基于非接触式3D扫描方法的聚合物齿轮表面形貌与公差质量评估

《Materials》：Surface Topography and Tolerance Quality Evaluation of Polymer Gears Using Non-Contact 3D Scanning Method Enis Muratovi?, Adis J. Muminovi?, ?ukasz Gierz, Ilyas Smailov, Maciej Sydor, Edin Dizdarevi?, Nedim Pervan and Muamer Deli?

　　

轻质动力总成架构的转型 necessitates（需要）对聚合物齿轮进行详细表征，以验证其效率和耐久性。本研究调查了非接触式结构光3D扫描在评估通过不同制造技术生产的聚合物齿轮的表面形貌和尺寸公差质量方面的有效性。采用结构光3D扫描仪捕获由三种方法生产的齿轮的密集点云（超过600万个点），这三种方法分别为：传统滚齿（POM-C）、采用碳纤维增强的材料挤出（MEX）以及选择性激光烧结（SLS）。将制造出的零件与名义计算机辅助设计（CAD）模型进行比较，以根据DIN 3961标准评估其几何偏差，并根据ISO 25178评估表面粗糙度参数。实验结果揭示了一致的制造质量排名。传统滚齿的POM-C齿轮表现出卓越的精度，达到DIN质量等级Q9–Q10，并具有最光滑的表面光洁度（Sa = 5.0 μm）。在增材制造技术中，SLS打印的PA 12显示出中等质量（Q11，Sa = 12 μm），而MEX打印的PPS-CF由于阶梯效应表现出显著的偏差（超过Q12）和最高的表面不规则性（Sa = 25 μm）。这些发现表明，虽然增材制造提供了几何灵活性，但传统滚齿在尺寸精度方面仍具有决定性优势。此处展示的光学扫描方法论构成了一个有效的计量框架，用于齿轮质量控制，其潜在应用扩展到增材制造的自适应夹具和装配工具的质量保证，包括汽车装配操作。

随着轻质动力总成架构的发展，聚合物因其优异的强度重量比和 versatile（多功能）的可制造性，日益被集成到现代传动系统中，这使得在减少惯性质量的同时生产复杂几何形状成为可能。尽管聚合物齿轮相比传统金属齿轮具有质量减轻、优异的噪声和振动特性、干运行能力、耐腐蚀性和化学惰性等优势，但其固有的较低机械强度和有限的热稳定性限制了其在中等载荷应用中的使用。此外，聚合物齿轮表现出广泛的失效模式，这对材料选择至关重要，且目前缺乏必要的材料数据，使得将传统齿轮设计方法适应聚合物成为持续研究的焦点。随着对聚合物齿轮需求的增长，注射 molding（注塑）成为大批量生产的首选，而传统 machining（加工），特别是滚齿，常用于小批量生产，尽管它受到切削刀具几何形状的限制。近年来，增材制造（AM）技术的进步使得通过3D打印技术制造聚合物齿轮成为可能，尽管生产周期较长，但AM促进了包括复杂微纹理和优化材料利用在内的先进齿轮设计。然而，3D打印在承载能力和尺寸精度方面尚未始终满足工业应用的要求。在此背景下，非接触式光学计量方法为这些工具的进货检验提供了方法论框架，能够从单次扫描会话中快速提取表征接触界面的表面形貌参数和反映整体形状精度的公差等级，消除了对组件特定触觉探测策略的需求。本研究旨在开发并验证一种用于聚合物齿轮光学测量的结构光非接触式3D扫描方法，重点评估点云密度和数据相关性对表面粗糙度参数和尺寸公差质量评估的影响，并比较通过三种不同技术（传统滚齿POM-C、MEX打印碳纤维增强聚苯硫醚PPS-CF、SLS打印聚酰胺12 PA 12）生产的齿轮的表面形貌配置和几何偏差。研究人员采用结构光3D扫描仪（GOM Scan 1），利用蓝光投影生成超过600万个点的密集点云，通过局部坐标变换和自定义计算管道隔离单个齿面的拓扑特征，并使用高斯滤波器分离波纹度分量以提取表面粗糙度。通过将扫描数据与理想CAD模型进行两阶段对齐（初始拟合和基于关键特征的局部最佳拟合），研究人员在11个间距为0.2 mm的平面截面上对30个特定点进行了几何偏差评估，依据DIN 3961标准确定公差等级，并利用Python模块依据ISO 25178标准分析表面粗糙度参数。

3.1. 表面粗糙度
研究人员通过结构光扫描获取齿面数据并计算3D表面粗糙度参数。结果显示，传统滚齿的POM-C齿轮具有最精细的表面光洁度，算术平均高度（Sa）和最大高度（Sz）均为5.0 μm，具有高均匀性指数和短周期，对应于滚刀留下的精细刀具痕迹。相比之下，MEX打印的PPS-CF齿轮表现出最高的表面不规则性，Sa为25 μm，Sz为119.1 μm，这直接归因于MEX过程中的“阶梯”效应和离散丝材沉积。SLS打印的PA 12齿轮处于中间水平，Sa为12 μm，Sz为33.3 μm，虽然粉末融合提供了比MEX更各向同性、更光滑的纹理，但烧结颗粒的颗粒状性质使其无法达到传统 machining（加工）的光滑度。此外，POM-C具有较高的界面面积比（Sdr），而MEX齿轮可能因极端的最大谷深（Sv）而在保持均匀润滑膜方面面临挑战。

3.2. 公差质量
研究人员依据DIN 3961标准评估了几何偏差和精度等级。POM-C齿轮表现出最高的精度，一致达到Q9和Q10质量等级，平均偏差在20.6 μm至28.6 μm之间，表明机械滚齿过程保持了出色的渐开线轮廓控制。MEX打印的PPS-CF齿轮性能最差，质量等级低于Q12，平均偏差显著更高，在312 μm至378.3 μm之间，部分点偏差高达590 μm，这可能与碳纤维引起的局部冷却变化和喷嘴拖曳有关。SLS打印的PA 12齿轮精度低于滚齿但优于MEX，质量等级为Q11，平均偏差在52.3 μm至68.0 μm之间，SLS工艺在齿廓上显示出相对均匀的偏差，这可能得益于无支撑粉末床工艺对几何形状的更好保存。数据揭示了 subtractive（减材）和 additive（增材）聚合物制造之间显著的“精度差距”。

4. 结论
研究人员得出结论，在本研究配置和材料参数下，通过传统滚齿生产的聚合物齿轮比测试的MEX和SLS配置具有更光滑的表面和更高的公差质量。集成高分辨率光学扫描与先进数据处理为评估聚合物齿轮的几何偏差提供了框架。两阶段对齐过程的实施最小化了位置误差，截面分析实现了 lead（齿向）和 profile（齿廓）偏差的精确确定，表明非接触式光学方法在复杂聚合物齿轮几何形状的质量评估方面具有巨大潜力。未来研究应使用更多齿轮重复实验以确认结果的重复性。