基于RE的玩具汽車模型重構及3D打印

夏會芳 湯 劍 吳 嬌 朱鳳霞 汪 芳

（武漢華夏理工學院 智能制造學院，武漢 430223）

隨著制造業全面轉型的快速推進，制造業已由原來的制造變為現在的智造，人們對制造的需求也越來越專業化、細節化，促使各種工業品更新迭代的速度越來越快。在這種背景下，傳統正向設計面臨著諸多困境，如設計所需時間長、設計效率低、對復雜曲面的設計能力不足以及產品設計成本較高等。因此，傳統的正向設計已經不能滿足人們的生活需要。針對上述問題，逆向設計有著很大的優越性[1]。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱之為反求工程或者逆向設計，主要是對已經存在的實物模型進行轉化，并以此作為基礎進行剖析、深化和二次創造，是一種分析方法和應用技術的組合[2-3]。本文基于逆向工程技術，先將玩具汽車轉化為三維模型數據，再通過3D打印得到汽車模型。

1 汽車點云數據采集

掃描前，需要對要掃描的物體進行處理[4]。首先，在汽車模型表面均勻噴一層顯像劑，如圖1所示。等顯像劑完全干燥后進行掃描，這樣掃描的點云數據效果較好，且適合建模。其次，將汽車模型放入托盤中央，通過掃描得到汽車模型的點云數據，如圖2所示。最后，保存所有的點云數據，將其拼接成為一個整體，如圖3所示，并保存數據待建模使用。

圖1 汽車模型

圖2 掃描過程

圖3 汽車完整點云數據

2 汽車點云數據處理

在三維掃描過程中，由于儀器受到外界環境因素（環境溫度、室內光線以及機器穩定性等）干擾而產生的跳點和被掃描物體的抖動或儀器設備的抖動而產生的干擾點稱之為噪點。噪點的存在將會對后續處理產生嚴重影響，因此在逆向建模前需要處理獲取的汽車模型點云數據。本文先用Geomagic Wrap軟件對點云數據進行統一采樣、減少噪點和網格劃分等處理后，將模型封裝成三角形面片模型，如圖4所示。通過去除特效、松弛多邊形以及孔填充等命令操作，得到一個表面光順的汽車模型。

圖4 模型封裝

3 逆向建模

逆向建模時，可以將處理好的模型數據導入Geomagic Design X軟件中進行模型重建。

3.1 領域劃分

領域劃分可以根據模型特征將三角形面片劃分為不同部分，并用領域技術使之后提取出的形狀更加準確，從而為之后的逆向建模打下基礎[5]。劃分模型領域時，先觀察汽車模型曲率，將曲率變化不大的部分劃分成一個區域，然后點擊領域菜單，選擇筆畫選擇模式，并用筆刷在同一個曲面上繪制領域，畫好后點擊插入，直到劃分好所有的曲面，如圖5所示。

圖5 領域劃分

3.2 面片擬合、剪切

通過領域進行面片擬合可以得到一個曲面。選擇模型模塊中的面片擬合命令，將上一步劃分好的領域通過面片擬合得到多個曲面，如圖6所示。將擬合的所有平面適當延長，然后進行曲面剪切，如圖7所示。剪切后可以得到模型的實體。

圖6 面片擬合

圖7 曲面剪切

3.3 曲面偏移、縫合

因為通過三維掃描得到的是汽車模型外殼的點云數據，所以通過曲面偏移可以得到一個具有厚度的殼。具體操作是先選擇曲面偏移命令，點擊要偏移的面，然后向內偏移2 mm；曲面偏移后，先將邊界的面適當延長，然后進行曲面縫合。最終得到的模型如圖8所示。

圖8 曲面縫合

3.4 鏡像、倒圓角

汽車模型可以看成是一個對稱的實體，因此做完汽車模型的一半后使用鏡像可以得到完整的汽車模型。鏡像完成后，將中間的凹槽采用放樣命令進行修復，將需要圓角的地方進行倒圓角，如圖9所示。最后，通過光順處理得到完整的汽車模型，如圖10所示。

圖9 倒圓角

圖10 光順處理

4 汽車模型3D打印

打印之前，先將汽車模型數據導入切片軟件中開始切片，切片分析如圖11所示。切片完成后，將數據導入儲存卡，然后插到3D打印機上進行3D打印，最終得到如圖12所示的汽車模型。

圖11 切片分析

圖12 3D打印實物

5 結語

汽車模型是一個復雜的空間薄壁殼體，按照傳統的正向設計模式所需要的時間長，產品設計效率低、成本較高、模式固定，設計完成后不能按照客戶的需求進行快速修改。基于逆向工程技術的設計方式可以快速獲得模型點云數據，并將其轉化為三維模型數據。結果表明，逆向設計可以極大地縮短產品研發周期，提高研發效率，降低研發成本。