逆向工程與3D打印在大學生開放實驗中的應用

高　奇,　李衛民,　曾　紅

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

0　引　言

大學生創新實踐能力的培養是高等教育重要任務之一。實驗教學是不斷發現和創新科學知識的重要形式之一，開放型創新實驗是一種以學生為主體的主動創新實踐模式[1-3]。開放實驗即由教師提出和建立項目庫，學生選擇開放實驗項目，教師指導學生完成，最后由教師對學生項目進行評價和答辯，即充分利用現有資源，促進學生創新實踐能力培養，促進和提高開放實驗效果，實現創新人才培養[4-5]。

3D打印技術是通過2D成型的三維疊加來實現零部件制造的一種新型增材制造技術，產品的結構與造型設計不受傳統制造工藝的限制，可以實現任意復雜結構的成型[6-8]。在全球制造業不斷挑戰的今天，為了實現產品迅速搶占市場，提高產品的競爭力，產品制造需要不斷向智能化方向發展[9-10]。“中國制造2025”計劃提出2016年初建立較為完善的增材制造智能化產業體系，隨著3D打印技術在精度、速度、打印材料方面不斷的進步，和現代工業智能化的發展，3D打印與信息技術、控制技術、材料技術的結合被不斷的推向更高、更多的制造領域，拓寬了3D打印技術在多種產品造型設計和加工中的應用[11-12]。

1　開放實驗教學模式

開放實驗項目的實施首要的是建立健全高效的實驗室和實驗項目，為學生提供硬件設施與資源。

(1) 實驗室提供用于逆向工程和3D打印的實驗教學設備。包括：非接觸式REVscan手持式激光掃描儀、光敏樹脂為基材的SPS450B快速成型機、ZK550硅膠注型機，及后續用于檢測的德國溫澤XOrbit三坐標測量機。

(2) 電腦機房。公用的計算機資源專門用于三維點云數據獲取、產品模型的逆向重建及創新產品的正向造型設計，和實驗設備的數據預處理。

(3) 校企共建模式。實現了桌面級打印實驗室的建立，企業方為學校批量定制了桌面級的3D打印機，滿足校內各專業的不同需求，企業在合作過程中擴大了聲譽和影響，同時為校方提供資源和學生實踐能力的鍛煉提供了大力支持。

(4) 多元化評價機制。開放實驗項目包含的基礎實驗和設計實驗由指導教師為學生答辯和評價，創新型實驗通過參競賽機制由專家組給出評價。

(5) 多元化項目資源。實驗項目包含相關課程的驗證性和設計性實驗、大學生創新創業項目、學科相關的各類競賽項目、及教師制定和學生自主設計的綜合性試驗。

2　開放實驗實例實施過程

選用書簡作為3D打印的原型。該書簡制品取之于學校圖書館內的書韻雕塑，通過逆向工程技術實現制品的快速設計制作，其系統設計流程如圖1所示。

圖1系統設計流程圖

2.1　模型重建

通過非接觸式REVscan手持式激光掃描儀對書簡實物進行掃描獲取點云數據，由于書簡形狀屬于展示性藝術品，尺寸精度要求相對較低，可適當提高掃描速度，模型重建采用犀牛Rhinoceros軟件進行，該軟件更適合曲面類軟件的編輯操作，實現掃描點云數據的曲面化，在曲面化過程中容易出現較多的壞變，需將犀牛軟件處理后格式為3DM的曲面數據轉入實體建模軟件Solidworks中進行模型修復。常見的壞邊形式如圖2所示。

圖2　曲面壞邊

解決此類壞邊的方法為：曲面重疊需在實體處理軟件中準確選取各多余曲面并依次刪除。面體重疊可采用嘗試愈合面選項功能將其與板實體組合為一體。板間縫隙需利用軟件評估選項中的測量功能對缺失部分進行尺寸測量，確定缺失部分的準確尺寸后，建立修補輪廓面，經過拉伸，切除，組合等特征將該縫隙縫補成功。完成書簡的實體化，該制品數字模型如圖3所示。

圖3　書簡數字模型

2.2　3D打印

實驗設備為西安交通大學研制的SPS450B快速成型機，燒結材料為進口光敏樹脂。將處理好的書簡模型導入系統處理軟件RPdata中，進行書簡實體的分層高度和點狀支撐的設定，獲得數據導入到成型機控制軟件RPbuild中完成參數設定，其中：工藝參數為：掃面間距0.15 mm，填充掃面速度3.5 m/s，輪廓掃面速度為2.0 m/s，補償直徑0.15 mm。經過0.5 h后一個完整的書簡實體被打印出來，將打印好的實體從快速成型機中取出，經過去除支撐、酒精浸泡、噴砂機光順處理后得到實體如圖4所示。

圖4　3D打印書簡實體

2.3　快速模具制造

傳統模具制造方法通過機械加工方式獲得，對于結構復雜類型腔來講，加工工藝煩瑣、生產周期較長、生產成本較高[13]。硅膠快速模具具有較好的彈性，具有無需或較少考慮產品復雜程度的特點，在模具行業得到廣泛應用，由于模具壽命有限，特別適合中小批量的產品翻制[14-15]。

(1) 制作型框和固定原型。依據書簡的特征尺寸確定澆注型框的尺寸，設定書簡邊界與型框距離1 cm以方便取模。分型面設定在書簡板材下底面邊界，以降低對外觀影響，澆口位置設置在下底面中央位置，通過熱塑材料與型框固定。

(2) 硅橡膠計量、混合并真空脫泡。上述型框尺寸為18 cm×5 cm×3 cm，硅膠密度為1.3 g/cm3，計算需澆注硅膠質量為1 240 g。由于硅膠具有粘附性，應適當高出計算質量的10%，以免不夠。混合攪拌硅膠，抽真空完成硅膠脫泡。

(3) 硅膠固化。將混合脫泡硅膠注滿型框，繼續抽真空，去除澆注過程硅膠中產生的氣泡，完成后置于注型機中一段時間防止變形。

(4) 撕裂型框、開模、翻制樣件。注滿硅膠型框置于干燥機中加熱使其硬化后，撕裂型框去除書簡原型。為保證后續翻制精度，用手術刀片沿分型面以波浪形狀對硅膠模開模，取出原型，并對硅橡膠模的型腔噴涂分型劑以便于取出翻制件，向清理后的模具型腔內注入混合的AB料即可得到翻制的書簡樣件，如圖5所示。

圖5　硅膠模具及翻制的樣件

3　結　語

以書簡制品為開放實驗項目實例，采用逆向工程和3D打印技術實現了產品的快速設計制作，闡述了完整的開放實驗流程。

(1) 由學生選擇和完成開放實驗項目，提升了學生軟件處理數據操作能力，體驗了產品制造不受傳統工藝限制的加工方法，激發了學生的創新設計能力。

(2) 完善的開放實驗模式更有利于促進學生將理論設計與實際加工完美的結合，并應用于生產過程。

(3) 逆向工程和3D打印技術顛覆了傳統的制造模式，體現先進制造技術的最新發展趨勢，對于提升學生就業能力和實踐能力具有積極作用。

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