基于逆向工程及3D 打印技术的产品设计

刘乐

（内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

传统的产品设计过程是“从无到有”，通常从概念化设计——设计建模——产品制造，称为正向工程；而逆向工程设计则是“从有到无”，即以已有产品为蓝本，利用专业数字化测量设备和软件重新构造实物数字化模型的过程。逆向工程设计主要应用于原始设计数据不易获取的情况，可以通过分析现有产品，逆推出其设计原理，从而加快产品设计过程，缩短产品研发周期，提高产品研发效率，降低企业成本。

3D 打印又名增材制造（Material Additive Manufacturing），是快速成型技术（Rapid Prototyping，RP）的一种。3D 打印以数字化模型为基础，通过CAD 软件将模型沿预定义方向做切片处理，得到多个薄片堆叠的模型文件；借助数控成型设备，将3D 打印专用材料按照烧结、熔融、挤压、喷射、光固化等方式逐层堆叠成型，制造出实体产品[1]。

1 逆向工程设计的流程

逆向工程设计首先通过三坐标测量机或者三维扫描仪获得产品信息，然后利用CAD/CAM 技术创建实体三维数字化模型，应用工程分析，数控加工出产品模型，最后制成产品，完成从实物或模具——数字化设计——模型重构——新产品的整个生产流程[2]。逆向工程流程图如图1 所示。

图1 逆向工程流程图

机械产品的逆向设计过程基本包含以下几步：

（1）产品逆向设计研究

①对机械零部件产品进行数据采集，获取产品的点云数据。

②对点云数据进行数据预处理，即数据多视对齐、平滑、精简和分块等操作。

③应用逆向工程软件对处理好的点云数据进行三维CAD 模型重构。

（2）产品快速成型研究

①利用快速成型设备对处理好的点云数据直接进行3D 打印，得到模型的打印样件。完成从数据获取——数据预处理——模型重建——3D 打印的完整实验过程，并对比分析打印件尺寸与虚拟模型的尺寸误差。

②为保证3D 打印精度，要根据产品特点，合理选择打印位置和产品成型方向；控制加工参数，包括打印速度、打印温度、喷嘴直径等，保证在合理适配范围内；选择恰当的分层厚度、喷头温度、填充速度和挤出速度，降低数字化模型离散化过程中的精度损失；后处理过程中，通过对外表面进行抛光、修补，上色等工序获得更高的外观质量[3]。

（3）产品结构再设计研究

对打印件和原有产品样进行比较、分析，进行产品外观和结构再设计和优化。

2 基于Solidworks 的产品逆向工程设计

千斤顶是一种通过顶部托座或底部托爪在行程范围内顶升、支撑重物的小型起重设备。其结构坚固轻巧、可靠灵活。下面以“千斤顶”为例说明SolidWorks 软件在逆向工程设计中的应用。某千斤顶如图2 所示，拆卸后，用工具测量各零件，得到各部分尺寸数据，通过分析，对个别零件进行结构优化和性能改进，应用SolidWorks 软件进行三维建模、装配、运动仿真和生成工程图等设计[4]。

图2 千斤顶实物

2.1 应用SolidWorks 软件进行零件三维建模

优化原有产品的零件结构，在底座上增加筋板，增强机构强度；顶盖上增加凹槽，提高摩擦系数，保证机构工作的稳定性。应用SolidWorks 的草图绘制和实体建模功能分别创建出底座、起重螺杆、螺钉、旋转杆、顶盖的三维模型。如图3(a)、(b)、(c) 、(d) 、(e)所示。

图3 千斤顶各零件三维模型

2.2 对各部分零件模型进行装配，检查运动干涉

按照底座——起重螺杆——旋转杆——顶盖——螺钉的顺序进行装配，通过软件的“评估”选项进行“干涉检查”。单击设计树左侧的“计算”按钮，软件开始对千斤顶装配体进行干涉计算，按顺序依次点击“干涉1”，“干涉2”，系统自动在干涉的地方用红色表示出来[5]。干涉检查结果如图4 所示。修改螺钉直径尺寸，重新进行零件装配和干涉检查，直至干涉检查结果显示为零。得到千斤顶装配图如图5 所示。

图4 千斤顶装配干涉检查

图5 千斤顶虚拟装配图

3 创新产品的快速成型

使用SolidWorks 软件完成的千斤顶产品设计，通过3D 打印方式得到样品，并与原产品对照检查，综合评估并改进其性能和结构。把产品的三维模型另存为.stl 格式，导入3D 打印机，得到各零件[6]。如图6 所示。

图6 千斤顶零件3D 打印模型

将底座、起重螺杆、旋转杆、顶盖、螺钉按顺序依次组装到一起，得到千斤顶3D 模型装配图，如图7 所示。

图7 千斤顶3D 模型装配图

4 结论

本文以千斤顶为例，分析了逆向工程与3D 打印技术在机械产品设计中的应用。通过对原始产品进行拆卸和测量，得到产品各组成零件的三维数据，以此数据为依据，对产品进行逆向创新设计。应用SolidWorks 软件进行三维建模、虚拟装配和干涉检查，并通过3D 打印方式生成新产品的样品，探索了相关机械产品快速开发的新模式。