3D打印與逆向工程實驗在先進制造技術課程中的應用*

（武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081）

0.引言

隨著科技的發展，先進制造技術也有了很大的發展，作為國內眾多高校機械類學生的一門專業課,旨在向學生傳授國內外先進的制造技術。3D打印技術是先進制造技術和生產方式變革的產物，該技術以數字化、人工智能及新型材料應用為特征，被喻為第三次工業革命核心技術之一[1]。為了更好地培養先進制造技術相關人才，除了需要加強理論教學，還要制定完善的實驗教學體系。通過3D打印與逆向工程相結合的綜合性實驗，幫助學生更好的理解先進制造技術的優勢，掌握相關的實踐技能，提高學生的綜合能力。

實驗教學是高校教學的重要環節之一，在應用性和創新性的人才培養體系中有著重要的意義[2]。由于3D打印技術的諸多特點，在先進制造技術的教學過程中引入3D打印和逆向工程實驗，可使學生學到三維軟件知識、計算機輔助制造技術以及數據采集等相關知識，并通過3D打印與逆向工程，使學生深入了解利用高科技手段進行工程設計的概念[3]。

1.先進制造技術課程現狀

目前，國內許多高校都把先進制造技術這門課作為工業工程、機械制造及其自動化等專業的必修課，但在先進制造技術的講授過程中，仍然存在一些問題[4-5]：先進制造技術課程內容較為繁雜，所涉及到的各種先進制造工藝、概念較多，很多先進制造技術，如增材制造技術、激光、電火花加工等都已廣泛應用，而教師在教學時一般只是純理論講解，缺乏相應的實驗環節，這在一定程度上影響了學生的學習。

針對以上問題，在結合個人教學體會和他人教學經驗的基礎上，以培養技術理論和實踐相結合的復合型人才為目標，提出理論授課和實驗課程相結合的教學模式，將3D打印技術與逆向工程實驗相結合，形成新的綜合性創新實驗，提高學生創新思維能力。

2.3D打印與逆向工程綜合性實驗課程

2.1 3D打印的工作原理

3D打印技術是近30年來全球先進制造領域興起的一項集光/機/電、計算機及新材料等學科于一體的先進制造技術。與切削等材料“去除法”不同，該技術通過將粉末、液體及片狀等離散材料逐層堆積，“自然生長”成三維實體。

增材制造的主要工藝有4種：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積制造法[6]。結合高校的教學實驗需求及價格等因素，高校通常會選購桌面級3D打印機作為教學設備，使用的材料大多為ABS、PLA、聚乙烯等，打印出的零件強度與注塑模具相當，但粗糙度與成品有一定的差距，還需進行后期處理。

2.2 逆向建模的工作原理

在逆向建模的實驗教學中，首先使用三維掃描儀對物體結構進行測量，通過逆向設計軟件實現其CAD實體模型重建，并通過打印機實現模型的快速成型制造。

三維掃描儀是采用一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術。測量時光柵投影裝置投影特定編碼的光柵條紋到待測物體上，兩個攝像頭同步采集相應圖像，然后通過計算機對于圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，解算出攝像機與投影儀公共視區內像素點的三維坐標，最后通過三維軟件實時觀測相機圖像以及生成三維點云數據，系統框架如圖1所示。

圖1 三維掃描儀系統框圖

2.3 實驗軟硬件配置

本文提出的理論與實驗相結合的授課方式，其目的是使學生更直觀地理解先進制造技術，通過3D打印與逆向工程的綜合性實驗激發學生的學習興趣，提高先進制造技術的教學效果。

3D打印教學實驗需要若干臺桌面級3D打印機，以及與之配套的PC機；逆向工程教學實驗需要若干臺三維掃描儀、高精度標定板、三腳架與云臺等。在軟件方面需要用到三維掃描處理軟件3Dscan，數據處理軟件Geomagic Studio，格式轉化軟件MakerWare以及與打印機配套的數據處理軟件Replicator G等。

2.4 逆向工程實驗

逆向工程的關鍵技術是數據采集和模型重建[7]，在進行實驗時，首先采用激光掃描儀對物體模型的表面進行數據采集，待掃描后可得如圖2所示的掃描數據，紅色圈內是掃描獲得的8張模型在不同位置的數據。

圖2 掃描的點云數據

而后需要將掃描后的數據導入Geomagic Studio等預處理軟件中，生成初步的掃描模型；最后再對圖形進行減噪、填孔、聯合點對象、合并、封裝等后處理操作，生成完整的三維模型，圖3是通過點云數據預處理完成前和完成后的模型示意圖。

圖3 預處理前后模型圖

2.5 3D打印實驗

在進行3D打印之前需要對掃描的三維模型進行分層，生成二維幾何信息，控制噴嘴的移動。進絲裝置將ABS/PLA等材料加熱至熔化狀態，同時，出絲噴嘴將處于熔化狀態的材料擠壓出噴頭，按加工路徑均勻的噴涂在打印機工作臺上，再通過升降系統完成接下來的新薄層打印，反復這一過程直至零件打印完成。

一般來說，通常將3D打印過程分為建模、分層、成型和后期處理4個部分[8]。而在3D打印過程中普遍采用的是STL格式的文件，當模型輸入電腦以后，需要通過相應的軟件來進一步分層處理，通過該軟件可以對打印模型的相關參數進行設置，例如模型的大小、方向、比例、切片的厚度等，切片處理后的模型在軟件中顯示如圖4所示。

圖4 后處理模型圖

3D打印是基于材料累加原理的快速成型操作過程，將計算機中的三維模型通過分層添加材料來創造出實物的一種疊層制造技術。具有不受零件復雜程度限制、完全數字化控制等特點。在實際應用中利用逆向工程與3D打印技術的結合，可大幅縮小新產品的研發周期，降低新產品的研發成本，更能滿足市場個性化定制產品的需求。利用3D打印技術打印出的模型如圖5所示。

圖5 模型打印圖

3.結論

本文重點闡述了利用3D 打印機及三維掃描儀制作三維模型的實驗過程，給出了從物體點云數據的獲取到三維模型的重建，最后實現3D打印的全過程，建立了3D打印與逆向工程相結合的綜合性實驗方法。

文中對在先進制造技術課程中開設3D 打印與逆向工程實驗的可行性做了闡述，并對開設該實驗所應具備的軟硬件提出了相應要求。在實驗教學中，將3D打印機和三維掃描儀等先進設備運用到先進制造技術課程的講授過程中，使學生腦中的抽象模型轉化為真實的物體，極大增強了學生主動學習的積極性，對于提高學生的動手和創新能力都有積極的推動作用。通過理論與實踐相結合的教學方式，可以進一步完善先進制造技術這門課的內容。