逆向工程與3D打印技術在水槍鑄模中的應用＊

梁幼昌

（廣西現代職業技術學院，廣西河池 547000）

1 水槍逆向建模

1.1 數據采集及處理

利用Win3D掃描儀對水槍進行三維掃描，如圖1所示，該洗車水槍為鋁合金材質，掃描時表面會反射光線，影響正常的掃描效果，為獲得更理想的點云數據，需要噴涂一層顯像劑，噴粉距離約為30cm左右，盡可能薄且均勻。掃描前還需要粘貼標志點，以便進行拼接掃描，標志點盡量粘貼在平面區域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠一些，一般貼5～7個標志點為宜，且應使相機在盡可能多的角度可以同時看到。掃描過程中使用轉盤來對其進行拼接掃描，這樣更方便、快捷。

圖1 水槍點云數據采集

1.2 點云數據處理

采用Geomagic Wrap軟件對采集到的點云數據進行處理，快速把點云數據轉化為三角面片。首先進行點云處理，包括刪除“非連接項點”、“體外弧點”和“噪音點”。然后對點云數據封裝處理，使點云轉化為三角面片。水槍點云雖然轉化為三角面片，但是三角面片還不夠光滑、有漏洞等，還需進行“刪除釘狀物”及“填充孔”等處理，點云數據處理結果如圖2所示。

圖2 點云最終處理效果

1.3 逆向建模

水槍三角面片后，還需經過Geomagic Design X軟件逆向建模得到實體模型。

水槍的結構可以分為手柄、槍體、噴頭和彈簧蓋4部分組成，其中手柄和槍體部分由不規則曲面構成，需要利用片面擬合創建曲面，具體的建模步驟如下：

（1）將水槍STL模型導入軟件，并創建坐標系。

（2）手柄及槍體的構建：這兩部分的頂面是曲面，需要手動合理劃分領域組，如圖3所示，然后利用“面片擬合”創建自由曲面。側面通過繪圖輪廓線拉伸出曲，如圖4所示，利用“剪切”命令修剪多余的曲面。槍體和手柄通過放樣連接過渡，手柄尾部第一層特征和第二層特征也需要通過放樣進行連接，如圖5所示。將所有曲面創建完成后合并為實體，最終重構完成水槍實體模型，如圖6所示。

圖3 領域劃分

圖4 側面和頂面

圖5 一、二層連接

圖6 實體模型

（3）噴頭部分的構建：此處特征為回旋體，利用面片草圖命令求得輪廓線，并使用回旋命令完成噴頭的構建，與主體部分合并。

（4）彈簧蓋部分的構建：利用面片命令求得圓的直徑，并創建拉伸體。

（5）將手柄、噴頭、彈簧蓋所有特征合成一個實體，并進行倒角。

1.4 偏差分析

為了檢驗逆向建模的精度，采用Geomagic Control對逆向建模實體與三維掃描的模型進行對比，分析實體建模存在的偏差，如圖7所示。將經過Geomagic Wrap處理后的點云數據.STL文件和經過Design X建模后的.STP文件，同時導入到Control軟件中，然后將兩個導進來的模型進行位置“最佳擬合對齊”，并將要分析的最大臨界值設置為0.5mm，最小臨界值設置為-0.5mm。將最大名義值設置為0.01mm，最小名義值設置為-0.01。軟件處理從三維掃描儀采集的點云數據后，利用豐富的數據自動生成易解讀的偏差色譜圖，并自動詳細分析零件，根據分析的結果進行逆向建模三維模型的修改，達到設計精度的要求。

圖7 水槍偏差分析

2 水槍模樣及芯盒設計

根據水槍的功能要求并結合鑄造工藝性優化水槍內部結構，然后設計水槍的模樣和芯盒。水槍由外部成型和內部成型兩部分組成，其中水槍外形成型的砂型需要用到模樣，此模樣采用3D打印制造，這樣能減少模樣制造的時間和制造成本。模樣的分模面在水槍最大截面處，且為平直的面，采用這樣的分型面便于脫模及造型。模樣上設計有芯頭，目的是讓模樣能在型腔中準確定位。根據水槍的結構特點設計了3個芯頭，如圖8所示。

圖8 水槍模樣

按照水槍的功能要求設計出水槍內腔，其分為3部分：槍頭處內腔、彈簧處內腔及手柄處內腔。為獲得水槍的內腔設計了3個型芯，如圖9所示，在鑄造時用芯砂安放在對應的型腔內部，造芯需要用到芯盒，如圖10所示，此芯盒采用PLA材料進行3D打印制造。

圖9 水槍內部型芯

圖10 彈簧處內腔砂芯芯盒

3 3D打印水槍模樣

3D打印是將粉末狀金屬或塑料等材料，通過逐層堆疊的來構成實物的技術。本案例采用的是FDM（Fused Deposition Modeling）熔融沉積成形。采用絲狀熱塑性PLA塑料，連續地送入噴頭后在其中加熱熔融并擠出噴嘴，逐層打印堆積成形。

打印前首先要對水槍三維模型進行切片處理，切片軟件采用Cura。把水槍模樣.STL模型導入Cura軟件中，設置切片層厚度0.2mm，層厚就是每片分層的厚度，層厚決定了3D打印的精度，特別是表面精度，如果層厚越小，打印的物品就相對精度高，表面紋理就越好。設置打印溫度，由于采用PLA塑料打印，根據塑料的特性，設置打印溫度為210°；根據水槍模樣結構特點，選擇支撐類型為none，平臺附著類型為Raft；設置參數后將切片數據導入3D打印機進行打印，打印出來的水槍模樣表面比較光滑，無凹陷及翹曲變形。打印的結果如圖11所示。

圖11 3D打印的水槍模樣

4 結語

通過采用逆向工程和3D打印技術制造出來的水槍模樣，與采用傳統砂型鑄造技術相對比，具有以下的特點：

當只有水槍產品實物，但是缺乏產品的三維模型和二維圖紙等相關技術文件時，采用逆向工程技術通過點云數據采集和點云數據重構，能實現產品的三維模型的快速創建，并在此基礎上進行水槍內部結構的優化設計，從而縮短了水槍三維模型設計的周期。

采用3D打印技術制造水槍模樣與采用傳統機加工方法生產木模相比，能簡化模樣的制造工藝，從而縮短模樣的制造周期和降低生產成本。此外還解決了使用木模容易變形和開裂的問題。砂型鑄造技術與逆向工程技術和3D打印技術相結合，不僅可以減少模樣的制造時間，降低成本，同時也為快速模具制造提供了一種新思路新方法。