基于3D 打印与逆向工程技术的车床手轮快速成型

陈福德

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

三维扫描是采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。测量时光栅投影装置投影特定编码的光栅条纹到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采集相应图象，然后通过计算机对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标，通过三维扫描仪软件界面可以实时观测左右相机图像以及生成的三维点云数据[1]。

3D 打印是利用CAD 软件将模型转化为STL 数据，利用切片软件对STL 文件进行离散分层，生成各层面扫描信息，3D 打印机根据每层截面信息逐层堆积材料，从而完成整个产品的叠加制造过程。本文基于三维扫描、逆向设计与3D 打印技术，主要介绍了车床滑板手轮的数据采集、点云数据处理、面片处理、逆向建模、3D 打印等逆向设计流程，为产品的逆向设计及快速成型提供重要参考。

1 获取点云数据

本文使用的是先临三维扫描仪，三维扫描软件是与三维扫描仪配套使用的，因此在启动软件时，要确定硬件连接正确，接通所有硬件的电源，启动计算机，三维扫描仪。软件的操作流程如图1 所示。

图1 系统操作流程图

打开3Dscan 扫描软件，新建工程，按照标定步骤对扫描仪进行标定。手轮是黑色的，扫描时需要喷粉，如图2 所示，喷粉时需注意需待喷涂表面晾干后，再进行翻面（戴一次性手套）。在系统进行硬件调整或运输过程中产生严重震动的情况下，都需要重新标定，以保证扫描系统的精度。

图2 喷粉

手轮扫描主要面为正反两面，需要使用侧面作为过渡面，在零件表面贴标识点的思路为：通过正面的标识点扫描出侧面的标识点（至少3 个），如图3所示，再通过侧面的公共标识点扫描反面。标志点尽量要随机贴在物体表面上的平坦区域，与曲面每边边缘的距离保持在12 mm，两两相邻标志点的最小距离应保持在20 mm～100 mm 之间，标志点尽量不要贴在一条直线上。调整扫描距离及角度，使得正面和侧面标识点可一次性扫描完整。扫描操作按钮，系统将自动进行单帧扫描，在显示界面显示三维点云数据。调整零件的倾斜角度，在相机预览窗口观察，当正面与侧面的标识点同时可以被相机拍到即可，每次旋转零件90°，完成正面、侧面和背面的扫描（图4），保存点云数据。

图3 贴标记点

图4 各面扫描结果

2 数据处理

点云处理的目的是将获取的点云数据转化为面片，为逆向建模做基础。打开Geomagic Studio 软件，导入手轮点云数据，采样比率100%，单位mm。着色处理，设置旋转中心，便于操作；删除多余的点云，多角度观察；删除体外孤点，重复3 次；断开组件连接，重复3 次；分割设置为低，尺寸5，选出非连接部分删除；减少噪音，平弧度水平设置2 或3，迭代次数5，偏差限制0.15 mm；减少点源，进行封装，封装后的点云数据转换为面片形式，但是不够光顺，需要进行面片处理，并输出*.stl 格式。利用Geomagic Design 软件完成手轮的逆向建模，如图5 所示。显示面片，显示实体，打开“Accuracy Analyzer”对话框，选择“偏差”，观察与原模型对比的误差，如图6 所示。如果有大面积严重偏差，或者总体偏差倾向大或者小，需要修改模型[2]。

图5 建模

图6 模型分析

3 3D 打印

手轮模型设计完成后，将导出的STL 模型导入切片软件进行切片处理，使得3D 打印机能够识别文件，然后按照每一层的文件进行逐层打印。打开切片软件Cura_15.04.6，将STL 模型载入软件中，根据实际需要设置合适的打印参数，完成切片处理。因为模型结构中，部分地方需要支撑，设置时需注意支撑选择。

按照PLA 材料特点，为增加粘附力，温度设置为200 ℃；采用标准打印质量，层高设定为0.25 mm，保证打印速度；外周壳数量设定为2，封底层数和封顶层数设置为3，保证有足够的强度；填充设置为20%，在保证强度的同时，提高打印效率；打印速度设置为50 mm/s，空走速度设置为90 mm·s-1，这样既不影响打印质量，又能保证打印效率；打印参数设置完成后，点击确定，切片软件开始对模型进行切片处理，并估算打印时间和消耗耗材长度，此时可开始正式打印[3]。

开始打印模型前需检查打印的工作状态，打印材料是否正常，是否有断丝的情况，打印喷头是否通畅，打印平台是否平整。可通过USB 数据线在线打印或SD 卡离线打印。将保存有G-code 路径文件的SD卡插入打印机卡槽，启动FDM 打印机，打印平台调平，高度调整，打印机预热，加热至打印设置温度，开始打印，打印机按照切片分层生成的路径逐层堆积成型，如图7 所示。模型打印完成后，将其从打印平台取下，去除打印支撑，进行表面处理。

图7 打印模型

4 结语

手轮扫描的是正反两面，需要使用侧面作为过渡面。扫描前需对扫描仪进行标定，在模型表面均匀合理的粘贴标识点，进行扫描获取完整的点云数据。对点云数据进行处理将其转化为面片，将封装后的数据进行面片处理，保存为*.stl 格式，利用Geomagic软件进行逆向建模并分析，利用Cura 切片软件设置合适参数后，对模型切片分层生成Gcode 代码。将数据载入打印机，平台调平，调整高度，预热后，打印机有选择地逐层堆积成型。