Artec 3D与Geomagic Control X提升制造工艺

扫描与监测增材制造部件可降低成本，减少迭代，提升准确度和质量水平。

随着全新生产技术的出现，制作优质零件也随之产生了新的技术难题。通常，在合同制造商初次生产时，就要先对全新工艺进行重要调整，以了解收缩、表面处理和重复性等情况。增材制造也不例外，但追踪这些生产方式的工具水平还很落后。但现在开始，一切都有了改变。

多数制成品的生命周期和生产流程往往遵循一个共同流程。设计、制造、检验是工艺、步骤和职责方面考量的普遍做法。每个阶段都影响着生产零件的品质。根据制造部件的复杂程度及特性，真正的工艺流可能需要多次循环调整和反馈。

在下方工艺流案例中，我们展示了配合使用Artec Space Spider与Geomagic软件，可在设计、生产验证、制造流程的所有阶段，完成3D打印蜡型铸件及其部件的全外形捕获与分析。

挑战

多阶段制造流程会带来不确定因素和工艺偏差，不断累积会导致最终结果不准确。如果没有合适的工具和系统性方案，纠正调查难度不小

解决方案

Artec 3D Space Spider扫描仪和3D Systems的Geomagic® Control X™计量与质量管理软件

结果

• 采用3D扫描和检验网调整增材制造无工具制模流程，通过最少迭代（1次），提升效果

• 降低27%的成本，准确度提升10%

• 与铸造厂密切合作，分析制模流程网，少量迭代（1次），但最终部件效果远超铸造厂预期

• 最终部件准确度提升14%

• 表面处理成本降低，无需二次加工工序

Artec Space Spider是一款带超高分辨率的手持式3D扫描仪，能精确捕获小型物体和复杂几何，并用于尺寸检查。

Space Spider即开即用，扫描过程轻松，无需复杂的前期准备或大量使用培训，用户可在任何地方完成数字化操作。Artec 3D的“无标靶”专利算法能单独依靠扫描仪捕获物体外形与色彩，无需在物体上增加任何标记。

Artec Studio扫描软件

3D Systems的Geomagic Control X是工业级计量软件，能为制造工艺进行根本原因分析和修整，与3D扫描原生软件相同，Control X是理想的便携式测量设备。Control X可以让所有团队成员在任何地方实现更快、更多、更完整的测量。

整套解决方案为复杂制造工艺的顺利生产提供了独特方式。结果如何呢？大幅提升了最终部件的整体质量、准确度和再现性。

设计

在该制造案例中，我们重复了客户的一项真实项目，但简化了部分细节。在本案例中，我们的客户需要研发一辆特别的轻量型自动驾驶汽车。为加快上市时间，选择了目前市面上许多汽车部件与系统，结合起来完成汽车原型。在这过程中，他们找到了一款特殊的转向节，对项目颇有用处，客户需要对其数字化，捕获设计，用于轻量材料的设计修改与生产。

首先，对原始件进行3D扫描和逆向工程。Artec Space Spider被用于产品快速数字化，并通过独特的混合建模技术，在Geomagic Design X中完成准确建模。通常，客户会在按完工图（准确度高）或设计意图（尺寸优先）两种建模方式中选择。混合建模法结合了两种方式，完成的CAD实体模型既包含尺寸特征，也包含高度准确的NURB曲面。通过这种方式，不到1.5小时就完成了建模，随后以基于特征的CAD直接实时导出至SOLIDWORKS。

原始件扫描

混合CAD模型

用于打印的去特征模型

未完工的2500 IC打印件

Projet 2500 IC上样品横截面稀疏填充模式

模具制作

几十年来，增材制造在航空航天和汽车行业中被用于制作牺牲性铸件模具。由于近期3D打印技术出现新的进展，工业级模具能以极低的造价由蜡或高分子聚合物打印完成，能与脱蜡工艺无缝对接。如今，3D Systems已经更为广泛地应用于无工具增材模具制造，随着技术的普及、提速以及精准度的提升，将来这一应用还将更为广泛。

对涉及热能材料沉积的增材工艺或后期处理，可能会出现一定程度的沉积和“沉降”。质量较重的部件或重要截面区域存储热能的时间，会比轻薄型和小型部件更久。

基于这一认识，我们测试了两种打印方式，希望尽可能将打印材料的成本降到最低，同时保持最高水平的尺寸稳定性。我们测试了完全固体蜡打印法以及薄壳/稀疏蜡填充法，由3D Sprint Build客户软件准备，并在Projet MJP 2500 IC系统打印，最终生成蜡模。根据以往的经验，我们发现，当打印相对较大的零件时，带50%稀疏填充率的2毫米薄壳可产生高质量的稳定零件。

经过后期处理和冷却，我们使用同一台Artec Space Spider轻松扫描了两个模具。零件的独特形状、蜡的绿色以及后期处理的轻微钝化和增白效果，使我们的扫描技术人员能使用几何+纹理跟踪顺利捕获模型。

通过Geomagic Control X，我们直接导入了3D Sprint Build文件，并根据检验程序的打印方向检查了每个零件。因为我们将反复扫描主体部分来改善工艺，因此我们能够建立一个详细的检查项目并多次重复，同时将整个过程的开发历史记录保存在一个Geomagic Control X文件中。扫描完成后，我们只需将每个新的stl文件放入Control X项目中，评估过程就会自动进行，从而获得高质量、可重复的报告。

我们发现，通常所有带有加工偏移的区域都在铸件公差范围内，但自由度更高的区域有超出公差范围的趋势。我们认为，这与我们的假设有关，即大截面区域保留热量并在冷却时变形。

这一阶段的综合分析帮助我们得出一些结论，即带有蜡制模具的3D打印不仅更具成本效益，而且后期处理后，尺寸也更加合规。

浇铸

脱蜡法是一种可信赖的制造方式，其历史可追溯到5000年前，在工业革命后的几百年，它已在全球工业制造领域受到广泛认可。

如今，铸造工艺已相当成熟且极易重复，广为人知，模拟软件也涵盖了相关部分以减少内部零件出现缺陷的概率。与经验丰富的铸造厂合作，客户无需耗费额外精力，即可完成增材制造模具，并生产出没有内部缺陷的零件，表现超过普通工艺的铸模预期公差。

由于铸造工艺本身的稳定性，积极参与结果测试和工艺迭代测试的客户，在调整零件几何时，还能得到品质更高的产品。

所需浇铸尺寸

实际铸模尺寸

• 工艺中零件物理用量减少约35%。

• 材料成本降低约27%。

• 整体公差合规性提升约10%（使用3D对比）

• 实体零件没有通过公差阈值。

• 填充零件通过公差阈值。

• 此外，进一步研究发现，室温下的尺寸长期稳定性高于实体零件。

分析：实体蜡模具

分析：填充法蜡模具

收缩是铸造过程的常见结果，铸造厂通常会为客户提供一些指导，来弥补特定材料产生的收缩，用包围盒定义零件尺寸。由于几何复杂性以及物理浇铸过程的影响，通常大多数零件会出现不均匀的收缩。因此，铸造常常被视为“离散公差”的过程。

在转向节的铸造过程中，我们研究了适合模型和材料的收缩率。铸造厂建议使用2%的均匀缩放来生产准确的零件。为了研究3D扫描和精度缩放因子对成品精度的影响，我们按照建议的2%缩放因子制作了蜡模，并提供给铸造厂。

对返回铸件进行进一步检查，检查均匀的缩放因子是否符合预期公差。遵循常规铸模规范，一般零件肯定符合合作商规定的可实现的精度参数。但使用Control X中的“横截面”对比工具仔细检查发现，在某些明显部位，若更好地采用精度缩放因子，可大幅提升成品零件的整体精度。

根据严格公差进行的“横截面轮廓”对比，清楚显示了带有蓝色的外部边界，而内部边界则显示了橙色和红色。外部轮廓确认存在“尺寸过小”的情况，实际零件边界在参照边界内。内部轮廓显示，中心圆柱特征的尺寸小于预期，但出现在参照特征的外部。这表明，零件的总轮廓阴影存在缩放差异，可通过提高缩放因子、打印和再铸造来校正。

以往的铸造工艺改进研究让我们了解了如何对建议标准值进行调整，并将X、Y、Z轴调整为不均匀缩放因子，分别为2.2%、2.3%、2.7％，并再次打印了蜡模，提供给铸造厂。

通过对精度弥补模具的最终检查，我们得出有关模具到零件工艺的一些结论：

•精度缩放模具的结果超出了铸造厂的预期。

•缩放校正零件的整体尺寸合规性提升了约14%。

•随着精度的提高，可减少至少一次主加工工序。

•降低了零件总生产成本。

•可进行进一步分析，了解进一步提高精度是否可以减少整体加工工序。

结论

效率是维持利润、减少人工和生产周期中产生浪费的关键。借助Artec 3D Space Spider和Geomagic Control X，我们能够通过分析工业的每个阶段，来改善制造零件的总体质量，并尽可能减少调整周期和迭代次数。使用高质量3D扫描和扫描原生工业检查软件这一整体解决方案，可减少迭代和猜测，节省时间和金钱，并加快产品上市时间。

缩放误差截面分析

铸模零件成品

铸模成品分析

Artec Studio扫描软件