基于Geomagic studio的產品逆向建模與3D打印技術研究

胡麗華，王 濤，侯巧紅，任少蒙

(河北機電職業技術學院，河北 邢臺 054000)

0 引言

逆向工程(RE) 技術是從一個已經存在但是沒有數字模型的零件入手，首先對其表面輪廓進行數據化，隨后進行點云的數據處理、曲面重構、創新設計等，通過一系列數據的操作得到理想的CAD模型的過程。

隨著《中國制造 2025》的正式發布，增材制造以及逆向工程等新技術在各個領域的應用逐漸被大家重視，并將其作為《中國制造2025》的發展重點。

本次研究對某國產汽車上的一個連接件作為研究對象，在沒有數字模型的情況下，利用非接觸光學三維掃描儀對實物樣品進行表面輪廓數字化，再通過逆向工程軟件得到產品的數字模型，并將其利用3D打印技術中的熔融層積進行快速制造，為了產品在量產之前進行裝配檢驗。

1 逆向工程工作流程

逆向工程的具體工作流程包括：首先利用非接觸光學三維掃描儀對樣品進行快速掃描，得到零件的表面數據，然后用Geomagic studio軟件對數據進行精簡處理、模型重構以及優化設計，最后得到理想的CAD模型。

逆向工程的工作流程如圖1所示。其中，逆向工程的關鍵技術是數據采集技術、點云數據處理技術、多邊形處理技術以及模型重構技術。

圖1 逆向工程工作流程Fig.1 Work flow of Reverse Engineering

2 數據采集

準確的數據往往源自于數據在采集過程中使用的方法和設備。本次研究的零件外形輪廓具有多曲率曲面，用普通的機械測量設備很難得到準確的數據，所以本次數據采集選用北京天遠三維科技公司生產的OKIO四目型非接觸式光學三維掃描儀進行數據采集，測量精度高達0.005毫米，單幅掃描時間低于1.5秒，搭載的掃描系統整合GREC誤差控制模塊，采用藍光掃描技術對于暗色的物體也可以得到較準確的數據。

任何測量設備都會不同程度地受到原理或者是測量環境的干擾，產生無法測量的區域，產生測量盲區。研究過程中，應該根據不同產品的外形、尺寸、結構等來判斷測量次數、路徑和角度，通過改變測量方法、測量角度、曝光程度以及測量參數，確定適合本次樣件的測量方法。

本次研究的樣件是某國產汽車上的連接部件，如圖2所示。掃描前進行轉臺標定等設備調試工作，然后將被測樣件噴上白色顯像劑，貼上標志點，將樣件放置于轉臺上，多次調整樣件的放置角度，使得樣件最大面積處于被測區域，減少盲區，如圖3所示。然后，利用轉臺拼接掃描得到樣件單面的點云數據，將零件翻轉，按照上述步驟得到樣件反面的點云數據。圖4所示為樣件正反兩面的點云數據。

圖2 實物樣件Fig.2 Material object

圖3 數據掃描Fig.3 Data scanning

圖4 點云數據Fig.4 Point cloud data

3 點云數據處理

由于拍攝環境影響掃描效果，在掃描過程中會得到許多漂浮在邊緣的體外孤點，也會有一些數據由于光線灰暗而沒有成功獲取，所以需要在軟件中清除噪點和補洞。在Geomagic studio軟件的菜單欄中有一個點命令，按下拉菜單欄順序依次點擊去除非連接項和體外孤點，減少噪聲，采樣，對齊，手動注冊，聯合點對象，如圖 5所示。經過上述步驟的處理后得到點云，可以發現盡管點云數據經過精簡處理，但是產品表面點云數據所呈現的特征并未受到影響。

圖5 點云合并Fig.5 Point cloud combination

4 多邊形處理

點云處理階段完成后，封裝成三角形面片，但是依然存在很多重疊錯誤、不平整的面片，需要對生成的多邊形進行處理。多邊形處理主要是對模型表面進行光順的過程，是曲面重建過程中關鍵的一步，主要通過網格醫生，檢查高度折射邊、自相交、釘狀物并刪除，然后通過簡化多邊形，去除特征，填充孔，編輯邊界，修復等一系列命令減少表面波紋。對比曲面效果可以發現，處理后的多邊形曲面不僅表面光滑了許多，邊界也變得光順，如圖6所示。

圖6 多邊形處理Fig.6 Polygon disposal

5 曲面重構

構造曲面時要選擇合適的構造方法。用一種近似的布局方法來分布四邊形面片，每個曲面片擬合成NUBRS曲面，只有得到了好的曲面片，才能創建滿意的NUBRS曲面。

進入曲面階段后，通過探測輪廓線，編輯輪廓線，構造曲面片等命令生成曲面片網格，再通過移動面板命令得到均勻分布的曲面片。然后，通過構造柵格，使曲面片之間G2連續，修復曲面片相交等問題，最后應用擬合曲面命令將曲面片合并并減少，得到完整的曲面之后將模型保存為STL格式。曲面構建過程如圖7所示。

圖7 曲面擬合過程Fig.7 Surface fitting process

6 3D打印技術

本次研究采用的是價格低廉、成型原理比較簡單的熔融沉積成型(FDM)工藝，通過導入STL格式文件，利用切片軟件對打印參數進行設置，然后保存為gcode格式導入打印機，通過噴頭加熱對材料進行融化，再按照一定的軌跡進行層層堆積完成打印。國內外幾乎所有的3D打印設備采用的數據交換格式都是STL。STL格式實際上就是一些小三角形片，占用內存小，便于后期切片處理。與其他制造技術相比，3D打印技術具有快速化、數字化的特點，尤其是熔融沉積成形(FDM)工藝，成型方法簡單，材料成本和設備成本較低，是做研究的最佳選擇。熔融沉積成形(FDM)工藝的基本流程如圖8所示。

圖8 3D打印流程Fig.8 3D printing process

6.1 3D打印的參數設置

首先要準備一臺3D打印機以及一套切片處理軟件，將逆向建模得到的STL格式的文件導入切片處理軟件后，對模型的位置和大小進行調整。一般將需要打印的模型放置于工作臺最中央，然后設置打印參數，如圖9所示。打印設置的層厚越小，打印所需要的時間就越長，相應的成型質量就越高。本次打印的材料為PLA，噴頭溫度設置為200度，熱床溫度設置為50度，層高設置為0.2毫米，壁厚為1.2毫米，填充密度采用默認設置為50%，打印速度為30 mm/s,支撐設置為每一處都需要支撐，填充密度為15%。

圖9 打印參數設置Fig.9 Print parameter setting

6.2 3D打印過程

將切片軟件中設置好的參數保存為gcode格式后，打開打印機。首先進行工作臺調平，整理工作臺面，設置3D打印機噴頭溫度和熱床溫度，使得和軟件設置的參數一致。然后，進行噴頭預熱、進料等一系列工作。完成之后，選擇需要打印的零件，根據以上打印參數本次打印需要2 h、13 min。在打印開始后，觀察打印過程中有沒有斷絲、堵絲、打印層粘不牢等問題，保證打印順利進行。經過多次調整打印參數，包括打印速度、層高、填充密度、支撐填充密度以及零件放置角度，得到最佳的零件。打印完成后要進行去除支撐，對零件表面、孔洞等進行打磨處理等工作。

圖10 打印產品與實物對比Fig.10 Comparison of print product and material object

7 總結

通過逆向過程中的一系列技術得到樣件的數字模型。關鍵在于掃描設備的應用以及逆向軟件的操作，并對其進行1∶1的打印，可準確地評估產品的外觀、功能、性能是否滿足設計要求。再結合3D打印技術，可以為產品在量產之前進行有效的生產指導，降低加工成本。不管在任何領域，在沒有數字模型只有實物的情況下，都可以采用逆向工程的手段進行創新設計。