逆向工程與三維打印相結合的創新設計研究*

□ 高志華 □ 郭君揚 □ 潘春生

1.河南工業職業技術學院 機械工程學院 河南南陽 473009 2.河南省材料成形裝備智能技術工程研究中心 河南南陽 473009 3.臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司 河南南陽 473008

1 研究背景

逆向工程和三維打印相結合,是實現產品創新設計的重要技術手段,目前已經被廣泛應用于家用電器、汽車、航空、模具、工業設計等領域。逆向工程和三維打印相結合,推動了工業技術的發展[1-2],其工作流程如圖1所示。

▲圖1 逆向工程和三維打印相結合工作流程

車載吸塵器如圖2所示,這一產品外觀時尚,隨車攜帶方便。使用時,將吸塵器的電源插頭插入汽車點煙器插座,啟動吸塵器電源開關,即可操作使用。車載吸塵器可廣泛用于汽車、游船等移動設備的除塵。使用中發現,車載吸塵器電源導線雖然長達3 m,但是應用于汽車后備箱卻仍不方便。而且雖然附有鴨嘴短管,可用于清除汽車內夾角及縫隙處的灰塵雜物,但是由于本身結構的原因,鴨嘴短管開口較大,小縫隙不能徹底清潔。加之鴨嘴短管為硬塑料管,無法彎曲,不能深入設備內部進行吸塵。

▲圖2 車載吸塵器

筆者將逆向工程和三維打印相結合,對車載吸塵器進行創新設計,在原鴨嘴短管的基礎上,設計了不同規格尺寸的接頭,用于連接不同直徑的軟管,實現小縫隙處的清潔。采用聚乳酸工程塑料,利用熔融沉積模型三維打印設備將接頭制造出,裝配后進行性能試驗,達到提升產品性能、進一步滿足市場需求的目的。

創新設計流程為:① 原車載吸塵器三維輪廓數據掃描;② 三維輪廓數據處理;③ 三維模型重構;④ 具體創新設計;⑤ 三維打印樣件;⑥ 裝配。

2 數據掃描

利用三維掃描設備采集車載吸塵器的三維輪廓,獲得車載吸塵器的輪廓數據,這些數據以點的形式體現,稱為點云。采集點云的質量決定了后續重構實體模型的質量和效率。筆者使用Win3DD單目三維激光掃描儀,利用轉盤實現車載吸塵器正反面掃描,然后通過自動拼接的方法獲取車載吸塵器的三維輪廓數據。數據掃描如圖3所示,三維輪廓數據如圖4所示。

▲圖3 數據掃描

▲圖4 三維輪廓數據

三維激光掃描儀受到光反射性能的影響,對黑色及透明材料等反光物體掃描效果差,需要噴涂顯像劑才能進行較好的掃描。觀察發現,車載吸塵器表面為塑料材質,光滑處會反射光線,影響掃描效果。因此噴涂一層顯像劑,并借助橡皮泥、轉盤等進行掃描。

進行掃描之前,還需要在車載吸塵器表面上粘貼一些標志點,以保證三維激光掃描儀多角度掃描后利用公共標志點進行自動拼接,從而獲得車載吸塵器的整體輪廓數據[3-4]。掃描時,通過上下面都具有旋轉功能的轉盤來旋轉車載吸塵器。在轉盤上也粘貼一些標志點,這樣可以減少車載吸塵器表面標志點的數量,提高掃描的效率。掃描完車載吸塵器的上表面數據后,將車載吸塵器從轉盤上取下,翻轉轉盤,同時將車載吸塵器翻轉,掃描下表面。通過車載吸塵器上粘貼的標志點完成自動拼接過程,直到整個車載吸塵器的表面數據掃描完成,獲得完整的車載吸塵器三維輪廓數據。

3 數據處理

經過三維激光掃描儀獲得的車載吸塵器整體點云數據,可能會由于掃描儀振動等原因產生噪聲點、雜點等,需要進行數據處理,否則會影響重構建模的精度和速度。Geomagic Wrap是一款數據處理軟件,主要功能包括雜點去除、噪聲平滑處理、數據簡化、孔洞填補、網格醫生等[5]。軟件完成掃描點云數據到三角面片的轉換過程后,將三角面片保存為.STL格式文件,即可導入逆向設計軟件進行三維模型重構。數據處理后車載吸塵器三角面片模型如圖5所示。

▲圖5 三角面片模型

4 模型重構

4.1 重構前處理

對于經數據處理后的車載吸塵器三角面片模型,需要進行模型重構前處理,如圖6所示。重構的參數化實體模型需要滿足光順性和精度要求。Geomagic Design X是一款專業的參數化逆向建模軟件,可以與其它三維軟件進行無縫對接,非常適合工業零部件的逆向設計[6]。

▲圖6 模型重構前處理

Geomagic DesignX軟件特有的領域組劃分功能能夠使三角面片模型快速擬合,根據導入模型的幾何形狀自動劃分不同的區域,并以顏色區分平面、規則面和自由曲面,進而擬合曲面[7-8]。為了便于后續特征建模,以及與其它三維軟件無縫協作,需要將導入的三角面片數據對齊,創建工件坐標系。分析車載吸塵器模型的特征,選擇底面作為XY平面,繪制與底面垂直的YZ平面,進行坐標系對齊。

4.2 模型重構

由于車載吸塵器是鏡像對稱結構,因此只需要重構1/2,再通過鏡像功能即可得到整體結構。通過領域劃分,利用曲面擬合命令擬合車載吸塵器的外表面,再通過剪切曲面、延長曲面等命令,得到1/2整體特征,并縫合實體。利用變化倒圓角功能構建車載吸塵器的提手部分特征,利用面片草圖、拉伸曲面、陣列、移動面、布爾運算等命令構建車載吸塵器的接口和吸風口等特征,最后通過縫合命令獲得三維實體。車載吸塵器模型重構結果如圖7所示。

▲圖7 模型重構結果

4.3 重構精度檢測

利用Geomagic Control三維自動化檢測軟件,可以對比三維計算機輔助設計模型與掃描數據之間二維特征和三維特征的精度,并生成檢測報告,工業上主要用于檢測加工后零件產品掃描數據與原始模型之間的尺寸和幾何形狀誤差。筆者對比逆向重構生成的實體數據和掃描的原始數據,以檢測逆向重構的模型精度是否合格,如圖8所示。

▲圖8 模型精度檢測

在軟件中分別導入處理后的車載吸塵器點云數據和逆向重構完成的三維實體模型,將點云數據設為參考對象,將實體模型設為測試對象,通過最佳擬合對齊命令,對齊坐標系,設置允許的公差為±0.1mm。整體精度對比時,色標部分表示誤差在公差允許的范圍內。同時可以在三維對比圖上進行三維點坐標注釋,并在頁面下方顯示出各注釋點的誤差,見表1。

表1 注釋點誤差

可以在參考模型上創建幾何公差,對比實體模型與原始點云數據的幾何誤差,如圖9和表2所示。通過對比可知,車載吸塵器上表面的輪廓度誤差合格,底面的平面度誤差超差。

▲圖9 幾何誤差對比

表2 幾何誤差

5 具體創新設計

車載吸塵器創新設計如圖10所示。為了解決車載吸塵器電源線長度不足的問題,在車載吸塵器底部設計凹槽電池倉。為保證電池的緊固,在電池倉中設計隔板與電池定位槽,保證電池的橫向固定與定位。設計電池蓋,保證電池倉內的電池方便取出,不易掉落。同時設計新型鴨嘴短管,鴨嘴短管開口小,可以用于清除車內夾角及小縫隙處的灰塵雜物。

▲圖10 創新設計

測量車載吸塵器接口尺寸,設計兩種不同直徑的軟管接頭,將設計的接頭模型轉換為.STL格式文件后,導入Cura切片軟件進行切片,利用三維模型的二維層片輪廓生成加工程序,使用熔融沉積模型桌面三維打印機,應用逐層疊加的方式實現普通精度的三維實體制造,打印時間為1.25 h。打印的兩種尺寸軟管接頭如圖11所示,與原車載吸塵器裝配后的整體效果如圖12所示。

▲圖11 三維打印軟管接頭

▲圖12 裝配整體效果

6 結束語

筆者將逆向工程和三維打印相結合,實現產品創新設計,效率高,速度快,能夠縮短產品研發周期,在機械設計行業具有廣泛的應用價值[9-10]。筆者以車載吸塵器為例,將逆向工程和三維打印相結合進行創新設計和制造,為后續的產品再制造提供了數據支持。如果生產的零件是小批量產品,那么不需要開模具,可以利用三維打印的方式直接制作產品,能夠縮短產品改型與創新設計的周期,更好地滿足用戶需求。