基于逆向工程的汽車發動機艙蓋零件的快速成型＊

陳福德

（1.山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034；2.山東華宇工學院 智能制造裝備設計工程技術研發中心，山東 德州 253034）

引言

三維數據掃描，是通過特定的測量設備和測量方法，將物體的表面形狀轉換成離散的幾何點坐標數據。逆向工程是根據已有實物（或模型），通過數據采集、數據處理等手段，將其轉化成三維數字模型，并對模型進行的重構、評價、改進，最終得到產品設計圖紙。3D打印技術是基于“離散/堆積成型”的思想，用層層加工的方法將成型材料“堆積”而形成實體零件，因其產品制造的集成化、快速化、自動化等優點，廣泛應用于機械、醫療、汽車、藝術、航空航天等領域。本文基于三維掃描與逆向工程技術，以汽車發動機艙蓋為載體，探討了產品數據掃描、點云處理、逆向設計及快速成型工藝過程，如圖1所示。

1 數據掃描

本文以HSCAN系列手持激光掃描儀為例，介紹掃描具體過程。掃描前，需完成掃描儀標定，在物體表面粘貼標記點（必要時需在物體表面噴涂顯像劑）。掃描前先設置掃描解析度和曝光參數。解析度越小，掃描細節越豐富，數據量也越大。掃描物體反光，顏色較深時，可適度調高曝光參數。手持式激光掃描儀有掃描標記點和掃描激光點兩個選項。實際掃描時，先掃描標記點，掃描完成后保存成*.UMK標記點文件格式，然后在標記點數據基礎上繼再掃描激光點，掃描完成后通過網格命令生成網格模型，并保存為*.STL三角網格文件，如圖2所示。

圖1 逆向與快速成型工藝過程

2 數據處理

在Geomagic Design X軟件中導入掃描獲取的汽車發動機艙蓋零件點云數據，其數據處理過程如下：導入數據模型，利用“修補精靈”來檢索面片模型上的缺陷，如重疊單元面、懸掛的單元面、非流形單元面等，并自動修復各種缺陷。使用“加強形狀”功能銳化面片上的尖銳區域（棱角），同時平滑平面或圓柱區域，提高面片的質量。根據面片的特征形狀，設置單元邊線的長度好平滑度來優化面片。通過平滑操作消除面片上的雜點，降低面片的粗糙度。將數據保存為*.STL三角網格文件，如圖3所示。

圖3 汽車發動機艙蓋零件的數據處理

3 逆向設計及質量評估

汽車發動機艙蓋采用ICEM Surf軟件進行逆向建模，如圖4所示。在獲取處理好的點云數據后，根據樣件的結構特征進行逆向設計。根據精度和形面復雜程度的不同，通常有兩種設計方法：一種是基于三角面片直接建模，另一種是采用參數曲面建模或擬合NURBS建模。

圖4 汽車發動機艙蓋零件的逆向建模

對于精度要求較低的、形面復雜樣產品的逆向開發，常采用第一種方式；對于精度要求較高、形面復雜樣件的逆向設計，一般采用第二種方法，以點云數據為基礎，由點到線、由線至面、由面成體，構建其三維模型。對點云數據領域劃分，得到不同顏色、形狀的幾何特征，規則的幾何特征通過自動識別其領域、繪制特征線、提取截面線等方式，運用正向建模方法創建模型；不規則的幾何特征，通過提取特征輪廓曲線、構建曲面網格、擬合曲面的方法創建模型。檢測重構的模型，通過質量判定，其外觀光順度較好，模型與原點云數據的偏差控制在允許范圍內。數據完整，構造特征還原度高，符合要求，精度較好。

4 3D打印成型

利用3D打印技術對構建的汽車發動機艙蓋零件模型進行打印，打印機類型為熔融沉積3D打印機，打印材料為PLA，切片軟件為Cura切片軟件。其打印過程如下：將STL格式模型數據導入切片軟件，調整模型的位置，確定零件擺放方位，設置生成支撐類型及打印參數，利用切片軟件進行離散分層生成加工路徑。然后對將打印機進行初始化，檢查打印噴頭是否正常吐絲，校準打印機噴頭高度（與打印平臺之間的高度），打印機平臺調平。將汽車發動機艙蓋零件*.GODE路徑文件導入打印機，3D打印機根據切片生成的截面路徑由底往上逐層打印（由點到線，由線到面），打印完成后，將模型取出，需進行支撐去除、表面打磨、拋光、珠光處理、上色等后處理工作，獲得最終的產品，如圖5所示。

圖5 打印好的汽車發動機艙蓋

5 結語

本文以汽車發動機艙蓋零件為例，介紹了逆向工程與快速成型的工藝流程，使用手持激光掃描儀獲得汽車發動機艙蓋零件的點云數據，利用Geomagic Design X軟件對采集的點云數據進行優化處理，利用ICEM Surf軟件進行逆向建模，通過 Cura切片軟件對構建的模型進行離散分層生成加工路徑，最后將得到的三維數據導入熔融沉積3D打印機中，并打印出汽車發動機艙蓋零件的實體。逆向工程不是簡單地復制實物，而是在原有實物的基礎上進行二次創新，利用 3D打印技術能快速地將設計思想轉化為實物，這種基于逆向工程與3D打印的機械零部件的快速成型設計方式，可以應用于產品的結構優化與創新設計中，能極大地縮短新產品設計研發周期、降低開發成本、提高生產效率。