基于逆向工程和3D打印技術(shù)快速制作隨形密封圈

張永弟，王琮瑜，王琮瑋，賈康，蘇德順，楊光

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

0 前言

逆向工程(Reverse Engineering，RE)又稱反求工程，是一種根據(jù)已有產(chǎn)品模型反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的技術(shù)，通過測量設(shè)備獲得產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，再使用逆向軟件實現(xiàn)產(chǎn)品三維模型的重建。光固化成型(Stereo Lithography，SL)技術(shù)屬于3D打印技術(shù)中的一種，使用液態(tài)光敏樹脂作為材料，打印時，紫外激光對光敏樹脂表面進行掃描，掃描到的區(qū)域發(fā)生光聚合反應而固化，成為零件的一個薄層截面，通過逐層掃描固化最終得到所需三維實體。逆向工程技術(shù)在模具、汽車、航空等領(lǐng)域有著很好的應用前景，與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可以很好地實現(xiàn)產(chǎn)品小批量、快速制造。

汽車滑閥箱是控制自動變速器中的油通道的組件，是自動變速器的核心。汽車維修中遇到滑閥箱漏油的主要原因包括密封圈老化、密封槽開槽較淺、密封圈尺寸不合適容易從槽內(nèi)滑出等，導致無法有效封油。密封圈老化導致的漏油問題，只需要更換新的密封圈即可，但如果是因為設(shè)計缺陷造成的漏油問題，則更換也不能徹底解決漏油問題。若對滑閥箱進行機加工改造，將密封圈環(huán)形槽銑深，可使密封圈在槽內(nèi)深度增加從而不易脫落。但將槽銑深后原有密封圈的厚度小于槽的深度，無法起到封油作用，仍需新的厚度合適的密封圈，且機加工成本較高，難度較大。為此，針對汽車維修中由于設(shè)計不合理造成的變速箱漏油問題，采用逆向工程與3D打印結(jié)合的方式制作滑閥箱隨形密封圈，并進行實驗驗證。

1 基于逆向工程的三維模型重建

1.1 數(shù)據(jù)采集

三維數(shù)據(jù)采集是通過測量設(shè)備獲取被測對象的空間信息數(shù)據(jù)。根據(jù)采集方式不同，三維數(shù)據(jù)采集方式可分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩類。非接觸式數(shù)據(jù)采集主要運用光學原理進行掃描采集。由于滑閥箱外形較為復雜，使用Creaform公司的MetraSCAN 3D非接觸式三維激光掃描儀對滑閥箱進行掃描，具有不與滑閥箱接觸、掃描速度快、掃描精度高等優(yōu)點。為防止滑閥箱表面反光不利于數(shù)據(jù)采集，掃描前在滑閥箱表面噴涂顯像劑，可提高掃描質(zhì)量。通過對滑閥箱進行勻速、多角度、反復掃描得到其三維數(shù)據(jù)，并保存為stl格式，如圖1所示。

圖1 掃描數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)處理及偏差分析

掃描所得到的數(shù)據(jù)是由許多三角形組成的多邊形網(wǎng)格，存在著非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、孔洞等問題。使用Geomagic Wrap軟件對這些問題進行修復，可通過簡化、減少噪聲、去除流形、去除多余特征、填充孔、網(wǎng)格醫(yī)生等功能實現(xiàn)對模型的修復和優(yōu)化，得到較為理想的模型，并保存為stl格式文件，如圖2所示。將修復后的模型與掃描數(shù)據(jù)進行偏差分析，可知除部分邊角、孔洞外，修復后的模型整體偏差在±0.097 7 mm內(nèi)，滿足制作需求，如圖3所示。

圖2 修復后模型

圖3 偏差分析

1.3 密封圈模具三維數(shù)模建立

使用Geomagic Design X軟件可對stl格式的三角面片文件進行逆向建模，輸出可使用正向建模軟件進行編輯的通用格式，如igs、stp等格式，以實現(xiàn)模型的重建。首先將修復好的stl格式模型導入Geomagic Design X軟件中，使用“領(lǐng)域”中“自動分割”功能對模型進行領(lǐng)域劃分，選擇合適的閾值后，根據(jù)面模型幾何特征及曲率的變化將其劃分為多個領(lǐng)域，對每個領(lǐng)域單獨進行編輯，如圖4所示。選取與槽底面平面平行的領(lǐng)域創(chuàng)建基準平面，使用“多邊形”中“分割”功能，將槽部分用基準平面從模型中分割出來，對槽部分單獨建模，以減小計算機的工作量，如圖5所示。使用“對齊”中“手動對齊”功能將槽與三維坐標系的軸對齊，以便后續(xù)建模。

圖4 領(lǐng)域劃分

圖5 槽分割

使用“草圖”中“面片草圖”功能，選擇平面為基準平面，通過偏移基準平面提取出槽輪廓，如圖6所示。使用“繪制”功能中“多種線條”擬合出槽草圖，使用“偏移”等功能完成模具草圖繪制，如圖7所示。

圖6 槽輪廓

圖7 模具草圖

使用“模型”中正向建模“拉伸”功能，將模具草圖拉伸成為實體，得到模具三維數(shù)模，如圖8所示。將實體模型保存為stp格式文件并導入SolidWorks軟件中，對槽進行倒圓角等設(shè)計。完成所有編輯后，將模型輸出為stl格式文件準備進行打印。

圖8 模具模型

2 密封圈模具制作

2.1 密封圈模具3D打印

使用Magics軟件對stl文件進行打印前處理。打印前處理包括診斷模型缺陷并進行修復，確保打印過程順利；確定模型在工作臺上的擺放方式和位置，以減少打印時間，提高打印效率；添加支撐結(jié)構(gòu)，確保打印過程中懸垂結(jié)構(gòu)打印順利，也有利于打印完成后模具從工作臺上取下；對模型進行分層處理，成為系統(tǒng)所需的slc格式。處理好后的模型如圖9所示，導入光固化成型系統(tǒng)(SPS450B, 陜西恒通智能制造有限公司)進行打印。

圖9 打印前處理

2.2 打印后處理

打印出的模具還需進行一系列的后處理。將工作臺升出液面停留5～10 min使多余樹脂自然流下。將模具從光固化成型系統(tǒng)中取出，浸泡在酒精中20 min，使用超聲波設(shè)備進行清洗，并用毛刷清洗模具表面較小的縫隙，使殘余的液態(tài)樹脂溶于酒精。去除支撐結(jié)構(gòu)后將模具放入紫外烘箱中進行后固化20 min，得到模具成品，如圖10所示。

圖10 隨形密封圈模具

3 隨形密封圈制作

采取反應注塑方式制作密封圈，根據(jù)密封圈體積稱量所需的液態(tài)硅橡膠和一定比例的固化劑(100 g液態(tài)硅橡膠加入2 mL固化劑)，充分攪拌后，澆注入模具槽內(nèi)，澆注前需在模具槽內(nèi)涂抹分型劑。使用卡片將液態(tài)硅橡膠表面刮平，保證凝固后上表面平整。并用針尖將液態(tài)硅橡膠內(nèi)氣泡戳破，防止凝固后存在孔洞。因液態(tài)硅橡膠緩慢流入槽內(nèi)后上表面會有略微凹陷，需在首次澆注后等待1 h，進行二次澆注，并刮平表面、戳破氣泡。靜置3 h等待硅橡膠完全固化，將密封圈從模具中取出，完成制作。圖11為制作好的隨形密封圈安裝在滑閥箱上, 匹配良好，解決了滑閥箱漏油的問題。

圖11 安裝在滑閥箱上的隨形密封圈

4 基于逆向工程與3D打印的模具設(shè)計制造流程

以汽車滑閥箱隨形密封圈為例，驗證了逆向工程與3D打印結(jié)合應用的可行性及其在小批量、快速制造方面的優(yōu)勢。作為拓展，靈活地將逆向工程與3D打印、CAM加工等結(jié)合應用，可實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)過程中小批量、快速制造及后期大批量生產(chǎn)，滿足不同階段的需求。其設(shè)計制造流程如圖12所示。

圖12 基于逆向工程與3D打印的模具設(shè)計制造流程

根據(jù)實踐經(jīng)驗，基于逆向工程和3D打印設(shè)計制作模具需要注意以下4點：(1)若掃描對象表面反光較強，在三維掃描前需噴涂顯影劑；(2)三維掃描所得的數(shù)據(jù)是后續(xù)建模工作的基礎(chǔ)，非常重要，因此應對掃描對象勻速、多角度、反復地掃描，確保掃描質(zhì)量；(3)處理好的stl模型應在軟件中進行偏差分析，確保模型偏差在需求的范圍內(nèi)；(4)若采用3D打印方式制作模具，打印完成后應將模具表面殘余光敏樹脂清除干凈，防止殘余光敏樹脂對澆注效果造成影響。

5 結(jié)語

采用逆向工程與3D打印相結(jié)合的方法，可在隨形密封圈模具制作的過程中對模具進行再設(shè)計與優(yōu)化，制作出質(zhì)量較好的密封圈。此工藝極大地縮短了模具的開發(fā)周期，尤其是在舊產(chǎn)品維修、新產(chǎn)品試制和單件小批量生產(chǎn)方面，既可以降低成本，又可以縮短時間，對模具產(chǎn)品開發(fā)與再設(shè)計有一定的借鑒意義。