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科普長文|汽車行業與三維掃描技術
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三維掃描使汽車行業的製造商能夠改變車輛、總成、零部件的設計、原型製作、逆向工程、品質控制檢查以及許多其他應用的方式。 在本博客中,我們將瞭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。 什麼是三維掃描? 三維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。然後將生成的數據點組裝成對象的數字 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。三種最流行的三維掃描類型包括: 1. 鐳射掃描 鐳射掃描有兩種類型。 第一個是鐳射三角測量,它測量投射到物體表面的雷射光束的變形。通常有一臺雷射器和多臺攝像機來記錄線條的形狀。鐳射和相機之間的角度是預先確定的,因此可以對鐳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。鐳射的速度是恒定的,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鐳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,將鐳射指向零件的相關區域以完成掃描。 2.結構光掃描 這與鐳射三角測量類似,但它測量投射到物體上的光圖案的變形。與鐳射三角測量一樣,結構光掃描也使用一臺光投影儀和一臺或多臺相機。投影儀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圖像的顏色。 3.攝影測量 這種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,然後軟體識別每張圖像中的共同參考點並將它們融合在一起。攝影測量可以檢測顏色、紋理以及形狀。除非圖像中存在適當的縮放工具,否則它無法檢測尺寸。 汽車行業中的三維掃描可實現複雜部件的精確測量 提高精度和效率 三維掃描如何應用於汽車行業   通過彌合物理世界和數字世界之間的差距,三維掃描使汽車製造商能夠在CAD/CAM/CAE 環境中使用物理對象的高保真數字孿生,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 三維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(或之前使用 CAD)設計的零件,並可以從數據中提取原始設計意圖,以生成用於未來製造的新檔。可以忽略掃描零件中的缺陷以保留零件功能,糾正設計缺陷以改進功能,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,但其團隊發現水泵已被腐蝕,無法倖存事件。原來的泵是 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,這就排除了傳統砂鑄方法需要大約 10 周的時間。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。為了驗證掃描數據的準確性,他們將點雲數據導入 Oqton 的 Geomagic Control X 檢測和計量軟體,在該軟體中分離並對齊泵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 印表機在 3rd Dimension Industrial 3D Printing(一家專門從事 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 列印僅用了三天時間,整個過程需要五周時間,而不是通常的 10 周。 三維掃描和 3D 列印為#28 Cummins Diesel Special 賦予了新的生命 品質控制和三維檢測 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按照預期適合預期的發動機。 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獲零件的 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字環境中對零件或裝配體進行進一步分析,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,或用於跟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/增材製造 3D 列印也稱為增材製造,在汽車行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通過三維掃描來 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定制夾具和固定裝置等製造輔助工具。 檢查增材製造零件的 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可視化 沉浸式虛擬現實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。 車輛定制 許多車主喜歡使用定制零件和配件來定制他們的車輛,以滿足各種功能和美學目的。通過三維掃描,可以以極高的精度製造適合其車輛的售後零件。就像量身定制的套裝一樣,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。通過這種方式,三維掃描為定制零件製造商提供了一種有趣的方式來區分他們的產品。 車輛定制案例研究:Kindig-It Design 位於猶他州鹽湖城的 Kindig-It Design 是一家高端定制汽車店,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定制零件。 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 改裝空調系統定制的進氣口。 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瞭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、裝配體或車輛的準確、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通過極其逼真的模擬測試一系列新的設計理念。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滿足性能標準,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一個子集,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,這些車輛早於數字設計時代,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介面,以確保完美配合。 數位化文檔 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字檔案。這有助於填補不是由 3D 模型製成的零件或工具、原始檔案丟失或沒有任何文檔的零件或工具的任何空白。該數字檔案有助於保存有關製造商運營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,該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。通過三維掃描,製造商可以簡單地掃描車輛並創建可用於網站、社交媒體和數字廣告的逼真 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通過對粘土模型的掃描來生成渲染圖。 使用粘土模型進行即時設計開發 粘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,會構建 3D 模型,然後在粘土中進行銑削以進行驗證。此時,需要對設計進行更多更改,通常是手工更改。設計團隊面臨的挑戰是如何從修改後的粘土模型中捕獲新資訊並將其轉換回數字數據。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瞭解粘土模型與原始 3D 模型的設計標準和邊界之間的關係。通過將兩者疊加,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粘土地板。這使得設計團隊能夠更快地迭代並更有信心地做出決策。   三維掃描在汽車行業的優勢   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 還是小型定制店工作,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益相關者都可以通過將三維掃描引入其運營中來以多種方式受益:   降低成本正如我們在許多此類示例中所看到的,使用三維掃描可以簡化設計週期中的多個步驟,從而加快車輛零部件的設計、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器在幾分鐘內完成,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數據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查找任何缺陷。 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。通過掃描創建的數字孿生可以實現 QA 流程的高效自動化,並且歸檔掃描數據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器可提供比手動工具更高解析度
三維掃描技術是如何簡化增材製造工藝的品質控制?
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增材製造通常稱為 3D 列印,因其獨特的生產複雜形狀的能力而非常有用,其性能優於傳統製造的產品。不需要像衝壓、鍛造和成型那樣的工具,也不會像大多數減材工藝那樣浪費材料。許多單獨的組件可以列印為一個整體,從而簡化了生產、組裝和檢查。增材製造零件可以使用多種材料生產,這些材料的強度、耐用性和性能與傳統製造的零件相匹配。   使用從粉末床熔融到粘合劑噴射再到還原聚合增材製造的一系列技術,由聚合物、樹脂和金屬等材料逐層成型產品。與小批量和迭代設計應用中的注塑成型和 CNC 加工相比,由於其速度快且相對簡單,它已成為快速原型製作的標準方法。   過去十年,增材製造開始取代傳統製造進行全面生產,這給製造專業人士帶來了新的挑戰。在生產製造中更廣泛地採用增材製造的障礙之一是複雜增材製造部件的品質控制和零件檢驗   品質控制在製造中的重要性   品質控制對於確保零件和產品符合規格並按預期運行至關重要。這對於保持製造操作的一致性和可重複性也至關重要。       如果沒有可靠的品質控制措施,製造企業將不願意大批量生產增材製造的零件,這可能會危及他們的聲譽。對於航空航太、汽車和醫療等自然適用增材製造的行業尤其如此。這些行業都受到嚴格監管,但也能從高複雜性、多品種、小批量零件的高效生產中獲益最多。       然而,精確的品質控制取決於評估功能、可靠性和安全性等因素的標準化方法。增材製造的這些標準本質上很難建立,因為增材製造技術之間的製造過程差異很大。支撐結構和成型板的去除、熱通量、殘留的粉末或樹脂、後處理和其他因素都給品質控制人員帶來了新的挑戰。        此外,增材製造領域的快速創新使得監管機構和標準組織爭先恐後地掌握新興材料和方法的領先地位。ASTM 和 ISO 合作制定了各種已發佈的標準,涵蓋增材製造應用、設計、材料、工藝、術語和測試方法。但在許多情況下,仍然需要恢復到增材製造之前制定的舊標準。     考慮到所有這些,增材製造檢查員只能使用 GD&T 的輪廓標注來分析複雜的表面,這需要收集高密度的表面測量結果。傳統的檢測工具(接觸式/CMM)使這個過程非常耗時。但隨著 3D 掃描器的精度不斷提高,這些測量變得更加方便。   為什麼傳統的品質控制方法對增材製造提出挑戰   增材製造的檢查標準在較新的應用中建立得較少,而在較舊的應用中則更加充實。   例如,在醫療保健領域,對於為特定患者定制 3D 列印的部件(例如植入物或假體),檢查方法更加成熟,因為這些是最早的商業增材製造應用之一。具有高度有機解剖區域的零件可以進行 3D 掃描,並與成型檔進行比較,其中可以應用統計方法與特徵控制相結合。與精密加工相比,人體的公差也相當寬鬆,因此掃描的採用發生得更早。   瞭解為什麼傳統測量工具難以在增材製造中採用也很重要。這些手動工具(如卡尺和物理量規套件)使用起來非常簡單,並且非常精確,但它們一次只能測量一個幾何特徵(例如尺寸、形狀或角度),並且不會以數字方式捕獲數據。這使得它們使用起來既耗時又費力,而且通常不太適合依賴高效數字工作流程蓬勃發展的增材製造。   另一種常見的檢查和品質保證方法是破壞性測試,其中包括各種疲勞、斷裂和機械測試。破壞性測試昂貴、緩慢且浪費。它也可能無法揭示涉及多個製造步驟的複雜 3D 列印零件失敗的根本原因。   例如,金屬 3D 列印零件可能涉及列印、熱處理、支撐去除、板去除和精加工。其中任何一項都可以改變零件的形狀和性能。除非您知道問題發生在哪里,否則當問題是後續步驟造成的時,破壞性機械測試可能會導致您浪費大量時間來嘗試調整列印過程。如有必要,破壞性測試可用於驗證機器/材料組合與測試優惠券,但應避免用於最終使用零件。   為什麼 3D 掃描對於增材製造有意義   增材製造的零件通常具有高度的工程複雜性,無論是複雜的晶格、陀螺儀、填充物還是拓撲優化。這就是增材製造的全部目的——創新地利用這些只能通過增材方式生產的非常規形狀和結構。   這正 3D 掃描成為 3D 列印理想品質控制機制的原因,因為它的功能與增材製造零件的性質非常契合。其中一些關鍵應用包括:     全形態採集   如果沒有 3D 掃描,就不可能看到零件或產品的全貌。比較圖 1 中的兩幅圖像,很明顯,1,000 個數據點(通過傳統方式仍然需要相對較長的時間來獲取)看起來遠不如具有超過 900 萬個數據點的完整 3D 掃描清晰。就精確度而言,3D 掃描提供的高保真數據採集是無法比擬的。   非接觸式捕捉   許多增材製造零件涉及不應觸摸的薄結構或柔軟表面,因為它們可能變形,或者有特定的清潔度要求。在這些情況下,光學 3D 掃描比其他方法具有另一個優勢   數字保留和歸檔   通過 3D 掃描進行的全形態採集與增材製造中常見的數字工作流程配合良好。它允許製造企業根據需要保留受檢零件的完整數字副本,即使在運輸和使用之後也是如此。例如,這可以為未來瞭解零件磨損和疲勞帶來回報。   流道設計   例如,通過 3D CT掃描捕獲整體形狀,設計人員和工程師可以檢查鑄造模型的噴射應用是否不僅可以成型內部通道和樞軸噴嘴,還可以清理這些通道。在這種情況下,破壞性測試也是一種選擇,但選擇的任何單個橫截面都可能導致誤報或誤報。另一方面,使用 CT 系統進行 3D 掃描可以查看零件的所有橫截面。   晶格檢查   通過使用 3D CT 掃描,設計人員可以執行晶格檢查,以確保節點和帶正確放置、晶格位於零件的正確區域以及配合表面針對應用正確交互。   成型體積檢查   在許多情況下,測量成型中的任何單個產品可能會給您對該成型期間發生的情況產生不同的印象。通過 3D 掃描進行成型體積檢查,您可以檢查所有零件,以瞭解哪些零件的偏差和翹曲風險最高。從此時起,您可以相應地修改零件的成型樣式。3D 掃描還可以在後處理過程的每個步驟中存檔您的零件,以跟蹤整個過程中的所有幾何變化。   增材製造的品質控制和檢測解決方案   在增材製造中實施用於品質控制和檢查的 3D 掃描需要兩個組件:掃描器和能夠管理數據的軟體應用程式。就光學 3D 掃描技術而言,主要用於 AM 檢測的兩種類型是鐳射線探針和結構光掃描器。   鐳射掃描   鐳射三角測量通過測量投射到物體表面的雷射光束的變形來捕獲物體。一個或多個鐳射源將非常小的點投射到表面上,並且一臺或多臺攝像機記錄這些點的位置。   鐳射線點和相機之間的角度是預先確定的,以便計算 3D 三角測量。當鐳射線穿過物體表面時,動態計算會在 3D 空間中記錄這些點。這種方法可產生準確、高解析度的掃描,並且當物體反光和/或黑暗且有光澤時最有效。   通常將雷射器安裝在由外部系統(雷射器或光學跟蹤器)跟蹤的移動平臺(傳統或可攜式 CMM)上,或者保持雷射器固定並讓零件在傳送帶或轉盤上在其下方移動。        結構光掃描   結構光掃描一般使用一臺投光器和多個相機。它與鐳射三角測量類似,但它測量投影在表面上的條紋圖案或網格的變形。   通常,藍色 LED 或鐳射照射 DLP 晶片以產生交替的明暗區域,稱為條紋圖案。當圖案在表面上移動時,相機會收集有關已知圖案變化的數據,並對距離進行三角測量以創建點雲。   考慮到經常使用的機載攝像頭的解析度,結構光可以創建密集的點雲,在銳利的邊緣上具有豐富的細節。   CT掃描   電腦斷層掃描 (CT) 掃描器是 3D 掃描的第三種選擇。CT 掃描可生成產品內部細節的完整視圖,並且數據是數位化的,這兩者都對 3D 列印零件有幫助。具體來說,CT 掃描可以實現通道設計和晶格檢查,這兩者都需要有關零件內部的數據。從歷史上看,CT 掃描器一直非常昂貴,儘管某些型號的價格已經下降。   用於增材製造的品質控制和檢測軟體   然而,使用掃描器收集數據只是第一步。軟體對於以有意義且可靠的方式處理數據至關重要。掃描軟體將點雲疊加到 CAD 或 STL 參考數據上,以提取比較點和測量結果。   掃描軟體選項包括:   1、傳統的接觸式檢測軟體旨在與座標測量機和其他接觸式方法配合使用,非接觸式掃描是新發展的技術 2、專為 3D 掃描設計的掃描原生檢測軟體    與傳統 CMM 軟體相比,掃描原生軟體具有一些重要優勢,因為它專為現代高解析度 3D 掃描而成型。這些軟體有這些功能: 1、更快、更輕鬆地處理大型數據集 2、通過用於雜訊過濾和幾何擬合的掃描本機演算法實現高精度 3、通過橫截面、邊界、曲線、輪廓和虛擬邊緣比較來檢測偏差 4、通過自動識別 3D 掃描中的特徵並智能過濾數據來加速 GD&T 計算 5、創建包含完整測量歷史記錄及其趨勢的數字檔案   例如Geomagic Control X是 Oqton 的掃描原生計量軟體。它與任何光學掃描器或可攜式 CMM 臂集成,收集和分析非常大的數據集,並自動執行重複和複雜的任務,因此用戶只需很少或沒有培訓即可獲得準確的結果。對於許多增材製造企業來說,它是品質控制和檢測中 3D 掃描的理想起點。   為高效的增材製造品質控制和檢查做好準備   無論您採取什麼方式,用於品質控制和檢查的 3D 掃描都是增材製造從原型設計到大規模生產的關鍵一步。通過簡化檢查流程,3D 掃描可幫助製造企業節省時間、更輕鬆地執行高級分析並更準確地檢測問題。   最重要的是,高保真 3D 檢測為增材製造企業提供了數據,以建立複雜零件的品質控制標準,並確保這些零件滿足性能和合規性期望,即使是最苛刻和高度監管的行業。   源文摘自:
三維掃描技術是如何簡化增材製造工藝的品質控制?
逆向工程設計
增材製造通常稱為 3D 列印,因其獨特的生產複雜形狀的能力而非常有用,其性能優於傳統製造的產品。不需要像衝壓、鍛造和成型那樣的工具,也不會像大多數減材工藝那樣浪費材料。許多單獨的組件可以列印為一個整體,從而簡化了生產、組裝和檢查。增材製造零件可以使用多種材料生產,這些材料的強度、耐用性和性能與傳統製造的零件相匹配。   使用從粉末床熔融到粘合劑噴射再到還原聚合增材製造的一系列技術,由聚合物、樹脂和金屬等材料逐層成型產品。與小批量和迭代設計應用中的注塑成型和 CNC 加工相比,由於其速度快且相對簡單,它已成為快速原型製作的標準方法。   過去十年,增材製造開始取代傳統製造進行全面生產,這給製造專業人士帶來了新的挑戰。在生產製造中更廣泛地採用增材製造的障礙之一是複雜增材製造部件的品質控制和零件檢驗   品質控制在製造中的重要性   品質控制對於確保零件和產品符合規格並按預期運行至關重要。這對於保持製造操作的一致性和可重複性也至關重要。       如果沒有可靠的品質控制措施,製造企業將不願意大批量生產增材製造的零件,這可能會危及他們的聲譽。對於航空航太、汽車和醫療等自然適用增材製造的行業尤其如此。這些行業都受到嚴格監管,但也能從高複雜性、多品種、小批量零件的高效生產中獲益最多。       然而,精確的品質控制取決於評估功能、可靠性和安全性等因素的標準化方法。增材製造的這些標準本質上很難建立,因為增材製造技術之間的製造過程差異很大。支撐結構和成型板的去除、熱通量、殘留的粉末或樹脂、後處理和其他因素都給品質控制人員帶來了新的挑戰。        此外,增材製造領域的快速創新使得監管機構和標準組織爭先恐後地掌握新興材料和方法的領先地位。ASTM 和 ISO 合作制定了各種已發佈的標準,涵蓋增材製造應用、設計、材料、工藝、術語和測試方法。但在許多情況下,仍然需要恢復到增材製造之前制定的舊標準。     考慮到所有這些,增材製造檢查員只能使用 GD&T 的輪廓標注來分析複雜的表面,這需要收集高密度的表面測量結果。傳統的檢測工具(接觸式/CMM)使這個過程非常耗時。但隨著 3D 掃描器的精度不斷提高,這些測量變得更加方便。     為什麼傳統的品質控制方法對增材製造提出挑戰     增材製造的檢查標準在較新的應用中建立得較少,而在較舊的應用中則更加充實。   例如,在醫療保健領域,對於為特定患者定制 3D 列印的部件(例如植入物或假體),檢查方法更加成熟,因為這些是最早的商業增材製造應用之一。具有高度有機解剖區域的零件可以進行 3D 掃描,並與成型檔進行比較,其中可以應用統計方法與特徵控制相結合。與精密加工相比,人體的公差也相當寬鬆,因此掃描的採用發生得更早。   瞭解為什麼傳統測量工具難以在增材製造中採用也很重要。這些手動工具(如卡尺和物理量規套件)使用起來非常簡單,並且非常精確,但它們一次只能測量一個幾何特徵(例如尺寸、形狀或角度),並且不會以數字方式捕獲數據。這使得它們使用起來既耗時又費力,而且通常不太適合依賴高效數字工作流程蓬勃發展的增材製造。   另一種常見的檢查和品質保證方法是破壞性測試,其中包括各種疲勞、斷裂和機械測試。破壞性測試昂貴、緩慢且浪費。它也可能無法揭示涉及多個製造步驟的複雜 3D 列印零件失敗的根本原因。   例如,金屬 3D 列印零件可能涉及列印、熱處理、支撐去除、板去除和精加工。其中任何一項都可以改變零件的形狀和性能。除非您知道問題發生在哪里,否則當問題是後續步驟造成的時,破壞性機械測試可能會導致您浪費大量時間來嘗試調整列印過程。如有必要,破壞性測試可用於驗證機器/材料組合與測試優惠券,但應避免用於最終使用零件。     為什麼 3D 掃描對於增材製造有意義     增材製造的零件通常具有高度的工程複雜性,無論是複雜的晶格、陀螺儀、填充物還是拓撲優化。這就是增材製造的全部目的——創新地利用這些只能通過增材方式生產的非常規形狀和結構。   這正 3D 掃描成為 3D 列印理想品質控制機制的原因,因為它的功能與增材製造零件的性質非常契合。其中一些關鍵應用包括:       全形態採集   如果沒有 3D 掃描,就不可能看到零件或產品的全貌。比較圖 1 中的兩幅圖像,很明顯,1,000 個數據點(通過傳統方式仍然需要相對較長的時間來獲取)看起來遠不如具有超過 900 萬個數據點的完整 3D 掃描清晰。就精確度而言,3D 掃描提供的高保真數據採集是無法比擬的。   非接觸式捕捉   許多增材製造零件涉及不應觸摸的薄結構或柔軟表面,因為它們可能變形,或者有特定的清潔度要求。在這些情況下,光學 3D 掃描比其他方法具有另一個優勢   數字保留和歸檔   通過 3D 掃描進行的全形態採集與增材製造中常見的數字工作流程配合良好。它允許製造企業根據需要保留受檢零件的完整數字副本,即使在運輸和使用之後也是如此。例如,這可以為未來瞭解零件磨損和疲勞帶來回報。   流道設計   例如,通過 3D CT 掃描捕獲整體形狀,設計人員和工程師可以檢查鑄造模型的噴射應用是否不僅可以成型內部通道和樞軸噴嘴,還可以清理這些通道。在這種情況下,破壞性測試也是一種選擇,但選擇的任何單個橫截面都可能導致誤報或誤報。另一方面,使用 CT 系統進行 3D 掃描可以查看零件的所有橫截面。   晶格檢查   通過使用 3D CT 掃描,設計人員可以執行晶格檢查,以確保節點和帶正確放置、晶格位於零件的正確區域以及配合表面針對應用正確交互。   成型體積檢查   在許多情況下,測量成型中的任何單個產品可能會給您對該成型期間發生的情況產生不同的印象。通過 3D 掃描進行成型體積檢查,您可以檢查所有零件,以瞭解哪些零件的偏差和翹曲風險最高。從此時起,您可以相應地修改零件的成型樣式。3D 掃描還可以在後處理過程的每個步驟中存檔您的零件,以跟蹤整個過程中的所有幾何變化。   增材製造的品質控制和檢測解決方案     在增材製造中實施用於品質控制和檢查的 3D 掃描需要兩個組件:掃描器和能夠管理數據的軟體應用程式。就光學 3D 掃描技術而言,主要用於 AM 檢測的兩種類型是鐳射線探針和結構光掃描器。   鐳射掃描   鐳射三角測量通過測量投射到物體表面的雷射光束的變形來捕獲物體。一個或多個鐳射源將非常小的點投射到表面上,並且一臺或多臺攝像機記錄這些點的位置。   鐳射線點和相機之間的角度是預先確定的,以便計算 3D 三角測量。當鐳射線穿過物體表面時,動態計算會在 3D 空間中記錄這些點。這種方法可產生準確、高解析度的掃描,並且當物體反光和/或黑暗且有光澤時最有效。   通常將雷射器安裝在由外部系統(雷射器或光學跟蹤器)跟蹤的移動平臺(傳統或可攜式 CMM)上,或者保持雷射器固定並讓零件在傳送帶或轉盤上在其下方移動。          結構光掃描   結構光掃描一般使用一臺投光器和多個相機。它與鐳射三角測量類似,但它測量投影在表面上的條紋圖案或網格的變形。   通常,藍色 LED 或鐳射照射 DLP 晶片以產生交替的明暗區域,稱為條紋圖案。當圖案在表面上移動時,相機會收集有關已知圖案變化的數據,並對距離進行三角測量以創建點雲。   考慮到經常使用的機載攝像頭的解析度,結構光可以創建密集的點雲,在銳利的邊緣上具有豐富的細節。     CT掃描   電腦斷層掃描 (CT) 掃描器是 3D 掃描的第三種選擇。CT 掃描可生成產品內部細節的完整視圖,並且數據是數位化的,這兩者都對 3D 列印零件有幫助。具體來說,CT 掃描可以實現通道設計和晶格檢查,這兩者都需要有關零件內部的數據。從歷史上看,CT 掃描器一直非常昂貴,儘管某些型號的價格已經下降。     用於增材製造的品質控制和檢測軟體     然而,使用掃描器收集數據只是第一步。軟體對於以有意義且可靠的方式處理數據至關重要。掃描軟體將點雲疊加到 CAD 或 STL 參考數據上,以提取比較點和測量結果。   掃描軟體選項包括: 傳統的接觸式檢測軟體旨在與座標測量機和其他接觸式方法配合使用,非接觸式掃描是新發展的技 專為 3D 掃描設計的掃描原生檢測軟體 與傳統 CMM 軟體相比,掃描原生軟體具有一些重要優勢,因為它專為現代高解析度 3D 掃描而成型。這些軟體有這些功能: 更快、更輕鬆地處理大型數據集 通過用於雜訊過濾和幾何擬合的掃描本機演算法實現高精度 通過橫截面、邊界、曲線、輪廓和虛擬邊緣比較來檢測偏差 通過自動識別 3D 掃描中的特徵並智能過濾數據來加速 GD&T 計算 創建包含完整測量歷史記錄及其趨勢的數字檔案   例如Geomagic Control X是 Oqton 的掃描原生計量軟體。它與任何光學掃描器或可攜式 CMM 臂集成,收集和分析非常大的數據集,並自動執行重複和複雜的任務,因此用戶只需很少或沒有培訓即可獲得準確的結果。對於許多增材製造企業來說,它是品質控制和檢測中 3D 掃描的理想起點。   為高效的增材製造品質控制和檢查做好準備   無論您採取什麼方式,用於品質控制和檢查的 3D 掃描都是增材製造從原型設計到大規模生產的關鍵一步。通過簡化檢查流程,3D 掃描可幫助製造企業節省時間、更輕鬆地執行高級分析並更準確地檢測問題。   最重要的是,高保真 3D 檢測為增材製造企業提供了數據,以建立複雜零件的品質控制標準,並確保這些零件滿足性能和合規性期望,即使是最苛刻和高度監管的行業。   源文摘自:
除了CAD軟體,高效產品開發創新也需要逆向工程軟體
逆向工程設計
Guy Buttle, Geomagic產品市場經理 無論是藝術、工程還是科學,我們傾向於認為原創性是最重要和創新工作的基礎。仔細觀察,我們會發現每一個偉大的設計都受到另一個設計的啟發。逆向工程是這種做法的一個典型例子。 該過程涉及使用現有產品開發和製造新產品。每次你拿一個物理零件並用它來通知新產品的數字設計過程時,你就是在進行逆向工程。在製造業中,這種情況在每個產品生命週期中都會多次發生。 逆向工程與工程本身一樣古老,但所涉及的一些工具比其他工具更現代,而且事實證明它們對產品開發具有巨大的價值。 使用傳統工具和 CAD 軟體進行逆向工程所涉及的困難讓許多製造商望而卻步。然而,今天用於逆向工程的專用軟體使該過程比以前更加簡化和易於訪問。 這些軟體開發與三維掃描技術的進步相結合,將逆向工程提升到了一個新的水準,它是如此快速、準確和有效,以至於它現在已成為產品設計不可或缺的一部分。 在本文中,我們深入探討了在產品開發中使用逆向工程的最常見挑戰,以及正確的軟體如何消除這些挑戰。讓我們首先檢查製造的哪些階段受益於逆向工程。   逆向工程如何幫助產品開發?   逆向工程可以成為產品生命週期各個階段的寶貴工具。 在開發新產品的概念時,製造商可以對現有產品進行逆向工程以獲得作為起點的設計。在設計階段,逆向工程可以幫助製造商確保新設計能夠與現有產品正確連接。 在製造業中,逆向工程被用於加速工具開發,並為現有機制和工具數字檔案創建替換零件。 這種做法甚至允許製造商通過在 CAD 檔中記錄現有的製造零件來利用鎖定在物理零件中的知識產權。   三維掃描器與正確的逆向工程軟體相結合可以幫助我們複製磨損的零件   使用逆向工程進行產品開發的常見挑戰   採用逆向工程的理由很明確,但實施它可能會很痛苦。設計師和工程師因一系列使過程過於複雜的挑戰而不敢使用它。 以下是在沒有正確軟體的情況下嘗試對產品進行逆向工程時可能遇到的一些常見問題。 缺少 CAD 檔 逆向工程過程從調查現有零件開始。但是,其中絕大多數沒有現有的 CAD 檔可用作逆向工程的基礎。 如果確實存在幾何數據,它通常只是 2D 圖紙或過時的 3D 檔,不能反映製造時的產品。 因此,設計人員必須投入大量時間和精力從頭開始重新創建設計。 現代逆向工程方法使他們能夠為現有產品重新創建 CAD 檔,所用時間僅為從頭開始設計所需時間的一小部分。 最常見的方法是使用 三維掃描器生成現有零件的點雲數據。獲取點雲或網格數據後,設計師或工程師將使用定制工程軟體根據掃描數據創建最終確定的網格、曲面或參數化 CAD 模型。 該模型已準備好進行編輯以滿足新的生產需求或直接發送至 3D 列印。 過時的、特別的逆向工程技術 也許您還沒有這樣想過,但即使使用基本的手動工具(千分尺、卡尺和直尺)測量現有產品來為您的新產品設計提供資訊也是一種逆向工程。然而,使用這些工具的過程將是緩慢、乏味、容易出錯的,並且難以驗證準確性。 或者,您可以使用座標測量機 (CMM) 或可攜式測量臂進行更精確的測量。然而,使用它們往往很耗時,因為它們只提供幾個維度,不能捕獲完整的形狀以供無限存儲和參考,並且可能會遺漏重要的細節。 使用 三維掃描器,您可以快速獲取完整的數據——其速度和解析度是更簡單的測量工具所無法企及的。例如,三維掃描至少比探測快 2,500 倍。 無法提取設計意圖 製造一個零件和製造一個好的、可用的零件可能是截然不同的事情。 重新設計現有零件時,您需要一些工具,使您能夠在重新設計過程中做出與原始設計者相同或相似的設計意圖決策。僅僅捕捉它的形狀或組件並沒有真正的幫助。 每個機械零件都包含設計意圖,例如輪子或齒輪的旋轉軸、特徵的特定尺寸,或者一系列孔應具有相同半徑和深度的約束條件。 在 三維掃描到 CAD 的轉換過程中提取設計意圖使您能夠編輯該數據,並將其直接用於新的設計和製造。 準確、可用的部件可以為下游帶來更多價值。出於這個原因,大多數基於掃描的逆向工程都側重於創建具有基於歷史的特徵樹和可編輯尺寸和約束的 CAD 模型,您可以將其傳輸到主流 CAD 應用程式。 軟體不足 即使您擁有高質量的 三維掃描器,並且已經使用可導入網格檔的 CAD 軟體進行設計,您可能會發現創建 3D 模型太費時了。 有幾個原因。大多數 CAD 軟體甚至無法處理中等大小的測量數據集的 三維掃描,因此速度慢且麻煩。即使使用可選的逆向工程模組,CAD 程式也可能無法有效地用於現實世界的逆向工程任務。 對於品質和準確性至關重要的真正工程挑戰,您需要專用的、基於掃描的軟體。 現代逆向工程方法如何消除產品開發的障礙   幸運的是,有更好的方法。用於基於 三維掃描的設計的專用逆向工程軟體正在消除其中的許多問題,並使在產品開發中採用逆向工程變得容易。 現代逆向工程方法結合了 三維掃描器和專業軟體,可以準確捕獲幾乎任何您可以掃描的物體的完整幾何形狀,並生成滿足特定工程和可製造性要求的可編輯 3D CAD 模型。 此外,這個過程比以往任何時候都更快、更便宜、更容易。 以下是專用逆向工程軟體提供的一些優勢。 自動化草圖繪製精度更高 對於許多 CAD 程式,您通常必須手動選擇點來形成草圖,或者依靠視覺近似來猜測草圖應該去哪里。專用的逆向工程軟體允許您自動將草圖線、圓弧和曲線更準確地擬合到掃描的零件上。 履帶式系統最常用於較大的工作體積,高達幾立方米,而基於臂的系統用於測量小於一立方米的較小體積。 通過自動特徵創建加快建模 CAD 模型具有成百上千個描述零件各個方面的特徵。在為每個特徵建模時僅節省一分鐘,加起來就可能節省數百或數千分鐘。 基於掃描的逆向工程軟體附帶可自動執行常見特徵建模操作的工具,例如 2D 和 3D 草圖、旋轉、拉伸、圓角、抽殼/加厚和管道。 更輕鬆地捕捉複雜、自由形式的幾何圖形 某些零件區域(例如粗糙的、未加工的鑄件部分)不需要提取設計意圖。在這種情況下,您應該能夠自動捕獲竣工的 NURBS 幾何體,以將自動曲面與實體建模特征無縫融合。 原生可編輯 CAD 檔的無縫數據交換 在獨立軟體中創建的 CAD 模型有時與其他 CAD 程式存在相容性問題。在理想情況下,我們會直接連接到其他 CAD 軟體,自動傳輸每個特徵,並獲得具有完整建模歷史的參數化模型。您可以——使用正確的軟體。 通過即時分析簡化準確性檢查 對於主流的 CAD 程式,您通常必須停止建模並將 CAD 檔導出到另一個應用程式以檢查偏差。即時回饋是在逆向工程過程的每個步驟中動態分析 CAD 模型準確性的唯一方法。   在產品開發中採用逆向工程的後續步驟   大多數製造商每天都在進行逆向工程,他們測量物理零件並使用這些尺寸來告知產品設計的多個方面。但是專用的逆向工程軟體可以減少傳統方法中不可或缺的低效率。 源文摘自:Oqton
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3D列印│3D掃描專家 普立得科技

「普立得科技將在2025年之內,達到影響台灣半數工程師體驗過工業等級3D列印材料在工廠實際應用落地的目標。因為我們相信每多一次3D列印就能推動台灣製造產業著「數位智造工業4.0」起飛,如同平凡但執著的萊特兄弟相信人類可以飛行的夢想一樣」堅持不懈。

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