基于3D 打印與逆向工程技術(shù)的車床手輪快速成型

陳福德

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

三維掃描是采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。測量時(shí)光柵投影裝置投影特定編碼的光柵條紋到待測物體上，成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步采集相應(yīng)圖象，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖象進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理，解算出兩個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過三維掃描儀軟件界面可以實(shí)時(shí)觀測左右相機(jī)圖像以及生成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。

3D 打印是利用CAD 軟件將模型轉(zhuǎn)化為STL 數(shù)據(jù)，利用切片軟件對(duì)STL 文件進(jìn)行離散分層，生成各層面掃描信息，3D 打印機(jī)根據(jù)每層截面信息逐層堆積材料，從而完成整個(gè)產(chǎn)品的疊加制造過程。本文基于三維掃描、逆向設(shè)計(jì)與3D 打印技術(shù)，主要介紹了車床滑板手輪的數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、面片處理、逆向建模、3D 打印等逆向設(shè)計(jì)流程，為產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)及快速成型提供重要參考。

1 獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本文使用的是先臨三維掃描儀，三維掃描軟件是與三維掃描儀配套使用的，因此在啟動(dòng)軟件時(shí)，要確定硬件連接正確，接通所有硬件的電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，三維掃描儀。軟件的操作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)操作流程圖

打開3Dscan 掃描軟件，新建工程，按照標(biāo)定步驟對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定。手輪是黑色的，掃描時(shí)需要噴粉，如圖2 所示，噴粉時(shí)需注意需待噴涂表面晾干后，再進(jìn)行翻面（戴一次性手套）。在系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)整或運(yùn)輸過程中產(chǎn)生嚴(yán)重震動(dòng)的情況下，都需要重新標(biāo)定，以保證掃描系統(tǒng)的精度。

圖2 噴粉

手輪掃描主要面為正反兩面，需要使用側(cè)面作為過渡面，在零件表面貼標(biāo)識(shí)點(diǎn)的思路為：通過正面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)掃描出側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)（至少3 個(gè)），如圖3所示，再通過側(cè)面的公共標(biāo)識(shí)點(diǎn)掃描反面。標(biāo)志點(diǎn)盡量要隨機(jī)貼在物體表面上的平坦區(qū)域，與曲面每邊邊緣的距離保持在12 mm，兩兩相鄰標(biāo)志點(diǎn)的最小距離應(yīng)保持在20 mm～100 mm 之間，標(biāo)志點(diǎn)盡量不要貼在一條直線上。調(diào)整掃描距離及角度，使得正面和側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)可一次性掃描完整。掃描操作按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行單幀掃描，在顯示界面顯示三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。調(diào)整零件的傾斜角度，在相機(jī)預(yù)覽窗口觀察，當(dāng)正面與側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)同時(shí)可以被相機(jī)拍到即可，每次旋轉(zhuǎn)零件90°，完成正面、側(cè)面和背面的掃描（圖4），保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 貼標(biāo)記點(diǎn)

圖4 各面掃描結(jié)果

2 數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云處理的目的是將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面片，為逆向建模做基礎(chǔ)。打開Geomagic Studio 軟件，導(dǎo)入手輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采樣比率100%，單位mm。著色處理，設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心，便于操作；刪除多余的點(diǎn)云，多角度觀察；刪除體外孤點(diǎn)，重復(fù)3 次；斷開組件連接，重復(fù)3 次；分割設(shè)置為低，尺寸5，選出非連接部分刪除；減少噪音，平弧度水平設(shè)置2 或3，迭代次數(shù)5，偏差限制0.15 mm；減少點(diǎn)源，進(jìn)行封裝，封裝后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面片形式，但是不夠光順，需要進(jìn)行面片處理，并輸出*.stl 格式。利用Geomagic Design 軟件完成手輪的逆向建模，如圖5 所示。顯示面片，顯示實(shí)體，打開“Accuracy Analyzer”對(duì)話框，選擇“偏差”，觀察與原模型對(duì)比的誤差，如圖6 所示。如果有大面積嚴(yán)重偏差，或者總體偏差傾向大或者小，需要修改模型[2]。

圖5 建模

圖6 模型分析

3 3D 打印

手輪模型設(shè)計(jì)完成后，將導(dǎo)出的STL 模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片處理，使得3D 打印機(jī)能夠識(shí)別文件，然后按照每一層的文件進(jìn)行逐層打印。打開切片軟件Cura_15.04.6，將STL 模型載入軟件中，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置合適的打印參數(shù)，完成切片處理。因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)中，部分地方需要支撐，設(shè)置時(shí)需注意支撐選擇。

按照PLA 材料特點(diǎn)，為增加粘附力，溫度設(shè)置為200 ℃；采用標(biāo)準(zhǔn)打印質(zhì)量，層高設(shè)定為0.25 mm，保證打印速度；外周殼數(shù)量設(shè)定為2，封底層數(shù)和封頂層數(shù)設(shè)置為3，保證有足夠的強(qiáng)度；填充設(shè)置為20%，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，提高打印效率；打印速度設(shè)置為50 mm/s，空走速度設(shè)置為90 mm·s-1，這樣既不影響打印質(zhì)量，又能保證打印效率；打印參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊確定，切片軟件開始對(duì)模型進(jìn)行切片處理，并估算打印時(shí)間和消耗耗材長度，此時(shí)可開始正式打印[3]。

開始打印模型前需檢查打印的工作狀態(tài)，打印材料是否正常，是否有斷絲的情況，打印噴頭是否通暢，打印平臺(tái)是否平整。可通過USB 數(shù)據(jù)線在線打印或SD 卡離線打印。將保存有G-code 路徑文件的SD卡插入打印機(jī)卡槽，啟動(dòng)FDM 打印機(jī)，打印平臺(tái)調(diào)平，高度調(diào)整，打印機(jī)預(yù)熱，加熱至打印設(shè)置溫度，開始打印，打印機(jī)按照切片分層生成的路徑逐層堆積成型，如圖7 所示。模型打印完成后，將其從打印平臺(tái)取下，去除打印支撐，進(jìn)行表面處理。

圖7 打印模型

4 結(jié)語

手輪掃描的是正反兩面，需要使用側(cè)面作為過渡面。掃描前需對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定，在模型表面均勻合理的粘貼標(biāo)識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行掃描獲取完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理將其轉(zhuǎn)化為面片，將封裝后的數(shù)據(jù)進(jìn)行面片處理，保存為*.stl 格式，利用Geomagic軟件進(jìn)行逆向建模并分析，利用Cura 切片軟件設(shè)置合適參數(shù)后，對(duì)模型切片分層生成Gcode 代碼。將數(shù)據(jù)載入打印機(jī)，平臺(tái)調(diào)平，調(diào)整高度，預(yù)熱后，打印機(jī)有選擇地逐層堆積成型。