逆向工程技术在产品个性化设计中的应用研究

顾锦豪 许曼玉 杨钰泳 黄碧莹

【摘  要】逆向工程结合快速成型3D打印是一项新兴的设計制造技术，在个性化设计领域有着良好的前景和广泛的应用。以鞋子设计为例，以人体足部的复杂曲面为原型，通过Win3DD-M扫描仪进行非接触式测量方法获取点云数据，提高了点云数据的质量，基于Geomagic软件进行点云数据的精简与处理，导入Geomagic Design X与rhino软件进行三维逆向建模，最终通过3D打印技术制造，保证了精度要求且极大地缩短了产品的生产周期，降低了成本，可大幅提高设计效率并应用于实际生产加工。

【关键词】逆向工程;个性化设计;逆向建模;3D打印

一、逆向工程设计研究简介

1.1 研究方向

Reverse Engineering（RE）是一种新的计算机辅助设计技术，被称为逆向工程。随着社会科学技术与经济水平的飞速发展，越来越多的工业产品“飞入寻常百姓家”，各式各样的琳琅满目的消费品让人眼花缭乱的同时也使人们从追求大家喜欢的产品转变成追求适合自己的产品。逆向工程个性化设计便是其最好的解决方案。

在工业设计方面，逆向工程设计采用了3D扫描和3D打印技术相结合的方式，实现了产品的快速制造。将已有实物模型通过三维扫描仪测得模型表面的点云数据，经过曲面重构造型软件获得实物模型的3D数字模型，用于后续的计算机辅助分析与制造。

以制鞋为例，利用逆向工程对现有模型或产品进行数据采集，在计算机辅助设计软件的操作下优化模型达到设计师的构想并通过3D打印机技术使之实现，在行业特点的研究基础之上，实现个性定制的需求。通过3D打印技术实现工艺和设计的优越性，有利的加大了研发效率，注重创意，真正实现个性化定制。

1.2 现状

工业与商品的繁荣是的原本粗糙的划分越来越不适应多元化个性化的当今，制鞋行业也开始向精耕细作的个性化设计定制发力.3D打印技术在多种应用领域的不断拓展，个性化定制生产即将成为一种新型的生产制造模式。设计领域与3D打印技术相结合，能够为更多的设计师开拓新的设计思路，带来更好的设计作品。

1.3 发展前景

在未来的几年，设计师甚至会让消费者直接从自己家里打印3D鞋款，而仅仅需要在网上购买了一个设计服务。像Sols这样的公司正在尽最大的努力实现对3D打印定制鞋的需求。客户可以拍下自己的脚，通过移动应用程序发送给Sols，几天后他们就会收到一套定制的个性化鞋子。

二、逆向工程技术应用

逆向工程，又称反求工程或反向工程，是以先进产品的实物、样件、软件等作为研究对象，通过线代设计理论、方法、测量技术对已有产品进行建模、仿真，最终实现优化既有产品和再创造的过程。

逆向工程可以还原设备模型，在三维模型投产之前如果进行仿真分析，可以大大的缩短周期，节约成本和提高产品质量。所以有一种流行的观点认为，逆向工程结合设计分析和仿真能本质上解决了设计不兼容性，部件适用性和产品性方面的问题。rhino提供了3D设计和模型修改功能，能够更好的帮助逆向工程进行设备的改进和优化。可以从扫描仪打开扫描数据（网络或点云文件）或从数学软件中打开曲线数据，准备数据，然后将之转换成曲面或实体模型。

2.1 逆向工程技术结合3D打印在个性化鞋子设计方面的应用发展

针对个性化鞋子的设计，来研究3D打印机和逆向工程的特点，提出3D打印机技术在鞋子个性定制中应用的可行性方案。通过3D打印技术可以按照设计随心所欲的生产，省去传统工艺的负责工序，节省材料快速研发，注重创意，真正实现个性化定制。通过完善的网络技术，将产品信息提供给客户，提高了客户的购物积极性，方便迅速的定制到所需的款式。面向制鞋行业的3D打印技术的应用将提高了制鞋行业应对市场变化的正题竞争力。

通过学习现在国内外关于3D打印个性化鞋子方面的研究，利用逆向工程、快速成型等一系列的仪器设备，设计出有个性的篮球鞋的形状。以符合个体化差异，应用于提高鞋子舒适度，使制作出来的鞋子满足个体的。

三、个性化鞋子设计制作研究

3.1 扫描获取现有的三维原始数据

本案例的创新设计的原型为人体足部医疗。基于逆向工程和快速成型3D打印贴合型个性化鞋子设计，为了得到较为准确的扫描数据，笔者采用型号为------的三坐标测量仪。在进行数据采集时，经过多次、多方位地扫描获取了其点云数据。之后通过三维软件重新建模，得到了三维模型。

通过对于脚部模型，使用Handyscan700进行激光定标点采集，经过多次采集后取得脚部模型的点云文件，对点云文件进行处理得3角网格文件，接着对其进行曲面化处理。而曲面重构的关键是根据测量所获取的大规模的、散乱的点数据，重新构造具有复杂曲面外形的产品三维实体模型。

为了使三维扫描得到鞋子数据更加准确，在进行三维扫描实验的过程中做好一系列的准备，尽可能的消除外界的干扰因素，提高扫描数据的精确度。

3.2 对点云数据处理并使曲面化

将扫描的初始模型导入到Geomagic软件里进行表面优化处理。对于不规则的三角面进行选择性删除修改，对扫描中由于误差产生的缺漏进行填补修复，多次优化后导出模型。

3.3 进行鞋子建模

在犀牛（Rhino）软件中对已设计好的草图建模，先对脚部模型贴合底部生成鞋底并除去多余部分，在将脚部模型与鞋子模型匹配并调整贴合面，在外部建立鞋面。

3.4 3D打印制作

相对于传统加工方式，3D打印有着极高的性价比与灵活的制作周期，可实现个性化、高复杂性产品快速生产制造。选择好打印机使用DreamMaker-Overloard 3D打印机，线材选用硬度为92A的柔性TPU。TPU材料适宜打印温度为220℃-240℃，为了使产品精度良好且噪点少，打印过程中将温度设置为230℃。为保证穿着性，将层厚设置为0.5mm，线性支撑为15%。

通过对传统工业大批量生产的鞋子与个性化定制鞋子对比，采用逆向工程与3D打印结合的鞋子在单品价格与舒适性上有一定的提升。利用逆向工程技术可以很好的对设计原型复杂的物品做相关设计。

四、实验总结

本文就逆向工程技术的应用进行了简单的分析研究，实现从足部到TPU鞋子的逆向设计，这种方法为后续的工业设计与创意创新设计提供了参考。在个性化定制设计邻域，随着社会对快速创新产品日益高涨的需求以及计算机辅助技术、机器人技术和测量技术的飞速发展，逆向工程技术必将在更多领域内得到应用和发展。

（作者单位：华南理工大学广州学院机械工程学院）