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的結果，某些系統在以數字方式捕獲零件、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器均採用輕質便攜設計，因此易於在工廠車間使用。

• 易學許多三維掃描器只需很少的培訓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。

限制和挑戰

與任何技術一樣，三維掃描也有其局限性和挑戰。汽車製造商需要考慮三維掃描的潛在缺點以及所有優點。這些包括：

• 成本三維掃描的初始資本支出可能相對較高，具體取決於所需掃描器的類型以及所需的配件和消耗品（如三維掃描噴霧劑）。此外，沒有一種三維掃描器是萬能的。例如，用於品質保證目的數位化小部件的正確硬體可能很難掃描整輛車，因此可能需要多個設備來滿足所有掃描需求。

• 表面光潔度三維掃描器依賴於零件反射的光，因此它們很難處理閃亮、透明或深色的表面，這些表面往往會吸收或散射所發射的鐳射/條紋圖案。這些類型的表面處理在汽車應用中極為常見。在這些情況下，製造商可能需要使用特殊的掃描噴霧來處理表面，以暫時消除透明度。

• 數據處理高解析度三維掃描可以生成比傳統3D CAD 模型更大的檔，而現有IT 基礎設施可能難以管理這些檔。

• 集成到現有工作流程中更改任何完善的流程都可能很困難，尤其是從手動流程過渡到數字流程時。雖然三維掃描不需要大量的技術專業知識，但當設計團隊開始將三維掃描納入其工作流程時，它會涉及一些培訓以及一些成長的煩惱。

汽車行業的趨勢和創新

三維掃描技術不斷進步。有幾個趨勢可能會影響汽車行業在不久的將來如何使用三維掃描，包括：

• 更高的精確度新型三維掃描器正在結合演算法技術，以實現更高的精確度並提供更準確的結果。

• 自動化自動化三維掃描系統可以執行此過程，無需人工操作員或技術人員，這可以為品質控制檢查帶來更高的效率。

• 人工智慧 (AI)在三維掃描中使用 AI 可以幫助識別和糾正三維掃描中的錯誤，從而獲得更快、更準確的結果。

• 雲系統基於雲的三維掃描解決方案有助於緩解數據管理的潛在問題，並使跨地點共用三維掃描和協作變得更加容易。對於依賴並非全部在同一個地方工作的工程團隊的汽車製造商來說，這是理想的選擇。

• CT 掃描這項技術一度只能以高昂的價格獲得，但現在正慢慢變得更容易為更廣泛的用戶所接受。事實上，現在許多三維掃描製造商都在銷售它。

汽車行業的未來

顯然，三維掃描將繼續成為汽車製造商理解和融入設計、工程、生產和檢查工作流程的重要技術。其快速連接物理世界和數字世界的獨特能力已經改變了這些流程的執行方式，並且只會繼續提高運營效率。