浅析3D扫描在Notebook产品中的应用

胡传根 闫拴平 黄宁燕 魏 坤

（合肥联宝信息技术有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

受益于全球移动办公的需求，笔记本电脑出货量的巨大基数。叠加全球疫情的影响，居家办公提升对笔记本电脑的需求。据统计，2020年全球笔记本出货量为2.062亿台，同比增长28.71%。2021年全球笔记本出货量达2.461亿台，同比增长19.35%。

图1 2016-2021年中国笔记本电脑出口数量及增速

在这样的趋势下，如何提高NB开发、制造水平是个大问题。要想在国际市场站稳脚跟，必须迅速提高NB开发和制造的效率和精度。 但在这过程中，对整个机构的尺寸有很强的要求，如果偏差太大，就可能达不到设计的实际效果。3D扫描仪开始进入这一行业，有效地解决这一难题。依赖计算机图像处理技术和光学技术，更能立体、完善地展现客观零件的机构尺寸信息，同时也成为研发、制造的重要开发量测工具。

一、3D扫描简介

3D扫描是集光学、机电和计算机技术于一体的高新无损检测技术，能够对实物的空间外形、结构乃至色彩进行扫描，将立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，获得物体表面的准确空间坐标，为实物数字化提供了快捷、精确及方便的手段，提升产品质量，优化工艺流程，促进生产效率。

3D扫描仪的光源一般为激光。激光以其单色性、亮度高、发散小等优点成为早期三维光学测量系统的首选光源。最新扫描仪的光源为蓝色激光，蓝光的波长更短，并且光源为LED冷光源，光源能耗更低，抗干扰能力强，以及对环境要求低等特点，已经得到广泛应用。

3D扫描仪可以实现最高效的全尺寸检测，可自由扫描工件的任意位置，精确分析任意位置的偏差。 基于扫描数据，与3D数模比较，生成颜色误差色谱、偏差注释、尺寸测量、几何公差检测和直观检测报告。

二、3D扫描技术分类

3D 扫描是一种能够以多种方式扫描物件后，将其实物三维信息转换为3D数字化模型的一种技术，其主要分为两大类型："接触式 "和 "非接触式"3D扫描。这两大类型的区别，顾名思义即有无碰触到物件，碰到的为接触式，没碰到为非接触式。

在我们NB行业，选用的是非接触式3D扫描系统。

三、被动式3D扫描的测量原理

非接触式3D扫描：采用最先进的三重扫描和蓝光技术（见图2），投影设备将蓝光光栅投影到工件上，再由左右两个CCD镜头摄取影像，最后经由软件的高度解析方法，运算出NB工件的三次元点群。其测量面积为80 x 60mm，测量精度可达8um，结合GOM Professional Inspect测量软件以及全自动转台可以将点云文件转换为实体模型，利用参数化测量，完成各种元素拟合以及测量，轻松完成重复性测量任务。

图2 蓝光技术加三重扫描技术

四、3D扫描在notebook产品上的应用

随着3D扫描测量技术的不断进步，其在NB产品上的应用的范围越来越广泛，其中比较典型的主要包括：材料厚度分析、工件变形度分析、尺寸管控、卡钩分析、BOSS柱分析等方面。

下面以NB A cover为例，对其进行数字化检测分析。在没有3D扫描介入前， A cover各项检测多依赖检具和手动量测工具。3D扫描对A Cover的整个操作流程如下：

步骤1：A cover喷粉。ATOS测量头发出的蓝光没办法直接照射到这三种件：a、透明件；b、高反光件；c、黑色吸光件。所以在扫描之前，需要对被测物体的表面喷涂二氧化钛粉来处理，如下图3所示：

图3 喷粉

步骤2：通过ATOS高精度蓝光扫描检测系统进行三维扫描，将A cover放置在转台的治具，转动转台，进行三维扫描（见图4）。（该工件结构较为复杂，在扫描时每次转动幅度可以相对较小，获取完整数据）

图4

ATOS采用蓝光技术和最先进的三重扫描，有效改善镜头畸变带来的数据误差，准确获取工件边缘高质量数据。

ATOS最高精度可达0.008mm，且重复性精度稳定，同时获取的数据细节完整丰富，为后续的三维检测提供高质量的数据基础。

步骤3：再利用GOM Professional Inspect测量软件可以将STL点云文件转换为实体模型，与原始设计数据相拟合，快速得到可视化偏差报告

1.材料厚度分析

曲面材料厚度分析色彩图（见图5），识别凹陷和缩痕的位置，直观反应材料厚度偏差。

图5 材料厚度分析

2.变形度分析

与CAD对比的曲面误差色彩图（见图6），完整的显示A cover样品与CAD的误差分布，翘曲变形。更直观显示变形位置，精准分析周边曲线曲率的变化等，为工艺参数的调整提供明确的方向与数值。使得模具修改，调试，CNC机加工这几个重要环节能够顺利开展，减少各环节测试的时间与频次，加快NB整体生产进度，大大提高生产效率。

图6 变形度分析

3.关键尺寸管控

尺寸在notebook设计及生产过程中是最基本也是最重要的控制要素之一。我们传统测量工件尺寸用的是游标卡尺，二次元等方法。在测量的过程中，精度有限，人为误差，耗费时间长等，满足不了现在notebook行业快速发展的需求。

现在通过Atos 3D扫描，将扫描得到的STL点云网格导入GOM Professional Inspect测量软件，五分钟能快速得到关键尺寸的数值，与理论3D尺寸做比较（见图7）。

图7 关键尺寸分析

4.结构卡勾分析

传统测卡勾，需要把卡勾剪下来，通过二次元来测，整个过程耗时长。同时NB 结构卡勾数量多，就会造成工作量大，繁琐。

现在用ATOS 3D扫描，只需要把扫好的STL点云网格导入GOM Professional Inspect测量软件，10分钟能得到卡勾与理论3D对比的误差色彩图（见图8），直观显示卡勾的品质，符不符合标准。

图8 卡勾分析

通过3D扫描检测分析，可以快速、准确完成所有卡勾的测量，加快NB结构尺寸确认时效，大大提高生产效率。

5.Boss柱分析

Boss柱是NB产品中重要的衔接固定结构，主要起到定位和紧固作用。因此对boss柱的检测是必不可少。

传统检测BOSS柱，是通过高度规，二，三次元检测，过程繁琐，耗时长，存在人为误差，用Atos 3D扫描可以快速得到BOSS柱的分析报告（见图9）。通过色谱图直观展示B0SS柱的变形趋势，助力工艺参数的快速修正，从而加快研发阶段的结构确认时间。

图9 BOSS柱分析

五、3D扫描带来的益处

1.提升试模环节效率

众所周知，NB的设计、制造和试模的周期长。特别是试模需要一次次调试，找到最佳的生产工艺条件。3D扫描可快速实现样品的三维检测，锁定工件的变形趋势、具体尺寸及工艺参数，从而加快各个结构确认环节的进程。

2.高效进行成品检测

单个工件检测在小批量试产之后，可以实现高效全检，在大批量生产时可进行高效抽检。

六、3D扫描在NB行业的未来前景

ATOS 3D扫描测量技术的日益成熟和发展，为NB行业提供了高效的三维数字解决方案。而随着NB精细化要求越来越高，对测量系统的特殊需求也在提升，实现针对特定应用场景进行个性化定制。

未来应用场景：

1.模具公母模仁结构尺寸确认

2.NB 机构件的结构尺寸应用

3.精密仪器仪表等结构件尺寸的量测

4.NB机构件生产过程中的抽检，入料检验等

结语

本文从前期准备、数据采集、数据处理等主要步骤出发，提出了ATOS 3D扫描在NB产品上的应用。通过本次应用分析，可见ATOS 3D扫描数字化检测技术与传统测量技术相比具有以下优势：

（1）通用性强，无论何种形状的工件，均可使用同一台设备进行检测，解决了传统辅助检测工具繁多的困扰。

（2）速度快，距离在200*140以内的工件，扫描时间在30分钟以内，检测时间在10分钟以内（在完成软件首次路径编程后）。

（3）无损检测、结果准确，测量过程中不会触碰工件，不会因工件受力形变产生测量偏差，ATOS精度水平计量级达到最高0.008mm。

本次ATOS 3D扫描检测用于A cover，得到了想要的检测结果。纵观整个NB行业，存在着大量的工件检测需求，而传统检测方式无法高效解决，而ATOS 3D扫描检测可以补充这一空缺，未来更多的应用场景等待着去开拓。