基于逆向工程的坭興陶個性化產品設計應用實踐

龍燕燕 黃善厚

摘 要：本文以《印象北部灣》香器系列作品中的聞香杯為例，詳細介紹了在三維掃描的基礎上，基于Geomagic Stdio軟件的數據處理過程、基于UG軟件的逆向建模過程和基于SLA的快速成型過程。同時，驗證了逆向工程技術可以為坭興陶個性化產品設計提供新的途徑，為坭興陶產業的發展提供更多的可能性。

關鍵詞：逆向工程;坭興陶;快速成型

中圖分類號：TP391.7;TS943.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）04-0027-03

Abstract： In this paper， taking the smell cup in Impression Beibu Gulf as an example， the data processing process based on Geomagic Stdio software， the reverse modeling process based on UG software and the rapid prototyping process based on FDM were introduced in detail on the basis of 3D scanning. It was verified that reverse engineering technology could provide a new way for nixing pottery personalized product design and more possibilities for the development of nixing pottery industry.

Keywords： reverse engineering;Nixing Pottery;rapid prototyping

1 研究背景

逆向工程又稱反向工程，其是一種基于實物的三維掃描而反求建模的過程。快速成型是基于材料堆積法的一種高新制造工藝，集機械工程、CAD、數控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變成原形或零件，從而為新設計思想的校驗提供了一種高效低成本的實現手段[1]。近幾年，逆向工程與快速成型技術相結合，已廣泛應用于模具生產、航空、醫學、文物保護等領域，但應用于坭興陶產品設計的還比較少見。運用逆向工程獲得產品的三維數據，對三維數據進行二次開發與設計，再應用快速成型技術呈現再設計后的效果是實現坭興陶產品個性化開發與設計的重要途徑之一。

本文選取《印象北部灣》香器系列中的聞香杯（見圖1）來詳細說明三維掃描、逆向建模、快速成型等逆向工程技術在坭興陶個性化產品設計中的應用。

2 三維掃描

2.1 模型掃描

為了獲得真實完整的掃描數據，本文選用PRINCE系列手持式三維激光掃描儀。該掃描儀其采用多條線束激光來獲取物體表面的三維點云，可自動定位，精度較高（0.03 mm），掃描點云數據無分層，可自動生成，其掃描過程如下。

①涂顯像劑。在樣品表面均勻地涂一層白色的顯像劑，以便于掃描激光的反射和三維數據的收集。

②視覺標記。在樣品的關鍵過渡處放置視覺標記點，以確定掃描儀在掃描過程中的空間位置，這些空間位置被用于空間位置轉換。

③多角度掃描。樣品保持不動，手持三維激光掃描儀平穩地、多角度地對樣品進行掃描，如圖2所示。通過掃描儀上的兩組相機不斷獲得線狀三維信息，并同時通過視覺標記不斷獲得空間相對位置，從而形成連續的三維數據，確認掃描數據完整、無漏點即可保存。

2.2 數據處理

由于掃描的點云數據可能會接收到非標記點的掃描反射光，因此，會不可避免地存在偏差，出現一些雜點、噪點、壞點。因此，要對點云數據進行一系列處理，包含刪除雜點和壞點、減少噪聲、刪除釘狀物、優化網格、手動填補孔洞、光滑處理數據等。本文采用專用的Geomagic Stdio逆向軟件對點云數據進行處理，最后將點云數據封裝成三角形面片，保存成STL格式，為后續的逆向建模設計提供原始的數據支撐。

3 逆向建模

STL格式是小三角形片體，具有不可編輯性，將STL格式數據導入CATIA、Pro/E、UG、FreeFrom等三維CAD造型軟件中進行實體建模，得到具有相關參數、可編輯、可修改的實體模型，以最終實現產品的再開發與再設計。本文選用UG軟件進行逆向實體建模。

3.1 調整坐標

每一個軟件都有自己的坐標系統，不同軟件之間往往具有不兼容性。將STL格式數據導入UG軟件中時，由于其具有Geomagic Stdio軟件中的坐標系，與UG軟件中的坐標系不匹配，會影響后續建模，因此，導入STL格式數據后，首先要對坐標系進行調整[2]。

該樣品底面在同一平面上，結構是左右對稱，因此選用底面所在的平面為基準，將其旋轉至與UG坐標系中XY平面重合;再以樣品左右對稱中心線為基準，將其調整至與UG坐標系中Y軸重合;最后更改左右對稱面任一邊數據的顏色，并將其鏡像到另一邊，看是否與另一邊原來的數據重合，重合即坐標調整正確無誤，不重合則需要繼續調整。

3.2 實體旋轉

聞香杯杯身與杯蓋主體結構可由回轉命令生成，通過平面剖切STL模型留下截面曲線，并以此為依據繪制旋轉草圖，再運用旋轉及抽殼命令生成。

3.3 曲面構建及縫合

杯身兩邊及杯蓋上海騰造型為曲面結構，在構建過程中需要先生成樣條曲線，再自動調整曲率使其光滑連接，不連貫處要對曲線進行橋接，最后以樣條曲線構建網格曲線，在構建網格曲線時，一定要保證選取的各點在同一平面上，并嚴格保持各相切關系。網格曲線生成后，即可采用曲線網格命令生成曲面，最后完成對曲面的縫合。

3.4 鏡像及布爾求和

樣品杯身上還雕刻有一些曲線狀花紋，此花紋具有一定的對稱性。因此，在構建時只需創建一小段即可，其他可用陣列命令生成。構建時需要先以樣條曲線生成曲面，如圖3所示，再得到曲面與杯身實體的截交線，對截交線偏移，構建新的曲面，并進行修剪、陣列、布爾求和，最終生成的三維實體模型如圖4所示。

4 快速成型

快速成型技術能極大地縮短產品研發周期，快速驗證設計者的設計理念與思路。近年來，快速成型技術的應用越來越普遍，發展也越發成熟。目前常見的快速成型技術有SLA、LOM、FDM和SLS等方法。其中，SLA是將計算機控制下的紫外線激光束按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態光敏樹脂逐點掃描，使薄層液態樹脂產生光聚合反應而固化，從而形成零件的一個薄層截面[3]。該技術具有表面質量好、精度高、材料利用率接近100%的優點，適用于復雜而精細的中小件。此樣件選用SLA快速成型方法，成型材料為ZR680，具體如圖5所示。

將完成逆向建模后的3D模型在UG中導出成STL格式，再導入切片軟件中進行切片處理，并完成切片層厚、支撐角度、填充角度、下沉移動速度及刮板軸移動速度等參數設置。為了減少誤差，本樣品切片層厚設為1 mm，掃描質量設為優級。

激光發生器按切片形狀對液態樹脂進行掃描，待液態樹脂固化后升降臺下降1 mm，刮平器來回運動保證液態樹脂上表面位置不變，激光發生器再按切片形狀掃描該層液態樹脂使其固化，然后逐層掃描疊加最終快速成型。快速成型完成后，將樣件從升降臺上取下并進行清洗，去掉支撐部分，完成打磨拋光等后續工序。快速成型后的實物如圖6所示。

5 結語

逆向工程技術在實現坭興陶產品個性化創新設計中具有重要的意義。運用逆向工程技術，可以將設計者的創新思想與靈感在最短的周期內進行快速驗證，并根據驗證結果對模型進行再創新、再開發，從而促進坭興陶產業的快速發展。

參考文獻：

[1]朱小明，韓偉，劉楚生，等.基于逆向工程和3D打印的鞋子個性化設計制作[J].塑料科技，2019（12）：89-92.

[2]胡雙喜.基于逆向工程的個性化產品創新設計與模型制作[J].機械工程與自動化，2019（5）：197-199.

[3]陳忠士，鄒澤昌，劉偉林.基于逆向工程技術的連桿創新設計[J].機械工程師，2019（11）：77-78，85.