基于逆向工程的汽车发动机舱盖零件的快速成型＊

陈福德

（1.山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034；2.山东华宇工学院 智能制造装备设计工程技术研发中心，山东 德州 253034）

引言

三维数据扫描，是通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。逆向工程是根据已有实物（或模型），通过数据采集、数据处理等手段，将其转化成三维数字模型，并对模型进行的重构、评价、改进，最终得到产品设计图纸。3D打印技术是基于“离散/堆积成型”的思想，用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成实体零件，因其产品制造的集成化、快速化、自动化等优点，广泛应用于机械、医疗、汽车、艺术、航空航天等领域。本文基于三维扫描与逆向工程技术，以汽车发动机舱盖为载体，探讨了产品数据扫描、点云处理、逆向设计及快速成型工艺过程，如图1所示。

1 数据扫描

本文以HSCAN系列手持激光扫描仪为例，介绍扫描具体过程。扫描前，需完成扫描仪标定，在物体表面粘贴标记点（必要时需在物体表面喷涂显像剂）。扫描前先设置扫描解析度和曝光参数。解析度越小，扫描细节越丰富，数据量也越大。扫描物体反光，颜色较深时，可适度调高曝光参数。手持式激光扫描仪有扫描标记点和扫描激光点两个选项。实际扫描时，先扫描标记点，扫描完成后保存成*.UMK标记点文件格式，然后在标记点数据基础上继再扫描激光点，扫描完成后通过网格命令生成网格模型，并保存为*.STL三角网格文件，如图2所示。

图1 逆向与快速成型工艺过程

2 数据处理

在Geomagic Design X软件中导入扫描获取的汽车发动机舱盖零件点云数据，其数据处理过程如下：导入数据模型，利用“修补精灵”来检索面片模型上的缺陷，如重叠单元面、悬挂的单元面、非流形单元面等，并自动修复各种缺陷。使用“加强形状”功能锐化面片上的尖锐区域（棱角），同时平滑平面或圆柱区域，提高面片的质量。根据面片的特征形状，设置单元边线的长度好平滑度来优化面片。通过平滑操作消除面片上的杂点，降低面片的粗糙度。将数据保存为*.STL三角网格文件，如图3所示。

图3 汽车发动机舱盖零件的数据处理

3 逆向设计及质量评估

汽车发动机舱盖采用ICEM Surf软件进行逆向建模，如图4所示。在获取处理好的点云数据后，根据样件的结构特征进行逆向设计。根据精度和形面复杂程度的不同，通常有两种设计方法：一种是基于三角面片直接建模，另一种是采用参数曲面建模或拟合NURBS建模。

图4 汽车发动机舱盖零件的逆向建模

对于精度要求较低的、形面复杂样产品的逆向开发，常采用第一种方式；对于精度要求较高、形面复杂样件的逆向设计，一般采用第二种方法，以点云数据为基础，由点到线、由线至面、由面成体，构建其三维模型。对点云数据领域划分，得到不同颜色、形状的几何特征，规则的几何特征通过自动识别其领域、绘制特征线、提取截面线等方式，运用正向建模方法创建模型；不规则的几何特征，通过提取特征轮廓曲线、构建曲面网格、拟合曲面的方法创建模型。检测重构的模型，通过质量判定，其外观光顺度较好，模型与原点云数据的偏差控制在允许范围内。数据完整，构造特征还原度高，符合要求，精度较好。

4 3D打印成型

利用3D打印技术对构建的汽车发动机舱盖零件模型进行打印，打印机类型为熔融沉积3D打印机，打印材料为PLA，切片软件为Cura切片软件。其打印过程如下：将STL格式模型数据导入切片软件，调整模型的位置，确定零件摆放方位，设置生成支撑类型及打印参数，利用切片软件进行离散分层生成加工路径。然后对将打印机进行初始化，检查打印喷头是否正常吐丝，校准打印机喷头高度（与打印平台之间的高度），打印机平台调平。将汽车发动机舱盖零件*.GODE路径文件导入打印机，3D打印机根据切片生成的截面路径由底往上逐层打印（由点到线，由线到面），打印完成后，将模型取出，需进行支撑去除、表面打磨、抛光、珠光处理、上色等后处理工作，获得最终的产品，如图5所示。

图5 打印好的汽车发动机舱盖

5 结语

本文以汽车发动机舱盖零件为例，介绍了逆向工程与快速成型的工艺流程，使用手持激光扫描仪获得汽车发动机舱盖零件的点云数据，利用Geomagic Design X软件对采集的点云数据进行优化处理，利用ICEM Surf软件进行逆向建模，通过 Cura切片软件对构建的模型进行离散分层生成加工路径，最后将得到的三维数据导入熔融沉积3D打印机中，并打印出汽车发动机舱盖零件的实体。逆向工程不是简单地复制实物，而是在原有实物的基础上进行二次创新，利用 3D打印技术能快速地将设计思想转化为实物，这种基于逆向工程与3D打印的机械零部件的快速成型设计方式，可以应用于产品的结构优化与创新设计中，能极大地缩短新产品设计研发周期、降低开发成本、提高生产效率。