3D技術在機械零部件逆向工程中的應用分析

陳卓

摘要：通過3D掃描對機械零部件相應的點云數據進行獲取，并運用數據處理技術，結合逆向軟件設計，對二維圖形和三維視圖進行獲取，再將逆向設計構建的模型對3D打印機進行導入，即能快速實現成型制造。該技術對裝配實驗、機械零部件設計以及小批量生產具有較強的適用性。本文淺析了3D技術概況，并結合相關案例探究了3D技術在機械零部件逆向工程中的應用。

關鍵詞：3D技術;逆向工程;機械零部件

前言：在機械制造領域中，逆向工程是指根據實物模型，測取相關數據，在此基礎上對二維和三維CAD模型進行直接構造，并在設計制造中加以應用。當前，3D掃描和打印技術日益發展完善，加速了機械零部件的設計制造，摒棄了設計周期較長、制模步驟繁瑣的傳統模式，3D技術特有的制造模式，為機械領域三維制造提供了高效的全新路線。

一、3D技術概述

3D技術，主要包括兩大內容，一是3D數據采集技術，二是3D成型技術。前者包括兩類技術，一類是機械式三坐標采集技術，一類是激光掃描采集技術。其中，常規采集通常借助傳統量具對零件尺寸進行直接測量，效率較為低下，且極易產生較大誤差;激光掃描采集，通常借助三維激光掃描儀，并結合三坐標測量儀，通過激光掃描儀對產品表面相應的點云進行獲取，并結合相關拼接和擬合軟件，對產品實施數字化的三維建模[1]。3D成型技術主要分為兩類，一類是3D打印技術，一類是3D機械加工技術。3D打印主要包括熔融擠壓、粒狀物料成型以及光聚合打印等技術。

1、3D數據采集技術

3D激光掃描技術在諸多領域得到了日漸廣泛的應用。該技術通過激光測距的基本原理，對大量存在于被測物體表面的密集點相應的紋理、反射率和三維坐標進行記錄，實現對被測目標相應的圖件數據以及三維模型的快速構建[2]。

3D掃描儀主要包括動作捕捉儀、數據處理器、激光掃描頭以及移動工作站等構成部分。激光發射器將一組或者數組激光向被測零部件發射，被測零部件將激光反射后，由傳感器對之進行捕捉，并經過工作站以及數據處理器的處理，實現點云模型數據的良好生成[3]。

通過3D激光進行掃描，要在旋轉平臺上放置零部件，并在測量平臺上正確放置旋轉平臺，確保測量平臺始終出現在動作捕捉儀相應的可視范圍內;通過動作捕捉儀對掃描頭與被掃描零部件二者的相對位置進行確定。激光發射器將激光發射至物體表面，物體反射激光后，由激光接收儀對之進行接收，并向處理器傳輸。在移動工作站上，對數據進行計算處理，據此實現對數據模型的有效生成。

2、3D打印

從打印原理上看，3D打印機類似與傳統打印機。但是，就傳統打印機而言，其打印噴頭僅能在X方向和Y方向自由移動;而3D打印機的噴頭，能實現在X、Y、Z三個坐標中的自由移動。將三維模型導入3D打印機后，即能通過控制器，對機械零部件實施3D打印。另外，3D打印由電腦控制打印機，并通過重復疊加將打印材料按照三維圖形，生成相應的立體實物。

二、3D技術在機械零部件逆向工程中的應用

機械零部件逆向工程，是指對機械零部件產品的逆向研究和再現。在逆向工程中，能獲取機械零部件在組成結構、具體功能以及處理流程等方面的基本數據，有助于再利用機械零部件的優勢，并增強機械零部件的產品功能。在機械零部件逆向工程中，對3D技術進行應用，便于觀察零部件細節和保留零部件，能對零部件強化細節處理。3D技術通過電腦運作激光掃描，能基于對機械零部件的良好固定，獲取精準性較強的掃描結果，其打印模型能完美再現機械零部件的具體細節，對于機械零部件的精準再造具有重要作用。

本文以3D打印礦山排水用葉輪為例，探究3D打印技術在機械零部件逆向工程中的應用。

1、三維掃描

三維掃描主要包括如下步驟：（1）對礦山排水用葉輪進行選取，對損壞零部件進行觀察，據此對掃描方案進行確定。（2）清理測量的機械零部件，將零件表面存在的污漬清除，實現準確的數據采集;開展三維掃描，將控制標靶貼在零部件表面，實施掃描，將4到5個控制標靶貼在其表面，幫助動作捕捉儀對零件具體的空間位置進行定位。手持便攜式激光掃描頭從上、下、左、右、前、后等方位分別對零件各部分進行掃描，要確保被測零件與激光探頭全程出現于動作捕捉儀的固定視野，確保動作捕捉儀與激光探頭保持暢通的通信，防止信號質量差導致數據采集出現錯誤。激光探頭完成數據采集后，由處理器對數據進行處理，并對工作站進行輸送，在計算機屏幕上形成三維掃描，并形成可視化的三維圖形成像和相關記錄，促進人機交流。借助處理軟件VX對三維數據進行處理，將生產所需的相應的點云格式導出。

2、對數據進行處理并建模

前期完成數據掃描后，要在后期對之進行處理并建模。將數據導入Geomagic Studio中按照步驟實施降噪以及數據精簡處理，將處理后的數據導入CATIA軟件中，實施有效的曲面重構，對掃描過程中存在的數據誤差進行甄別，實現對掃描誤差的人為控制;對零件存在破損的部分，實施有效的數據修復，獲取良好的三維模型相關數據。將獲取的三維數據對3D打印機直接導入，據此實施打印。

3、3D打印

可按照兩種方案3D打印排水用葉輪。方案1：借助3D打印技術，并與反模鑄造技術相結合;方案2：直接通過3D金屬打印機對金屬零件的毛坯進行打印，再實施精加工。可運用ABS工程塑料將機械零部件的相應模型打印出來。

結語

綜上所述，在機械零部件逆向工程中應用3D技術，能實現對三維數據的準確獲取，并構建逆向設計三維模型，還能借助3D打印小批量地制造加工機械零部件，避免零件損壞影響設備的正常運行。

參考文獻

[1]康宇翔. 3D技術在機械零部件逆向工程中的應用探討[J]. 廣東蠶業， 2017， v.51（12）：24-24.

[2]郭曉鑫. 3D技術在機械零部件逆向工程中的應用與探究[J]. 現代制造技術與裝備， 2018， （8）：93，96.

[3]楊航. 3D技術在機械零部件逆向工程中的應用[J]. 能源與環保， 2015（1）：92-94.