基于3D打印與逆向工程技術(shù)的項(xiàng)目教學(xué)

朱笛

摘 要 本文結(jié)合3D打印技術(shù)與逆向工程技術(shù)的特點(diǎn)，制定項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施方案。項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容包含Handyscan三維掃描儀對(duì)零件實(shí)物進(jìn)行掃描，通過Geomagic Studio軟件進(jìn)行逆向建模（三維數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云處理），再通過UG軟件進(jìn)行模型實(shí)體建構(gòu)，最后通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件實(shí)物的快速成型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速制造。該項(xiàng)目教學(xué)提高和促進(jìn)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的認(rèn)知和創(chuàng)新制作能力具有積極的作用。

關(guān)鍵詞 3D打印 逆向工程 數(shù)據(jù)采集 快速制造

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展針對(duì)提高產(chǎn)品的開發(fā)速度而提出的虛擬制造、逆向工程等先進(jìn)制造技術(shù)，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生產(chǎn)模式。3D打印技術(shù)在當(dāng)今的制造領(lǐng)域掀起了一股熱潮，有取代當(dāng)今加工工藝的趨勢(shì)，其發(fā)展勢(shì)頭不可擋;鑒于此，基于3D打印技術(shù)與逆向工程建模的項(xiàng)目教學(xué)將成為培養(yǎng)學(xué)生提高制造技術(shù)的實(shí)踐能力和學(xué)生適應(yīng)先進(jìn)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)的重要方式與手段。本項(xiàng)目教學(xué)主要采用的是Handyscan三維掃描儀對(duì)零件實(shí)物進(jìn)行掃描，再通過Geomagic Studio軟件進(jìn)行逆向建模從而實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建，最后通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件實(shí)物的快速成型。通過本項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生可掌握3D打印快速成型技術(shù)與逆向工程建模技術(shù)，提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的認(rèn)知。

1逆向工程及其建模

所謂逆向工程（Reverse Engineering，簡(jiǎn)稱RE）是相對(duì)正向工程技術(shù)而言的。正向工程技術(shù)就是先由工程師設(shè)計(jì)產(chǎn)品的二維或三維圖紙，然后根據(jù)圖紙進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)或制造。而逆向工程技術(shù)，就是指在沒有產(chǎn)品原始圖樣的情況下，利用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)手段，對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過三維軟件來(lái)構(gòu)建實(shí)物的CAD模型，最后制造出產(chǎn)品的過程。逆向工程技術(shù)能快速建立新產(chǎn)品的數(shù)據(jù)化模型，大大縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，提高企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。

1.1三維掃描的原理

三維掃描是逆向建模的重要過程，是獲取模型三維數(shù)據(jù)的重要途徑。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中掃描原理是基于數(shù)字光柵投 影的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)，它是由一個(gè)數(shù)字光柵投影裝置和兩個(gè)CCD攝像機(jī)組成，掃描時(shí)首先由數(shù)字光柵投影 裝置向被測(cè)物體投射一組光柵圖像，同時(shí)使用CCD攝像機(jī)拍攝被測(cè)物表面上的光柵圖像，根據(jù)相位計(jì)算方法得到光柵圖像的絕對(duì)相位值，此掃描系統(tǒng)包含參數(shù)設(shè)定、相位計(jì)算。

1.2三維數(shù)據(jù)的采集

三維數(shù)據(jù)采集是逆向工程建模的重要技術(shù)之一，在本項(xiàng)目教學(xué)中是基于Handyscan掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。首先對(duì)被掃描的工件進(jìn)行準(zhǔn)備，即貼定位點(diǎn);其次把掃描儀和電腦連接好，將掃描儀的參數(shù)調(diào)試好;再打開對(duì)應(yīng)掃描儀軟件進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，設(shè)定參數(shù)拼接方式等;最后進(jìn)行掃描，經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)測(cè)量獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用“Save session”選項(xiàng)來(lái)保存整個(gè)掃描以備以后在VXSCAN中進(jìn)行編輯。

1.3處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中應(yīng)用軟件是Geomagic Studio，該軟件展現(xiàn)出了其逆向建模技術(shù)，可對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何形狀重構(gòu)，再通過建模工具對(duì)實(shí)體特征進(jìn)行再編輯從而實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)。

點(diǎn)云處理首先將點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio;先進(jìn)行全局注冊(cè)調(diào)整最大迭代數(shù)和采樣大小，接著合并點(diǎn)，觀察模型管理器 ，再去除體外孤點(diǎn)，統(tǒng)一采樣，封裝成多邊形，在數(shù)據(jù)模型的底部創(chuàng)建輔助平面，然后使數(shù)據(jù)模型放水平，調(diào)整數(shù)據(jù)模型在XY平面上的水平位置;最后導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

1.4模型實(shí)體的建構(gòu)

UG軟件針對(duì)點(diǎn)云處理進(jìn)行網(wǎng)格編輯，內(nèi)外孔的填補(bǔ)及邊界修補(bǔ)，對(duì)于表面不規(guī)則的自由曲面，可以在此軟件的草圖編輯模式下編輯其二維截面輪廓線，再進(jìn)行拉伸等方式編輯，最后實(shí)現(xiàn)三維模型的重構(gòu)。

2基于3D打印技術(shù)的快速成型

3D打印技術(shù)又叫快速成型技術(shù)，即Rapid Prototyping（簡(jiǎn)稱RP技術(shù)）?？焖俪尚图夹g(shù)是上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，它是在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來(lái)的。

2.1 3D打印技術(shù)的原理

RP技術(shù)的基本原理是：將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)此信息控制激光器（或噴嘴），有選擇地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料（或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑），形成一系列具有一個(gè)微小厚度的片狀實(shí)體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品樣件或模型。

2.2快速成型的過程

3D 打印成型的過程主要有建模、切片分層、輸出打印成型、后處理四個(gè)部分。首先經(jīng)過三維掃描逆向建模，并將其轉(zhuǎn)化為STL的格式文件;對(duì)應(yīng)的模型輸入電腦后進(jìn)行切片分層處理，切片軟件使用的CURA軟件，對(duì)模型的比例大小、放置方向、切片厚度等參數(shù)設(shè)置;分層處理后將數(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)中，由打印機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)部分完成逐層堆積成型;最后根據(jù)模型要求進(jìn)行后處理。

3結(jié)語(yǔ)

對(duì)于本任務(wù)教學(xué)，從實(shí)物零件原始數(shù)據(jù)收集到三維模型重構(gòu)最后3D打印，建立了3D打印技術(shù)與逆向工程建模新方式，讓學(xué)生掌握了三維掃描、模型重建、3D打印的方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化制造技術(shù)的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

通過對(duì)3D打印及逆向工程技術(shù)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，構(gòu)建了以學(xué)生為中心，以應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以現(xiàn)代教育技術(shù)為支撐的教學(xué)環(huán)境。形成“理論-實(shí)操-上機(jī)”集成的一體化教學(xué)特色，以學(xué)生為中心的實(shí)踐型、互動(dòng)性和自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，突出培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。以當(dāng)前企業(yè)需求為導(dǎo)向，確保教學(xué)的先進(jìn)性與實(shí)用性，從逆向工程流程的全局出發(fā)，注重學(xué)習(xí)新型測(cè)量設(shè)備的使用、數(shù)據(jù)處理軟件的使用、逆向建模軟件的使用和快速成型設(shè)備的操作。全面掌握逆向工程整個(gè)流程所需知識(shí)，充分利用實(shí)操設(shè)備著重工程實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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