在汽车轻量化的趋势下，越来越多的汽车零部件采用塑料制品，零部件具有易更换的优势[1]。传统的汽车塑料件多采用注塑、吹塑、搪塑等成型工艺，这些成型工艺都需要模具[2]。对于一些陈旧或者保有量少的车型，其零件图样、技术文档、工艺等技术资料不易获取，车身塑料件一旦受损，修配单位很难直接采购到相关的零部件。重新设计制造模具精度较难保证且成本费用较高，不适合重新修复保有量较少的汽车。部分汽车零部件的外形小平面较多，规则性较差，曲面难以用基本几何形状表现，利用传统的正向设计方法修复效率低、效果差。逆向工程和增材制造相结合，能够缩短产品修复周期并降低修复成本，有利于提高高端零件维修市场的商业竞争力[3-7]。在零件修复理论方面，已有学者进行大量研究[8-11]。Gao等[12]提出基于CATIA的损伤件三维建模与逆向设计方法，采用增材制造技术对失效部件进行再制造和修复。Fan等[13]利用逆向工程获取的断裂零件三维模型，对损坏部位进行精确修复和再制造。Kim等[14]提出一种利用Marchingcubes算法生成损伤区域体积方法。Shi等[15]阐明了Gemagic Studio软件和增材制造在修复和复制古代文物和受损雕塑中发挥重要作用。Krzysztof等[16]研究比例为1∶12的摩托车模型的前挡泥板损坏后的修复过程，验证了在精度较低的扫描设备下获得的点云，可以通过CATIA软件完成高水平的复原过程，结合增材制造技术快速完成零件高精度修复。本实验以某车灯塑料件为载体，提出复杂曲面塑料零件快速、高精度再修复方法。通过三维扫描设备对零件表面进行数据采集，利用Geomagic DesignX软件完成零件逆向建模，获得零件模型，对比分析零件的可修复性，结合增材制造技术实现破损区域修复，为复杂零件的修复提供参考。1车灯塑件的三维数据采集及分析1.1车灯塑件数据采集使用德国GOM公司ATOS Core 200三维蓝光扫描仪对某汽车的车灯塑料件进行三维数据采集。三维扫描仪技术参数分别为：测量面积200 mm×150 mm，工作距离250 mm，点距0.08 mm，扫描头尺寸206 mm×205 mm×64 mm，工作环境5~30 ℃。车灯模型形状较复杂，需要适当多贴标定点，标定点应贴在工件的平面表面或曲率尽可能小的曲面上，距离工件的边界稍远一点[17]，使标定点在长、宽、高方向合理分布，以保证能通过公共参考点（正反面扫描时都能扫描到的标定点）过渡实现正反面拼接，实现整体扫描。开始采集时，调节扫描转台角度，每次旋转角度大约为30°。汽车灯光塑件的反面数据采集，与正面的测量原理相同。采集反面数据时一定扫描到用于正反面过渡的公共参考点，否则无法实现正反面点云数据的拼接，导致最后无法得到完整的点云数据。1.2三维扫描数据处理在三维扫描过程中，由于环境的影响，不可避免出现如转盘、桌面等冗余点云数据，需要通过软件的剪切命令对其进行剪切[18-19]。通过公共参考点完成点云数据整体合并的转化。为了后续的检测工作，需要执行多边形化和重新计算封装命令[20]。为了解决因未扫描到的点云数据或无法识别定位点而造成的孔洞，需要进行孔洞修复。图1为完整扫描数据。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F001图1完整扫描数据Fig.1Complete scanning data1.3车灯塑件数据检测为了确定损坏后的车灯修复的价值，对车灯塑件进行数据检测。使用GOM Inspect三维测量分析软件，将扫描后的完整左车灯网格数据镜像，以镜像后的数据作为标称数据与损坏的右车灯作对比，对云图、截面尺寸偏差以及装配尺寸进行检测分析。1.3.1车灯塑件曲面偏差与圆度检测分析曲面比较。当实际数据与标称数据对齐时，可以比较两个数据集之间的总体偏差。图2为含偏差标注的曲面偏差。从图2可以看出，通过观察完整的左车灯数据与损坏后右车灯的偏差云图和局部偏差标注，确定了车灯损坏时发生了较小的形变。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F002图2含偏差标注的曲面偏差Fig.2Curved surface deviation with deviation labeling圆度是工件的横截面接近理论圆的程度，最大半径与最小半径之差为0时，圆度为0。图3为破损车灯圆度分析。从图3可以看出，圆柱的圆度公差良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F003图3破损车灯塑件圆度分析Fig.3Roundness analysis of damaged car lamp plastic parts1.3.2车灯塑件截面尺寸偏差分析图4为Z+20 mm和Z+25 mm截面分析。表1为截面部分角度分析。从图4和表1可以看出，测量结果在误差范围内。图4Z+20 mm和Z+25 mm截面分析Fig.4Cross section analysis of Z+20 mm and Z+25 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F4a1(a)Z+20 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F4a2(b)Z+25 mm10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.T001表1截面部分角度分析Tab.1Cross section part angle analysis截面标称角度实际角度偏差角度1+137.71+137.65-0.06角度2+141.66+141.65-0.01角度3+135.55+137.68+0.13角度4+141.62+141.58-0.04°°1.3.3车灯塑件装配尺寸检测分析关键装配尺寸的距离检测。对关键装配尺寸上的X轴、Y轴，进行距离检测。图5为破损车灯塑件的关键尺寸标示。表2为破损车灯塑件的关键尺寸数据。从图5和表2可以看出，破损件的关键部位尺寸变化在误差范围内。此外，在下一阶段逆向建模过程中需要保证标称距离（完整的左车灯装配尺寸）的尺寸精度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F005图5破损车灯塑件的关键尺寸标示Fig.5Key dimension of damaged car lamp plastic parts10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.T002表2破损车灯塑件的关键尺寸检测数据Tab.2Key dimension detection data of damaged car lamp plastic parts破损件部位标称距离实际距离偏差圆1~圆5 X轴方向+72.07+72.09+0.02圆1~圆5 Y轴方向+119.35+119.28-0.07圆2~圆5 X轴方向+14.36+14.33-0.03圆2~圆5 Y轴方向+147.06+147.00-0.06圆3~圆5 X轴方向+48.36+48.30-0.05圆3~圆5 Y轴方向+18.63+18.46-0.17圆4~圆5 X轴方向+4.75+4.79+0.04圆4~圆5 Y轴方向+43.11+43.09-0.02mmmm车灯塑件的曲面偏差、圆度、截面尺寸偏差以及装配尺寸，虽有部分尺寸出现了偏差，但是整体上不影响使用。因此，损坏后的车灯具有修复价值。2车灯塑件逆向建模与增材制造2.1车灯塑件逆向建模与精度检测逆向工程又称为反向设计工程，是一种产品再生产设计技术，可用于改进和创新现有的产品模型[21-23]。2.1.1车灯塑件逆向建模使用Geomagic DesignX软件对车灯塑件进行逆向建模，主要的流程分为四步：（1） 划分领域。该模型结构复杂，通过手动分割更具有针对性，可以根据需要进行调整。图6为各领域划分情况。从图6可以看出，不同的领域显示不同的颜色。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F006图6各领域划分情况Fig.6Division of various fields（2） 对齐坐标。图7为手动对齐结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F007图7手动对齐结果Fig.7Manual alignment results导入车灯塑料件的模型数据后，为了便于逆向建模，重新建立相应的坐标系。采用手动对齐的方式，通过追加平面和添加两个平面的交叉线获取对齐所需的元素。（3） 曲面重构。使用面片拟合和曲面放样的方式进行曲面重构。面片拟合是将曲面拟合至所选的单元面或领域上，通过调整许可偏差和拟合平滑度调整拟合质量[24]。曲面放样至少需要两个轮廓新建放样曲面实体，按照选择轮廓的顺序将其互相连接。将其他轮廓作为引导曲线，以帮助清晰明确地引导放样。使用“面片草图”命令创建新草图，绘制与特征线一致的曲线，并使用曲面放样创建曲面。图8为部分曲面创建情况。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F008图8部分曲面创建情况Fig.8Part of the curved surface creation为了最大限度地避免出现“褶皱曲面”。在使用面片拟合和曲面放样进行曲面重构时，需要适当调整相关参数，使放样后的曲面尽可能达到理想的平滑度。在曲面重构过程中，会产生冗余曲面体，需要运用剪切工具将曲面体剪切成片。如果在剪切过程中无法完全剪切，需要在剪切前延伸曲面体。在修剪曲面后确保面与面之间没有缝隙后，进行实体缝合。将车灯塑料零件分为两部分进行曲面重构，图9为第一部分曲面重构，图10为第二部分曲面重构。从图9和图10可以看出，将模型进行分区域重构，得到了比较完整的实体模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F009图9第一部分曲面重构Fig.9The first part of curved surface reconstruction10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F010图10第二部分曲面重构Fig.10The second part of curved surface reconstruction（4） 细节补充。在对整体外形轮廓进行曲面重建后，通过新的草图、拉伸、旋转、倒角、拔模、布尔运算等对模型的一些细节进行补充，进一步优化车灯的逆向建模。图11为获得车灯塑件逆向建模实体。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F011图11车灯塑件逆向建模实体Fig.11Reverse modeling entity of car lamp plastic parts在逆向过程中，可以通过体偏差将实体或曲面模型与其原始扫描数据进行比较。使用此命令进行建模决策时，可以取得更精确的结果。图12为车灯塑件逆向建模体偏差色彩图。从图12可以看出网格和实体偏差对比，结果以颜色区别，蓝色为不足，红色为超出，绿色为公差范围内。图12为公差范围为+0.1 mm所得的偏差效果图，整体上显示为绿色，其他颜色区域偏差数据相对较大，主要原因是软件拟合平面过程和手绘草图过程中存在一定误差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F012图12车灯塑件逆向建模体偏差色彩图Fig.12Reverse modeling body deviation color diagram of car lamp plastic partsGeomagic DesignX建模过程中的体偏差检测只提供大概的色彩图，无法提供精准数字统计分析。为得到准确的精度检测分析，可以使用GOM Inspect三维检测软件。通过准确检测发现关键部位尺寸不合格，可以返回到逆向建模软件，进行建模校正，直至符合使用要求，完成逆向建模。2.1.2车灯塑件逆向精度检测在GOM Inspect检测软件中重新导入完整的左车灯扫描数据和逆向建模数据，对车灯塑件的逆向精度进行检测。(1)关键尺寸检测：将完整的左车灯扫描数据作为标称数据，在逆向建模后比较和检测装配尺寸上的X轴、Y轴和XY轴。经测量，尺寸误差在±0.1 mm以内，符合装配误差要求。图13为车灯塑件逆向精度分析，表3为车灯塑件逆向精度检测。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F013图13车灯塑件逆向建模的关键尺寸分析Fig.13The key dimension analysis for reverse modeling of car lamp plastic parts10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.T003表3车灯塑件逆向建模的关键尺寸检测Tab.3Key dimension detection for reverse modeling of car lamp plastic parts名称标称距离实际距离偏差圆1~圆6 X轴+72.07+72.15+0.08圆1~圆6 Y轴+119.35+119.29-0.06圆1~圆6 XY轴+139.42+139.38-0.04圆2~圆6 X轴+14.36+14.35-0.01圆2~圆6 Y轴+147.06+147.04-0.02圆2~圆6 XY轴+147.76+147.74-0.02圆3~圆6 X轴+48.36+48.31-0.05圆3~圆6 Y轴+18.64+18.58-0.06圆3~圆6 XY轴+51.83+51.75-0.08圆4~圆6 X轴+4.75+4.75+0.00圆4~圆6 Y轴+43.10+43.10+0.00圆4~圆6 XY轴+43.37+43.36-0.01圆5~圆6 X轴+18.20+18.16-0.04圆5~圆6 Y轴+24.16+24.14-0.02圆5~圆6 XY轴+30.05+30.23-0.02mmmm(2)密封性检测：对逆向数据的密封性进行检测，通过分析面轮廓度和曲面偏差值，确定满足密封要求。图14为车灯塑件逆向建模的密封性检测结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F014图14车灯塑件逆向建模的密封性检测结果Fig.14Sealing detection result for reverse modeling of car lamp plastic parts从图14可以看出车灯塑件的密封面的面轮廓度和曲面偏差值都在合理范围内，对于密封性曲面部分拟合满足要求。通过对逆向后的车灯塑件进行关键尺寸和密封性检测，可知逆向零件满足使用要求，完成逆向建模。2.1.3分离车灯塑件破损部位数模将破损的车灯扫描数据导入Geomagic DesignX软件，手动划分领域、利用坐标位置关系配准零件模型，通过面片拟合的方式创建曲面，通过剪切命令剪除冗余曲面体。图15为破损部位曲面体。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F015图15破损部位曲面体Fig.15Damaged part of the curved surface body图16为车灯塑件破损部位数模。从图16可以看出，将破损部位曲面体单独输出为STP文件格式后，将其重新导入完整的车灯塑件逆向件。以曲面体为工作要素，执行切割命令，将破损部位实体从完整的车灯塑件逆向件中分离，得到车灯塑件破损部位数模。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F016图16车灯塑件破损部位数模Fig.16Numerical simulation of damaged parts of car lamp plastic parts2.2光固化3D打印光固化3D打印技术利用紫外光引发化学活性液体材料，快速聚合成固体材料，其固化速度非常快，通常在几秒钟以内[25]。在构建分离损坏部位的三维模型后，同时使用熔融沉积成型(FDM)和光固化成型(SLA)技术重新制造三维模型。通过比较打印的实物模型，发现FDM的精度和打印产品的外观质量不如SLA。考虑到车灯塑件的修复精度和外观质量，采用光固化3D打印技术对损坏零件进行再制造。通过对模型切片处理、固化成型、清理和后固化处理，最终获得符合要求的制件。将光固化3D打印后的模型制品进行三维扫描，获得破损部位模型制品的扫描数据。将破损部位模型制品的扫描数据和逆向工程技术分离出的破损部位的STP文件导入GOM Inspect检测分析软件，采用预对齐的方式，将扫描后的3D打印件与分离出的数模进行数据对齐。图17为光固化3D打印模型与逆向工程技术分离出的数模的曲面比较。从图17可以看出，进行曲面比较的打印模型与数字模型偏差较小，最大值不超过±0.2mm，且除边缘外大部分模型公差都处于±0.1mm以内，打印模型精度较好。经对比分析，光固化3D打印模型制品满足使用要求，确定打印件可使用。图17光固化3D打印模型的曲面比较Fig.17Curved surface comparison of SLA 3D printing model10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F17a1(a)正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F17a2(b)反面3车灯塑件的修复及分析3.1车灯塑件的虚拟装配在网格数据和标称数据对齐后，再次输出网格数据时，网格数据的空间坐标保持不变。只需将用到的前文检测时的扫描网格数据输出，不再需要重新对齐数据。图18为车灯塑件的虚拟装配。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F018图18车灯塑件的虚拟装配Fig.18Virtual assembly of car lamp plastic parts图19为虚拟装配后检测。从图19可以看出，将扫描过的破损车灯扫描数据作为标称数据，以打印的模型制品的扫描数据作为网格数据。通过虚拟装配，将网格数据和标称数据进行曲面比较，生成偏差云图，在偏差云图上做偏差标注，根据偏差标注，有目的地打磨和抛光工件表面。利用虚拟装配可以提高产品的装配精度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F019图19虚拟装配后检测Fig.19Inspection after virtual assembly3.2车灯塑件的修复对车灯塑件进行修复中的打磨抛光。使用打磨设备针对性地对打印模型进行打磨，打磨修正模型制作时的偏差。采用ABS塑料胶对模型进行修复黏接。使用打磨设备打磨多余的胶水，将用光敏树脂均匀涂抹于损坏件与打印模型黏合间隙处，使用380 nm紫外灯照射1 min，黏接完成，对黏接后车灯再打磨，修复完成。图20为修复后的车灯塑件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F020图20车灯塑件的最终修复Fig.20Final repair of car lamp plastic parts3.3车灯塑件修复后检测以修复后模型的扫描数据为网格数据，完整的车灯的扫描数据为标称数据，导入GOM Inspect检测分析软件，采用预对齐。图21为车灯塑件的曲面分析和偏差标注。从图21可以看出，修复结果符合使用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F021图21车灯塑件的曲面分析和偏差标注Fig.21Curved surface analysis and deviation labeling of car lamp plastic parts图22为车灯塑件的密封性检测。从图22可以看出，检测后发现密封性同样满足修复要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.021.F022图22车灯塑件的密封性检测Fig.22Sealing detection of car lamp plastic parts4结论以车灯塑件为例，进行了具体的分析，研究验证了相关技术的正确性。通过在非接触的条件下使用三维扫描技术获得损坏零件的三维数据，并利用逆向工程和3D打印技术对零件进行修复，突破了传统的零件修复局限，使零件的修复质量更高、修复周期缩短。研究拓展了产品修复的应用领域，在物品的修复和保护领域展示出了一定优势和应用前景。