基于Geomagic Design X的產品建模研究與3D打印成型

摘要： 以工業(yè)產品設計為對象，采用某國產手持激光3D掃描儀獲取模型點云數(shù)據，結合Geomagic Design X軟件介紹逆向設計方法與工業(yè)產品逆向建模過程，采用3D打印技術進行快速制造完成產品驗證。為產品建模優(yōu)化與成型提供思路和方法，減少產品開發(fā)周期。實踐證明采用Geomagic Design X軟件可以快速高質量的完成產品模型的重構設計，3D打印可以實現(xiàn)模型的再現(xiàn)驗證設計。

Abstract： It is an object with the industrial product design， obtaining the model point cloud data by adopttingdomestic hand-held laser 3D scanner， which combined with the Geomagic Design X software introducing modern reverse design method and the industrial product reverse modeling process， 3D printing technology is used for rapid manufacturing to complete product verification. Which can provide ideas and methods for product to mode， reducing product development cycles. Practice has proved that the Geomagic Design X software can quickly deal with the human body complicated surface model design with high quality， and the 3D printing can represent the prototype.

關鍵詞： 逆向設計;Geomagic Design X;3D掃描;3D打印;產品建模

Key words： reverse design;Geomagic Design X;3D scanning;3D printing;product modeling

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0001-03

0? 引言

中國要從制造大國變?yōu)橹窃鞆妵枰粩嗵嵘圃焖?，使用新工藝新技術淘汰低端制造過程，不斷開發(fā)新產品，提升產品生產效率，降低生產成本，滿足市場需求，那么如何快速的進行產品創(chuàng)新設計與制造顯得尤為重要。逆向工程技術已經成為聯(lián)系新產品開發(fā)過程中各種先進技術的紐帶，成為消化和吸收先進技術、改型與創(chuàng)新設計，實現(xiàn)新產品快速開發(fā)的重要技術手段，在工業(yè)生產中應用越來越廣泛。

至今前人已對逆向工程做了大量的研究，本文將以摩托車連桿作為案例來介紹逆向工程技術與增材制造（AM）3D打印技術相結合的過程。

1? 逆向設計方法

1.1 逆向工程CAD建模軟件介紹

在逆向工程技術領域，比較著名的逆向軟件有美國EDS 公司出品Imageware軟件，英國DELCAM公司出品CopyCAD軟件，美國 Raindrop公司出品Geomagic Studio軟件，韓國INUS 公司出品RapidForm軟件，它們并稱為全球四大逆向軟件。后來美國3D Systems公司收購了Geomagic Studio軟件和RapidForm軟件，為避免之前軟件功能同質化，經產品線整合保留Geomagic品牌，推出了三個模塊分別為Geomagic Design X， GeomagicControl X， GeomagicWrap。

Geomagic Wrap主要用于掃描點云數(shù)據處理，Geomagic Design X主要用于參數(shù)化逆向建模，Geomagic Control X主要用于自動化三維檢測。Geomagic Design X與其他三維CAD軟件的不同點在于Design X的重點是逆向，具備正向功能，而其他三維CAD軟件的重點是正向，個別CAD軟件具備逆向模塊/功能，比如CATIA和NX軟件。

1.2 逆向工程流程

1.2.1 逆向工程定義

逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向設計也稱反求工程或反求設計。它是將實物轉變?yōu)镃AD模型的相關的數(shù)字化技術，幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱[4]，是將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程，其主要包括獲取數(shù)據，數(shù)據處理，重建原型CAD模型，創(chuàng)新優(yōu)化設計，實物制造幾個階段[5]。其工作流程如圖1。

1.2.2 Geomagic Design X混合建模處理流程

Geomagic Design X具有強大的點云和三角面片處理功能，是基于歷史參數(shù)化進行逆向設計創(chuàng)建原始模型，即使掃描不完整也可以進行正向建模;能快速進行自動化設計，比如智能向導從掃描數(shù)據創(chuàng)建CAD特征，同時具備正向和逆向的混合實體和曲面建模功能，使用Accuracy Analyzer偏差功能確保模型創(chuàng)建精度。Geomagic Design X中混合建模處理流程如圖2。

2? 連桿逆向建模過程

2.1 連桿點云數(shù)據獲取

采用國產杭州思看PRINCE775手持式激光掃描儀完成連桿數(shù)據掃描，該掃描儀擁有7束交叉的紅色激光用于大面積掃描，1束單獨工作的紅光激光用于補掃深孔等結構，5束平行藍光用于產品上的細節(jié)掃描，掃描精度可達0.03。

該連桿表面顏色是深灰色，根據掃描儀的功能特點，所以不噴顯像劑，直接使用“黑色物體”掃描模式，采用背景模式，利用標準模式+精掃模式完成主體和細節(jié)字母的掃描，掃描參數(shù)設置解析度為0.5mm，曝光為1.0ms，掃描物體設為黑色，掃描環(huán)境選擇弱光，景深選擇精細，使用高反光普通標記點，半徑為1.43mm，延伸范圍0.5mm，專業(yè)參數(shù)選擇默認。獲取ASC格式的點云數(shù)據如圖3。

2.2 連桿數(shù)據后期處

2.2.1 點云數(shù)據點階段預處理

由于是采用高精度的便攜式激光掃描儀進行數(shù)據獲取，點云質量較好，且點云數(shù)據是完整的單片數(shù)據如圖4，所以在點處理階段比較簡單。不同以往采用支架式的白光或藍光光柵拍照式掃描儀獲取的點云數(shù)據有很多噪點和多次翻面掃描造成的拼接誤差，或者采集過程中環(huán)境光線原因造成數(shù)據不全。該點云數(shù)據在Design X軟件中導入后無需過多處理。如果有大量的噪點、雜點可以使用其中的 “雜點消除”“采樣”“平滑”等命令進行處理。點云處理的好壞直接關系到模型逆向精度，所以這個點處理環(huán)節(jié)非常重要。

2.2.2 多邊形片面處理

使用“單元化“命令完成點到三角面片化有四種方式，即2D單元化，3D單元化，構造面片，高清面片構建。一般選擇3D單元化和高清面片構建。他們的區(qū)別在于3D單元不會自動進行補孔，保留在掃描時貼標記點形成的孔洞，以及掃描連桿上很小的數(shù)字編號和字母區(qū)域時存在的掃描盲區(qū)導致的破孔，使用高清面片命令會自動完成模型表面的補孔處理，但有些局部區(qū)域自動補孔不太適合需要再次修改，對于連桿字母標識區(qū)自動補孔效果好，使用“填孔”“刪除特征”命令補孔，利用“修補精靈”命令對連桿字母區(qū)域進行修復，最后使用“優(yōu)化”命令提高三角面片質量，處理過程如圖5。

2.2.3 實體重構

Geomagic Design X軟件中，實體重構模型首先應該進行領域劃分，方便后續(xù)特征擬合，第二步對齊坐標，方便正向建模。第三繪制草圖，便于使用特征命令正向建模，第四曲面創(chuàng)建，一般采用面片擬合和放樣完成，在創(chuàng)建的過程中始終全程使用“Accuracy Analyzer”偏差功能進行檢測重構的精度。對于連桿上字母區(qū)域由于特征比較復雜，逆向效果字體輪廓不清晰，所以采用在正向NX軟件中進行創(chuàng)建。具體連桿的模型重構過程如圖6。

3? 3D快速成型

為直觀驗證模型的形狀特征，反應設計效果，將逆向重構創(chuàng)新設計完成的CAD數(shù)據模型保存為3D打印機可識別的STL數(shù)據格式，使用增材制造方式，利用3D打印機完成模型的快速制造。本案例采用北京太爾時代UP BOX+桌面級3D打印機，選擇ABS材料完成連桿制造。其打印過程如圖7。

4? 結論

本文以案例的形式介紹主流的逆向工程軟件Geomagic Design X處理流程和使用方法結合3D打印技術完成產品快速制造實現(xiàn)的過程，重點講述了連桿逆向建模與制造的相關操作流程和方法，為同類產品逆向建模與成型提供思路和方法，減少產品開發(fā)周期。

參考文獻：

[1]趙毅，王明輝.基于GeomagicStudio的汽車連桿鍛件逆向建模技術[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2007（10）：60-62.

[2]蔡敏，成思源，楊雪榮，等.基于逆向工程的混合建模技術研究[J].制造業(yè)自動化，2014，36（5）：120-149.

[3]夏會芳，湯劍，張琳瑯，等.基于逆向工程的復雜工藝品設計及快速成型[J].機械工程與自動化，2021（2）：52-54.

[4]李小明.基于GeomagicStudio的人體建模研究與3D打印成型[J].時代農機，2015，42（5）：39-42.

[5]楊曉雪，閆學文.Geomagic Design X三維建模案例教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016：1-167.