摘要：逆向工程和3D打印技术在产品设计中的应用，采用三维扫描仪获取实物原型的三维数据，利用Geomagic软件完成模型重构，最后在3D打印机上实现对零件的快速成型，指出逆向工程技术与3D打印技术相结合为新产品的设计与创新提供了广阔的平台，缩短产品开发周期，降低试制成本，极大地提高企业竞争力。
关键词：Geomagic；逆向工程；三维扫描；数据处理；3D打印
1现代逆向设计方法
1.1 Geomagic Studio软件介绍
在逆向工程技术领域，Geomagic Studio运用较广泛，是常用的点云处理及三维曲面构建功能最强大的逆向工程软件之一，由美国Raindrop（雨滴）公司出品，利用它可将扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面，该软件包括Qualify、Capture、Wrap、Shape、Fashion五个通用模块。
1.2逆向工程流程与正向工程流程
①逆向工程定义，逆向工程或逆向设计也称反求工程或反求设计。它是将实物转变为CAD模型的相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程，其主要包括模型数据化、数据处理、CAD三维模型重构、创新优化设计、实物制造几个阶段。②正向设计与逆向设计对比。产品正向设计是设计人员首先根据功能、性能以及大致的技术参数要求构思产品的外形等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，是一个“从无到有“的过程。
2基于逆向工程的3D打印快速制造工艺流程
3D打印快速成型的加工原理是依据计算机设计或由逆向工程获得的三维模型，通过软件切片处理，逐层加工，层层叠加而成，它可以快速精确地复制原型或直接制造零件，是一种高效低成本的数字化生产模式p1。RE在RP技术中的应用主要是借助于CAD系统将三维CAD模型转化为STL文件，通过反求得到的矢量化层轮廓信息直接驱动RP设备逐层叠加而成三维实体原型，利用RE技术重构产品的实体模型。
2.1逆向工程关键技术与常用逆向建模软件
从数据采集到CAD模型的建立是逆向工程的关键技术，要全面、快速、准确地获取实物原型的三维数据，数据的准确与否，直接影响到逆向工程技术后期处理与快速制造的成败，数据采集是指采用某种测量方法和设备测出实物表面若干组点的几何坐标。当前市场上提供的专业逆向建模软件常见有GeomagicStudio，Imageware，CopyCAD，Rapidform、Polyworks等，在逆向工程领域，Geomagic Studio逆向建模软件应用广泛，是常用的点云处理及三维曲面构建功能最强大的逆向工程软件，它可将扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面，它具有工作流程少、建模效率高、兼容性强和支持多种主流数据格式等特点，据统计，该软件从点云处理到三维数模重构的时间通常只有同类产品的三分之一。
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2.2 3D打印原理与特点及常用工艺技术
3D打印技术，也称增材制造技术，它主要应用了离散、堆积原理，即任何产品或零件都可以看成许多等厚度的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成，三维实体模型经过切片处理后生成的数控代码由数控系统控制3D打印机以平面逐层扫描顺序地连续加工，使它们在高度方向自动黏接成立体原型，最终得到所需要的三维实体零件，与其他先进制造技术相比，3D打印技术具有数字化、直接化、快速化特点，适合复杂结构的快速打印与个性化定制，与传统的“减材制造”相比，它还适合高附加值产品制造，3D打印工艺技术常见有熔融沉积成形（FDM）、激光选区熔化（SLM），光固化成形（SLA）、电子束熔丝沉积（EBDM）等，本文研究所用3D打印机采用熔融沉积成形（FDM）工艺，其原理是将丝状热熔性材料加热融化，融化后的热熔性材料通过喷嘴上喷出，沉积在前层已经固化的材料上，如此往复进行，材料层层堆积形成最终产品，这种成型方法结构简单，制造成本和生产成本也很低，是目前3D打印领域中应用范围最广泛的技术。
3栅三维扫描仪数据采集
3.1以hello kitte玩具为例
采用3D CaMega型光栅三维扫描仪对其进行轮廓数据采集。由于该款扫描仪带有数控转台，在进行相机标定的同时也要进行转台标定。相机、转台标定完成后，将hello kitte玩具用黑色的工业黏土固定在数控转台上进行扫描。由于采用数控转台进行扫描，所以hello kitte玩具只需要喷显影剂，无需贴标志点，数控转台上也无需贴标志点。在进行扫描时，先将玩具竖直放置并固定在数控转台上，然后设置扫描系统驱动数控转台转动360度，数控转台每转动600扫描仪进行一次拍照，扫描系统自动将照片的点云进行拼合。由于在拍照时玩具的上面和底面没有被拍摄到，所以将玩具平放固定，进行第二次扫描。将两次扫描的点云文件分别保存成1.asc和2.asc，数据采集工作结束。
3.2 Geomagic studio软件点云处理
将hello kitte点云文件1．asc导入Geomagic studio软件，采用手动删除、断开组件连接和体外孤点等命令对点云进行降噪、取舍，得到取舍后的点云文件。从图中可以看出，hello kitte点云质量较好，但底部和顶部的点云由于拍照时无法拍到而缺失。将hello kitte点云文件2.asc导入Geomagic studio软件，采用同样的方法进行点云取舍，可以观察到玩具的中部曲面点云不完整。如果想得到完整的点云，必须对两组文件进行点云拼合。使用Geomagic studio软件的对齐一手动注册一n点注册，对两组点云进行拼接，在进行n点注册拼接后的点云已经非常完整了，但两组点云还是存在一定偏差，这时可以利用全局注册命令进行第二次精确拼接，全局注册后点云的偏差就很低了。最后，得到光顺的小平面体文件，将文件保存为sTL格式，为3D打印做好准备。
3.3 3D打印
使用WEISTEK熔融沉积成型桌式3D打印机对数模进行打印，打印丝材为PLA，打印温度为220℃。hello kitte样件打印完成后，使用小刀和镊子将支撑丝去除，使用小锉将不平滑的地方进行修锉，最终得到与hello kitte玩具一样的3D打印样件。
逆向工程技术与3D打印技术的产品设计流程是首先通过三维扫描系统对实物原型进行三维数字化扫描，对扫描得到的点云数据在专业逆向软件Geomagic Studio进行处理重构其CAD模型，最后通过数据转换在3D打印机上快速制造，实现原始设计意图、新产品开发设计、结构分析、功能试验以及快速评估等，数字化设计与制造、逆向工程、3D打印快速成型技术相结合而组成的快速反应集成设计制造方法，有效地缩短开发周期，推动制造业升级发展，为同行提供了有价值的参考，将成为新产品开发过程中新技术应用的主要发展方向。
参考文献：
［1］袁欢．逆向工程与快速成型技术应用．2015
本文系河南省高等教育教学改革研究与实践项目“模具设计与制造专业（3D打印方向）人才培养模式研究与实践”（编号：2017SJGLX662）的研究成果。
论文作者:张松奇,杜玉莉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
标签：模型论文; 转台论文; 工程论文; 技术论文; 快速论文; 软件论文; 数控论文; 《基层建设》2019年第3期论文;