆脱了受限于石膏、木板的历史。当今，油泥模型设计制作在汽车开发环节必不可少，不管车身、部件还是内饰部件都会用油泥进行制作；对于消费者来说，汽车外观是第一吸引眼球的要素，在汽车造型设计过程中外饰油泥模型也是首要环节，外饰油泥模型创意确定后，接下来才开发内饰创意模型以及后续的A面数据、工程制造等工作。

1 汽车外饰油泥模型制作的作用

外饰油泥模型的制作是汽车造型设计中很重要的一个环节。创意设计师将自己的外饰创意用二维平面图表现出来，但由于肉眼的局限性，不可能从平面就很精确地认识到立体感觉，所以在平面效果图转化为实际汽车产品之前，需要进行油泥模型制作。外饰油泥模型的制作在时间上优先于内饰模型，这是因为外饰水切及前挡风的造型影响内饰设计整体布局。整个汽车的油泥模型是设计与工程之间的桥梁，基于选定的外饰效果图，模型师和设计师协作把立体实物模型制作出来，利用逆向扫描工具把更改的模型扫描成点云数据，数据师依据点云数据转化成A面数据输出给工程。

油泥模型的设计与制作在汽车造型设计中起着承前启后的关键性作用，它是连接设计与工程的媒介,即将二维的平面视图、效果图转化为真实的三维实物，除了视觉上感观以外更有触觉的体验，还能够有效地弥补平面表达中不能解决的许多空间问题,使设计对象更直观、更具体。

2 汽车外饰油泥模型开发制作

外饰油泥模型制作是一项工程，涉及很多个科室部门，它的启动以及最终完成受到工程约束、创意设计、项目管理、模型输入4个方面的影响。工程约束最主要是总布置图、工程硬点的确定，直接影响着油泥模型的开启；创意设计主要输入条件有草图、效果图、附件图，这些都是模型师主要的参考依据；项目管理方面包括经费预算、人力资源、项目计划，这些对油泥模型进度推动至关重要；模型输入的骨架、油泥等材料工具、过程中制作工艺的确定，都是油泥模型制作的基础。

3 汽车外饰油泥模型制作工艺优化

当前常用的设计开发流程中，模型设计工作开始需要依靠初版CAS。外饰设计师指导数据师完成初版CAS 的设计工作，一般需要两周的时间，数据经过评审通过以后，模型团队可以利用评审后的CAS进行骨架设计工作以及后面的模型设计工作，大致的开发流程为CAS数据设计阶段→骨架设计制作→覆盖木板→加工泡沫→油泥加工→手工改型→逆向扫描→逆向CAS优化→再次油泥加工→顺面细节处理→表面装饰→最终评审交付。整个外饰模型周期较长，为了响应并满足当下汽车行业开发的高节奏，对常用工艺流程进行优化，达到缩短模型设计阶段开发周期进而减少项目的开发时间。文中结合实际油泥模型设计工作，对外饰油泥模型制作工艺进行了优化，骨架设计提前不依靠初版CAS,减少过程中逆向数据在加工的工艺，根据工艺的差异性把外饰油泥模型制作优化为模型前期准备、模型加工、模型设计三大工艺。

3.1 汽车外饰油泥模型前期准备

3.1.1 骨架数据设计输入

骨架设计是前期准备的第一项工作，它的启动所需输入大致分为Y0截面、整车参数、轮胎数据、评审姿态4个方面,不需要数据师提供初版CAS。如图1所示，Y0截面包含多个硬点、接近角、离去角、离地高度等信息，可以很直观地限定好骨架设计的范围；整车参数约束了其长宽尺寸；轮胎数据是骨架前后轮轴设计的依据，必须具有完整的数模；评审姿态是根据设计输入要求，限定骨架与轮轴之间的相对关系。以往需要粗版的CAS数据才可进行骨架搭建，现在只要有了以上输入，模型骨架设计就可以开展。

图1 Y0截面

3.1.2 骨架数据设计

骨架设计输入以后，结构数据师进行骨架数据的搭建工作，骨架底盘主体设计时需要考虑强度，钢管太厚骨架太重，钢管太薄骨架易变形；骨架上前、后基准板设计在同一水平面上，前后轮轴要放在基准板中间位置，预设调动范围，满足后期骨架调整；前轮轴轮心与Y0截面轮心一致，方便后面的坐标加工；考虑模型转运，需要对轮轴固定板的高度限定最小值。骨架多数情况下是可以重复利用的，而轮胎安装结构需要合理的设计，以满足不同轮距车型的开发需求。总体来说骨架数据搭建时需要考虑骨架与型面不要干涉，骨架的承载及自重，骨架的装卸搬运，骨架的柔性再度利用以及设计合理的轮胎安装结构等因素。

3.1.3 骨架制作及泡沫搭接

利用外饰骨架数据加工并组装骨架，骨架利用方钢制作，在制作过程中需注意:(1)骨架要焊接牢固，有良好的承重能力和稳定性, 必须考虑好不同孔径的钢铁使用；(2)方钢需要进行除锈处理，表面先涂一层底漆，再涂面漆；(3)预留好后续装配工作的空间。

骨架制作完成后需要覆盖木板，木板厚度一般使用18 mm左右，可以把金属骨架的框架结构转变为平面结构,便于衔接金属骨架和聚氨酯硬质泡沫板材，同时可以起到美观作用，由于轮胎机构是一个独立体，包含调整机构、对刀基准块，切割木板时需要避让。泡沫内芯利用强力泡沫胶粘贴在木板表面，根据车型的大致轮廓堆积泡沫，泡沫的堆放很关键，必须确保泡沫衔接处无缝隙，这里使用的泡沫区别于普通的包装泡沫，它是特殊定制的高密度材料，具有密度大、质地硬的特点。

3.2 汽车外饰油泥模型加工

3.2.1 模型泡沫加工

泡沫搭接完成后，初版CAS数据在设计师的跟踪完成下可以输入加工，通常数据需要评审确定；泡沫加工数据在CAS数据中进行再设计，数据上的硬点位置尽量满足工程要求，包括C点位置，前挡风玻璃、窗胶条及侧窗玻璃位置；加工泡沫时，需要对数据进行偏置设计，相比CAS数据必往内偏置30 mm左右, 用于预留油泥填敷厚度，提供后面油泥塑形的余量空间，机床铣削泡沫后，对表面进行清理，查看泡沫搭接处是否有漏空，如果有必须及时补充泡沫胶进行加固。

3.2.2 模型敷油泥

敷油泥前，必须提前硬化泡沫表面，保证油泥填敷过程泡沫颗粒不起来。开始上油泥时，要遵循宜薄忌厚的原则,上泥时用力要均匀一致,遵循“平薄宽长”,保证油泥之间不出现裂缝，填敷油泥时先薄敷,再厚敷，如图2所示。油泥容易冷却，需要在保持软质的情况下快速填敷，当油泥硬化后不能直接在表面敷泥，必须使用专业的加热工具对硬油泥进行烘烤，达到合适的软度再填敷新热油泥。

图2 油泥填敷

3.2.3 模型油泥加工

油泥模型加工常见的铣削机器有三轴悬臂式、五轴悬臂式、五轴龙门式等，各个设备加工工艺以及时效都不一样，文中以三轴悬臂式机床加工为例，如图3所示，油泥加工需要CAS数据的输入后进行，基于泡沫加工数据进一步根据设计方案进行相应的调整，同时将该数据不断反馈给工程，解决部分重大工程问题，CAS数据评审通过后可以输入模型进行加工；油泥加工数据可以分粗加工数据和精加工数据两次输入，两版数据相隔2—3天，期间给CAS数据设计多了一些优化时间，同时能体现更细特征，包含有上下格栅特征等信息，两版数据的变化量尽量控制在5 mm以内。

图3 外饰整车加工

粗加工数据可以用于敷泥大面检查以及粗加工，粗加工使用直径为10 mm的刀进行加工，为了速度快一些，根据油泥性质及设备性能设置刀路步径一般为8 mm左右、加工余量在5 mm左右，完成粗加工后需要对表面进行清理并查缺补漏；精加工数据输入后，优先在软件上与粗加工比对，以便查看风险，同时利用直径为10 mm的刀进行油泥面检查，精加工的刀路步径设定为3 mm(细节处可以按需2 mm步径)，如果粗加工数据与精加工数据大范围偏差大于5 mm，建议重新粗加工一轮。

3.3 汽车外饰油泥模型设计

3.3.1 油泥模型改型

模型加工出来，通常需要对外饰模型的侧窗玻璃、前后挡玻璃、前后灯以及格栅保杠裙板进行预评审一轮，有黑色的区域利用黑锡纸快速覆盖，完成后把模型运到户外旋转台，在自然光下进行模型评审，模型师与设计师可以直观地对模型与设计图纸进行对比，先远处查看模型姿态及体量感，再近距离看细节。外饰设计师根据自己的效果图在油泥模型车上利用胶带进行再次的设计表达，先从油泥模型的侧面进行贴胶带，侧面效果直接决定了这台车的姿态感觉，然后对前后油泥区域进行胶带表达工作。当设计主题有两个方案时，可以以Y0线为基准，左右两边分别体现一个设计方案；当设计方案只有单一主题时，为了快速在模型上体现最符合设计师的设计意图，也为了节约项目开发时间，以Y0线为基准，油泥模型师往往对整车模型一半进行设计特征改型；油泥模型师和设计师进行沟通协商，查看前脸、侧面、尾部的修改，经过反复几轮的改型，最终满足设计师要求。在车头和车尾中心线位置放置一定高度的镜子，把前脸及尾部镜像成一个完整的状态给设计师进行评审。

3.3.2 模型高光检查

高光是美术方面的用语，当光源照射到物体表面上后，反射到人的眼睛里面，从而把最亮的点凸显出来，众多的点组合在一起形成了形态各异的高管带，简称高光或者高管带。高光可以反映出油泥模型表面的形态和曲率、体量感、饱满度、光顺度，它是油泥模型表面曲率的动态反映，会随着光源的变化以及人们视线移动，产生流动性。高光同时也是反映油泥模型表面质量最为重要的方式之一；外饰油泥模型表面的造型、曲率不同，会产生不同形态的高光形态，例如条形高光、回旋型高光、S型高光等，条形高光经常在两车门区域体现，如图4所示；回旋型高光在轮包区域体现，如图5所示；S型高光经常在引擎盖上呈现。油泥模型设计过程中，需要不断地进行高光检查，常用的材料有锡纸膜、胶膜等，其中油泥改型过程中，锡纸膜检查高光使用最多；对于不顺畅的高光，油泥模型师需要反复进行修改优化油泥表面曲率，直到满足设计师以及自己需要的高光效果。

图4 条形高光

图5 回旋型高光

3.3.3 油泥模型扫描

通过高光检查的油泥模型，再经过评审确定后，然后利用扫描工具进行油泥表面扫描。文中结合实例操作进行说明，使用的扫描工具是Creaform扫描系统，这套系统由照相定位系统(maxSHOT)，激光扫描仪或白光扫描仪组成。定位系统与扫描仪的结合，可以大范围扫描，并且有效控制汽车外饰油泥模型三维扫描精度，获取高质量点云数据，具体扫描工作流程如图6所示。

扫描得到的数据为点云数据STL格式，扫描数据通过软件后处理，填补表面上的漏洞，剪裁边界；点云面片修补后，再进行坐标拟合，文中在快速扫描时并未用设备进行空间坐标拟合，所以处理扫描数据必须核对坐标，只有坐标拟合后的点云数据才可以输出给数据师进行曲面建模，同时输出给工程那边进行截面分析。

图6 扫描工作流程

3.3.4 外饰油泥模型装饰

外饰油泥模型扫描完以后，需要对因扫描留下来的表面物质进行清理，还需要有经验的油泥模型师对油泥整车进行精刮，填补扫描贴点去除过程中产生的缺陷。有需要的时候再次检查油泥车身大面光顺后的高光，刻画逼真的门封线，对各个线条进行倒角，校核检查轮胎位置。接着开始进行车身装饰工作，车身装饰的主要内容包括油泥车身贴胶膜或者喷涂车身漆，如图7所示。在油泥表面进行车身贴膜，只需1—2天就可完成工作，并能快速展现效果；喷漆工艺相对复杂，需要检查油泥，并喷多道工序，4—5天才可以完成，但喷漆有个明显优点就是光泽度很好。

外饰模型完成贴膜或喷漆后，为了体现完整并仿真的汽车效果，需要安装门把手、后视镜、水切胶条、行李架、雨刮器等零部件，这些部件也许还没来得及设计开发出来，可以先各自设计，然后一起讨论，临时借用其他车型的零部件。如果零部件有CAS数模数据，可以通过3D打印、CNC加工出来。外饰油泥模型装饰完整后供项目评审。