淺析3D掃描在Notebook產品中的應用

胡傳根 閆拴平 黃寧燕 魏 坤

（合肥聯寶信息技術有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

受益于全球移動辦公的需求，筆記本電腦出貨量的巨大基數。疊加全球疫情的影響，居家辦公提升對筆記本電腦的需求。據統計，2020年全球筆記本出貨量為2.062億臺，同比增長28.71%。2021年全球筆記本出貨量達2.461億臺，同比增長19.35%。

圖1 2016-2021年中國筆記本電腦出口數量及增速

在這樣的趨勢下，如何提高NB開發、制造水平是個大問題。要想在國際市場站穩腳跟，必須迅速提高NB開發和制造的效率和精度。 但在這過程中，對整個機構的尺寸有很強的要求，如果偏差太大，就可能達不到設計的實際效果。3D掃描儀開始進入這一行業，有效地解決這一難題。依賴計算機圖像處理技術和光學技術，更能立體、完善地展現客觀零件的機構尺寸信息，同時也成為研發、制造的重要開發量測工具。

一、3D掃描簡介

3D掃描是集光學、機電和計算機技術于一體的高新無損檢測技術，能夠對實物的空間外形、結構乃至色彩進行掃描，將立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，獲得物體表面的準確空間坐標，為實物數字化提供了快捷、精確及方便的手段，提升產品質量，優化工藝流程，促進生產效率。

3D掃描儀的光源一般為激光。激光以其單色性、亮度高、發散小等優點成為早期三維光學測量系統的首選光源。最新掃描儀的光源為藍色激光，藍光的波長更短，并且光源為LED冷光源，光源能耗更低，抗干擾能力強，以及對環境要求低等特點，已經得到廣泛應用。

3D掃描儀可以實現最高效的全尺寸檢測，可自由掃描工件的任意位置，精確分析任意位置的偏差。 基于掃描數據，與3D數模比較，生成顏色誤差色譜、偏差注釋、尺寸測量、幾何公差檢測和直觀檢測報告。

二、3D掃描技術分類

3D 掃描是一種能夠以多種方式掃描物件后，將其實物三維信息轉換為3D數字化模型的一種技術，其主要分為兩大類型："接觸式 "和 "非接觸式"3D掃描。這兩大類型的區別，顧名思義即有無碰觸到物件，碰到的為接觸式，沒碰到為非接觸式。

在我們NB行業，選用的是非接觸式3D掃描系統。

三、被動式3D掃描的測量原理

非接觸式3D掃描：采用最先進的三重掃描和藍光技術（見圖2），投影設備將藍光光柵投影到工件上，再由左右兩個CCD鏡頭攝取影像，最后經由軟件的高度解析方法，運算出NB工件的三次元點群。其測量面積為80 x 60mm，測量精度可達8um，結合GOM Professional Inspect測量軟件以及全自動轉臺可以將點云文件轉換為實體模型，利用參數化測量，完成各種元素擬合以及測量，輕松完成重復性測量任務。

圖2 藍光技術加三重掃描技術

四、3D掃描在notebook產品上的應用

隨著3D掃描測量技術的不斷進步，其在NB產品上的應用的范圍越來越廣泛，其中比較典型的主要包括：材料厚度分析、工件變形度分析、尺寸管控、卡鉤分析、BOSS柱分析等方面。

下面以NB A cover為例，對其進行數字化檢測分析。在沒有3D掃描介入前， A cover各項檢測多依賴檢具和手動量測工具。3D掃描對A Cover的整個操作流程如下：

步驟1：A cover噴粉。ATOS測量頭發出的藍光沒辦法直接照射到這三種件：a、透明件；b、高反光件；c、黑色吸光件。所以在掃描之前，需要對被測物體的表面噴涂二氧化鈦粉來處理，如下圖3所示：

圖3 噴粉

步驟2：通過ATOS高精度藍光掃描檢測系統進行三維掃描，將A cover放置在轉臺的治具，轉動轉臺，進行三維掃描（見圖4）。（該工件結構較為復雜，在掃描時每次轉動幅度可以相對較小，獲取完整數據）

圖4

ATOS采用藍光技術和最先進的三重掃描，有效改善鏡頭畸變帶來的數據誤差，準確獲取工件邊緣高質量數據。

ATOS最高精度可達0.008mm，且重復性精度穩定，同時獲取的數據細節完整豐富，為后續的三維檢測提供高質量的數據基礎。

步驟3：再利用GOM Professional Inspect測量軟件可以將STL點云文件轉換為實體模型，與原始設計數據相擬合，快速得到可視化偏差報告

1.材料厚度分析

曲面材料厚度分析色彩圖（見圖5），識別凹陷和縮痕的位置，直觀反應材料厚度偏差。

圖5 材料厚度分析

2.變形度分析

與CAD對比的曲面誤差色彩圖（見圖6），完整的顯示A cover樣品與CAD的誤差分布，翹曲變形。更直觀顯示變形位置，精準分析周邊曲線曲率的變化等，為工藝參數的調整提供明確的方向與數值。使得模具修改，調試，CNC機加工這幾個重要環節能夠順利開展，減少各環節測試的時間與頻次，加快NB整體生產進度，大大提高生產效率。

圖6 變形度分析

3.關鍵尺寸管控

尺寸在notebook設計及生產過程中是最基本也是最重要的控制要素之一。我們傳統測量工件尺寸用的是游標卡尺，二次元等方法。在測量的過程中，精度有限，人為誤差，耗費時間長等，滿足不了現在notebook行業快速發展的需求。

現在通過Atos 3D掃描，將掃描得到的STL點云網格導入GOM Professional Inspect測量軟件，五分鐘能快速得到關鍵尺寸的數值，與理論3D尺寸做比較（見圖7）。

圖7 關鍵尺寸分析

4.結構卡勾分析

傳統測卡勾，需要把卡勾剪下來，通過二次元來測，整個過程耗時長。同時NB 結構卡勾數量多，就會造成工作量大，繁瑣。

現在用ATOS 3D掃描，只需要把掃好的STL點云網格導入GOM Professional Inspect測量軟件，10分鐘能得到卡勾與理論3D對比的誤差色彩圖（見圖8），直觀顯示卡勾的品質，符不符合標準。

圖8 卡勾分析

通過3D掃描檢測分析，可以快速、準確完成所有卡勾的測量，加快NB結構尺寸確認時效，大大提高生產效率。

5.Boss柱分析

Boss柱是NB產品中重要的銜接固定結構，主要起到定位和緊固作用。因此對boss柱的檢測是必不可少。

傳統檢測BOSS柱，是通過高度規，二，三次元檢測，過程繁瑣，耗時長，存在人為誤差，用Atos 3D掃描可以快速得到BOSS柱的分析報告（見圖9）。通過色譜圖直觀展示B0SS柱的變形趨勢，助力工藝參數的快速修正，從而加快研發階段的結構確認時間。

圖9 BOSS柱分析

五、3D掃描帶來的益處

1.提升試模環節效率

眾所周知，NB的設計、制造和試模的周期長。特別是試模需要一次次調試，找到最佳的生產工藝條件。3D掃描可快速實現樣品的三維檢測，鎖定工件的變形趨勢、具體尺寸及工藝參數，從而加快各個結構確認環節的進程。

2.高效進行成品檢測

單個工件檢測在小批量試產之后，可以實現高效全檢，在大批量生產時可進行高效抽檢。

六、3D掃描在NB行業的未來前景

ATOS 3D掃描測量技術的日益成熟和發展，為NB行業提供了高效的三維數字解決方案。而隨著NB精細化要求越來越高，對測量系統的特殊需求也在提升，實現針對特定應用場景進行個性化定制。

未來應用場景：

1.模具公母模仁結構尺寸確認

2.NB 機構件的結構尺寸應用

3.精密儀器儀表等結構件尺寸的量測

4.NB機構件生產過程中的抽檢，入料檢驗等

結語

本文從前期準備、數據采集、數據處理等主要步驟出發，提出了ATOS 3D掃描在NB產品上的應用。通過本次應用分析，可見ATOS 3D掃描數字化檢測技術與傳統測量技術相比具有以下優勢：

（1）通用性強，無論何種形狀的工件，均可使用同一臺設備進行檢測，解決了傳統輔助檢測工具繁多的困擾。

（2）速度快，距離在200*140以內的工件，掃描時間在30分鐘以內，檢測時間在10分鐘以內（在完成軟件首次路徑編程后）。

（3）無損檢測、結果準確，測量過程中不會觸碰工件，不會因工件受力形變產生測量偏差，ATOS精度水平計量級達到最高0.008mm。

本次ATOS 3D掃描檢測用于A cover，得到了想要的檢測結果?？v觀整個NB行業，存在著大量的工件檢測需求，而傳統檢測方式無法高效解決，而ATOS 3D掃描檢測可以補充這一空缺，未來更多的應用場景等待著去開拓。