逆向工程在3D打印技術中的應用實踐

胡彥萍

(蘭州石化職業技術學院 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

逆向工程(RE)是相對于傳統的正向工程而言的，它是根據已有的產品模型，反向推出產品的設計數據的過程，是產品外形設計的再現。運用逆向工程技術，能夠得到物體的表面數據模型，并進行相應的設計加工，從而實現對工藝品、文物等物品的保護和開發[1]。從廣義上講，逆向工程可分為以下三類：實物逆向，軟件逆向和影像逆向。目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。筆者是以工藝品模型為例，介紹產品逆向的過程，也是屬于實物逆向。

1 三維數據掃描

實物或模型的數字化采集是逆向工程的首要而關鍵的一步。本文采用Handyscan300手持式三維激光掃描儀對工藝品模型進行三維數據的采集。三維激光掃描儀是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖形數據。

采集前將模型擦拭干凈，并在模型表面均勻的貼上標志點(見圖1)。打開掃描儀配套的VXelements軟件，完成傳感器校準后，采用掃描表面的方式進行掃描，由于這個模型曲面比較復雜，會導致部分區域漏掃，所以需要變換角度進行多次掃描，并將掃描結果進行擬合拼接，最終會得到一個基本完整的模型表面數據(見圖2)。將此數據文件保存文件名為:ma.stl。

圖1 工藝品模型貼點 圖2 掃描獲得數據

2 逆向設計

目前主流應用的四大逆向工程軟件是Imageware、Geomagic Design X、CopyCAD、RapidForm，某些正向軟件也有逆向功能，如Ug，PROE/Creo等。本文采用Geomagic Design X軟件進行逆向設計。

先將上一步掃描獲得的文件(ma.stl)導入Geomagic Design X逆向工程軟件中，由于模型表面有許多孔和貼點留下的凸起，所以需要將模型表面處理一下。可以用Geomagic Design X軟件的【填孔】功能來進行補孔操作，貼點的區域也要進行【刪除特征】處理，以使表面看起來平滑，最后，利用【消減】、【平滑】、【整體再面片化】等命令來提高面片的品質，此時，得到的就是一個完整的模型表面數據了。完成后(如圖3)繼續保存成stl格式。

圖3 數據處理后的模型

3 3D打印

基本上所有型號的打印機都能打印stl格式文件，只是選用的分層切片軟件略有不同。本文使用Einstart-S桌面3D打印機，這款打印機的打印原理是采用FDM技術，配套的切片軟件是3dStar軟件。

3.1 切 片

在3dStar軟件環境下打開處理好的模型數據(ma.stl)，將模型旋轉到合適方向并縮放至合適比例后再移動到平臺中心，如圖4。在【設置】中選擇設備類型為“E-s”，精度為0.1 mm，參數為“內外支撐”。點擊【生成路徑】，軟件自動將模型按照設置的參數進行分層切片。切片完成后，可在路徑查看器中查看打印時間和分層數等信息，也可查看填充效果(見圖5)，如果不滿意可重新設置后進行切片。最后將軟件切片后生成的文件(ma.gsd)存入打印機SD卡中。

圖4 模型放置合適比例和位置 圖5 支撐與填充效果

3.2 打印與后處理

先將SD卡插入打印機卡槽，再打開打印機，完成穿絲操作后，在打印界面選擇要打印的模型(ma.gsd)，點擊【OK】按鍵即可。打印完成后(見圖6)需要手動去除支撐，用工具將內外支撐都去除后，打印作品就完成了，如圖7所示。

圖6 打印完成后的模型 圖7 最終完成的作品

4 學生實踐操作

逆向設計是一項將已有的產品零件或原型轉化為 CAD 模型，并在此基礎上進行優化設計和再創造的技術。在課堂中，可以讓學生自己選擇感興趣的模型進行3D掃描和逆向設計，也可以在此基礎上用正向設計軟件對模型進行修改，也就是創新設計。實踐證明，學生的學習興趣普遍很高，他們可以充分發揮自己的想象力和創造力，來完成模型的二次設計，將此教學過程引入教學中，為學生工程能力的培養和創新能力的提升提供了一種新思路[2]。圖8是學生的設計案例。

圖8 學生作品

5 結 語

逆向工程技術可以實現模型的快速復制和創新，提高了復雜型面的產品設計開發能力，縮短了產品開發周期。本文基于激光掃描儀、Geomagic Design X軟件和3D打印切片軟件進行工藝品的逆向設計和快速成型，為復雜工藝品的逆向建模及成型提供了一種新的解決方法，對于復雜型面的產品設計開發有一定的指導作用[3]。