逆向工程与3D打印技术在水枪铸模中的应用＊

梁幼昌

（广西现代职业技术学院，广西河池 547000）

1 水枪逆向建模

1.1 数据采集及处理

利用Win3D扫描仪对水枪进行三维扫描，如图1所示，该洗车水枪为铝合金材质，扫描时表面会反射光线，影响正常的扫描效果，为获得更理想的点云数据，需要喷涂一层显像剂，喷粉距离约为30cm左右，尽可能薄且均匀。扫描前还需要粘贴标志点，以便进行拼接扫描，标志点尽量粘贴在平面区域或者曲率较小的曲面，且距离工件边界较远一些，一般贴5～7个标志点为宜，且应使相机在尽可能多的角度可以同时看到。扫描过程中使用转盘来对其进行拼接扫描，这样更方便、快捷。

图1 水枪点云数据采集

1.2 点云数据处理

采用Geomagic Wrap软件对采集到的点云数据进行处理，快速把点云数据转化为三角面片。首先进行点云处理，包括删除“非连接项点”、“体外弧点”和“噪音点”。然后对点云数据封装处理，使点云转化为三角面片。水枪点云虽然转化为三角面片，但是三角面片还不够光滑、有漏洞等，还需进行“删除钉状物”及“填充孔”等处理，点云数据处理结果如图2所示。

图2 点云最终处理效果

1.3 逆向建模

水枪三角面片后，还需经过Geomagic Design X软件逆向建模得到实体模型。

水枪的结构可以分为手柄、枪体、喷头和弹簧盖4部分组成，其中手柄和枪体部分由不规则曲面构成，需要利用片面拟合创建曲面，具体的建模步骤如下：

（1）将水枪STL模型导入软件，并创建坐标系。

（2）手柄及枪体的构建：这两部分的顶面是曲面，需要手动合理划分领域组，如图3所示，然后利用“面片拟合”创建自由曲面。侧面通过绘图轮廓线拉伸出曲，如图4所示，利用“剪切”命令修剪多余的曲面。枪体和手柄通过放样连接过渡，手柄尾部第一层特征和第二层特征也需要通过放样进行连接，如图5所示。将所有曲面创建完成后合并为实体，最终重构完成水枪实体模型，如图6所示。

图3 领域划分

图4 侧面和顶面

图5 一、二层连接

图6 实体模型

（3）喷头部分的构建：此处特征为回旋体，利用面片草图命令求得轮廓线，并使用回旋命令完成喷头的构建，与主体部分合并。

（4）弹簧盖部分的构建：利用面片命令求得圆的直径，并创建拉伸体。

（5）将手柄、喷头、弹簧盖所有特征合成一个实体，并进行倒角。

1.4 偏差分析

为了检验逆向建模的精度，采用Geomagic Control对逆向建模实体与三维扫描的模型进行对比，分析实体建模存在的偏差，如图7所示。将经过Geomagic Wrap处理后的点云数据.STL文件和经过Design X建模后的.STP文件，同时导入到Control软件中，然后将两个导进来的模型进行位置“最佳拟合对齐”，并将要分析的最大临界值设置为0.5mm，最小临界值设置为-0.5mm。将最大名义值设置为0.01mm，最小名义值设置为-0.01。软件处理从三维扫描仪采集的点云数据后，利用丰富的数据自动生成易解读的偏差色谱图，并自动详细分析零件，根据分析的结果进行逆向建模三维模型的修改，达到设计精度的要求。

图7 水枪偏差分析

2 水枪模样及芯盒设计

根据水枪的功能要求并结合铸造工艺性优化水枪内部结构，然后设计水枪的模样和芯盒。水枪由外部成型和内部成型两部分组成，其中水枪外形成型的砂型需要用到模样，此模样采用3D打印制造，这样能减少模样制造的时间和制造成本。模样的分模面在水枪最大截面处，且为平直的面，采用这样的分型面便于脱模及造型。模样上设计有芯头，目的是让模样能在型腔中准确定位。根据水枪的结构特点设计了3个芯头，如图8所示。

图8 水枪模样

按照水枪的功能要求设计出水枪内腔，其分为3部分：枪头处内腔、弹簧处内腔及手柄处内腔。为获得水枪的内腔设计了3个型芯，如图9所示，在铸造时用芯砂安放在对应的型腔内部，造芯需要用到芯盒，如图10所示，此芯盒采用PLA材料进行3D打印制造。

图9 水枪内部型芯

图10 弹簧处内腔砂芯芯盒

3 3D打印水枪模样

3D打印是将粉末状金属或塑料等材料，通过逐层堆叠的来构成实物的技术。本案例采用的是FDM（Fused Deposition Modeling）熔融沉积成形。采用丝状热塑性PLA塑料，连续地送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，逐层打印堆积成形。

打印前首先要对水枪三维模型进行切片处理，切片软件采用Cura。把水枪模样.STL模型导入Cura软件中，设置切片层厚度0.2mm，层厚就是每片分层的厚度，层厚决定了3D打印的精度，特别是表面精度，如果层厚越小，打印的物品就相对精度高，表面纹理就越好。设置打印温度，由于采用PLA塑料打印，根据塑料的特性，设置打印温度为210°；根据水枪模样结构特点，选择支撑类型为none，平台附着类型为Raft；设置参数后将切片数据导入3D打印机进行打印，打印出来的水枪模样表面比较光滑，无凹陷及翘曲变形。打印的结果如图11所示。

图11 3D打印的水枪模样

4 结语

通过采用逆向工程和3D打印技术制造出来的水枪模样，与采用传统砂型铸造技术相对比，具有以下的特点：

当只有水枪产品实物，但是缺乏产品的三维模型和二维图纸等相关技术文件时，采用逆向工程技术通过点云数据采集和点云数据重构，能实现产品的三维模型的快速创建，并在此基础上进行水枪内部结构的优化设计，从而缩短了水枪三维模型设计的周期。

采用3D打印技术制造水枪模样与采用传统机加工方法生产木模相比，能简化模样的制造工艺，从而缩短模样的制造周期和降低生产成本。此外还解决了使用木模容易变形和开裂的问题。砂型铸造技术与逆向工程技术和3D打印技术相结合，不仅可以减少模样的制造时间，降低成本，同时也为快速模具制造提供了一种新思路新方法。