基于3D打印与逆向工程技术的项目教学

朱笛

摘 要 本文结合3D打印技术与逆向工程技术的特点，制定项目教学实施方案。项目教学内容包含Handyscan三维扫描仪对零件实物进行扫描，通过Geomagic Studio软件进行逆向建模（三维数据采集和点云处理），再通过UG软件进行模型实体建构，最后通过3D打印技术实现零件实物的快速成型，进而实现快速制造。该项目教学提高和促进学生对现代化设计及制造技术的认知和创新制作能力具有积极的作用。

关键词 3D打印 逆向工程 数据采集 快速制造

随着工业技术的发展针对提高产品的开发速度而提出的虚拟制造、逆向工程等先进制造技术，逐渐代替传统的生产模式。3D打印技术在当今的制造领域掀起了一股热潮，有取代当今加工工艺的趋势，其发展势头不可挡;鉴于此，基于3D打印技术与逆向工程建模的项目教学将成为培养学生提高制造技术的实践能力和学生适应先进的现代化设计技术的重要方式与手段。本项目教学主要采用的是Handyscan三维扫描仪对零件实物进行扫描，再通过Geomagic Studio软件进行逆向建模从而实现模型构建，最后通过3D打印技术实现零件实物的快速成型。通过本项目教学，学生可掌握3D打印快速成型技术与逆向工程建模技术，提高学生对现代化设计及制造技术的认知。

1逆向工程及其建模

所谓逆向工程（Reverse Engineering，简称RE）是相对正向工程技术而言的。正向工程技术就是先由工程师设计产品的二维或三维图纸，然后根据图纸进行产品的生产或制造。而逆向工程技术，就是指在没有产品原始图样的情况下，利用现代测量技术手段，对实物模型进行数据采集，然后通过三维软件来构建实物的CAD模型，最后制造出产品的过程。逆向工程技术能快速建立新产品的数据化模型，大大缩短新产品研发周期，提高企业产品设计和生产效率。

1.1三维扫描的原理

三维扫描是逆向建模的重要过程，是获取模型三维数据的重要途径。本实验教学中扫描原理是基于数字光栅投 影的面结构光三维测量系统，它是由一个数字光栅投影装置和两个CCD摄像机组成，扫描时首先由数字光栅投影 装置向被测物体投射一组光栅图像，同时使用CCD摄像机拍摄被测物表面上的光栅图像，根据相位计算方法得到光栅图像的绝对相位值，此扫描系统包含参数设定、相位计算。

1.2三维数据的采集

三维数据采集是逆向工程建模的重要技术之一，在本项目教学中是基于Handyscan扫描仪进行数据采集的。首先对被扫描的工件进行准备，即贴定位点;其次把扫描仪和电脑连接好，将扫描仪的参数调试好;再打开对应扫描仪软件进行系统标定，设定参数拼接方式等;最后进行扫描，经过多次旋转测量获得完整的点云数据，利用“Save session”选项来保存整个扫描以备以后在VXSCAN中进行编辑。

1.3处理点云数据

本实验环节中应用软件是Geomagic Studio，该软件展现出了其逆向建模技术，可对扫描数据进行几何形状重构，再通过建模工具对实体特征进行再编辑从而实现模型重构。

点云处理首先将点云扫描数据导入Geomagic Studio;先进行全局注册调整最大迭代数和采样大小，接着合并点，观察模型管理器 ，再去除体外孤点，统一采样，封装成多边形，在数据模型的底部创建辅助平面，然后使数据模型放水平，调整数据模型在XY平面上的水平位置;最后导出数据。

1.4模型实体的建构

UG软件针对点云处理进行网格编辑，内外孔的填补及边界修补，对于表面不规则的自由曲面，可以在此软件的草图编辑模式下编辑其二维截面轮廓线，再进行拉伸等方式编辑，最后实现三维模型的重构。

2基于3D打印技术的快速成型

3D打印技术又叫快速成型技术，即Rapid Prototyping（简称RP技术）。快速成型技术是上世纪九十年代发展起来的一项先进制造技术，它是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。

2.1 3D打印技术的原理

RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片，得到各层截面的轮廓数据，计算机根据此信息控制激光器（或喷嘴），有选择地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂），形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件或模型。

2.2快速成型的过程

3D 打印成型的过程主要有建模、切片分层、输出打印成型、后處理四个部分。首先经过三维扫描逆向建模，并将其转化为STL的格式文件;对应的模型输入电脑后进行切片分层处理，切片软件使用的CURA软件，对模型的比例大小、放置方向、切片厚度等参数设置;分层处理后将数据输入3D打印机中，由打印机机械机构部分完成逐层堆积成型;最后根据模型要求进行后处理。

3结语

对于本任务教学，从实物零件原始数据收集到三维模型重构最后3D打印，建立了3D打印技术与逆向工程建模新方式，让学生掌握了三维扫描、模型重建、3D打印的方法，培养学生对现代化制造技术的实践能力和创新能力。

通过对3D打印及逆向工程技术课程的教学改革与实践，构建了以学生为中心，以应用能力培养为目标，以现代教育技术为支撑的教学环境。形成“理论-实操-上机”集成的一体化教学特色，以学生为中心的实践型、互动性和自主学习的教学模式，突出培养学生的工程应用能力。以当前企业需求为导向，确保教学的先进性与实用性，从逆向工程流程的全局出发，注重学习新型测量设备的使用、数据处理软件的使用、逆向建模软件的使用和快速成型设备的操作。全面掌握逆向工程整个流程所需知识，充分利用实操设备着重工程实际应用能力的培养。

参考文献

[1] 曹文聪，罗燕峰等.编著3D打印技术[M].上海：上海交通大学出版社，2018.

[2] 夏立戎.3D打印与逆向工程技术项目教程[M].上海：上海工业技术学校，2016.

[3] 张渝.逆向工程课程教学改革研究与实践[J].科教导刊，2015（06）：44.