3D 打印在产品逆向工程中的拓展性应用分析

江苏省徐州技师学院 赵淑影

随着社会的发展和科学技术的进步，新兴技术开始渗透到社会的各个领域，对人们的生活带来了新时代的变革。其中产品设计领域也在新时代的大环境下有了新的转变，社会大众要求产品外观设计的变化频率不断提高，为了满足大众的要求，产品设计领域不断革新自身的开发技术，其中3D 打印技术在该时代背景下应运而生。3D 打印技术与逆向工程相辅相成，两者相互作用能够极大地提高产品设计领域的效率。本文通过对3D 打印技术和逆向工程进行介绍，结合目前两者的应用现状提出进一步的拓展性研究措施，以其提高3D 打印技术和产品逆向工程的集成应用，从而推动产品设计领域的发展。

随着我国社会经济的快速提高，我国制造业在经济构成中的占比逐渐提高，我国逐渐成为制造行业的集中地，这在为我国制造业发展带来巨大机遇的同时也使制造业面临严峻的困难和挑战。3D 打印技术是当前新兴的技术，将其应用在制造业中能够给我国制造业带来重大变革，同时将3D 打印技术与逆向工程相结合，能够最大程度的推动两者的发展。我国传统的制造设计流程往往是先由设计师设计出产品图纸，再由专门的加工人员进行产品的外观加工，这种传统设计方法流程复杂、时间成本高，难以适应当前社会对产品外观设计高效率发展的要求，这就为3D 打印技术和逆向工程的拓展性发展提供了良好的背景，推动了两者在社会制造业中的广泛应用。

1 3D 打印技术和逆向工程的基本概念及特点

1.1 3D 打印技术的基本概念

3D 打印技术是一种制造技术，属于目前流行的交叉学科范畴，其在应用过程中结合了机械、材料、软件以及数控等综合知识，具有广泛应用性，3D 打印技术以数字模型文件为基础，对多种类型材料进行层层叠加，从而快速成型出产品。3D 打印技术的应用过程主要通过3D 打印机在X-Y 平面内对产品进行扫描，将截面以数字模型的方式输出，同时在Z 坐标方向以层面厚度为准作位移，形成最终的理想三维模型。3D 打印技术按照材料形成和加工成型方式，可以区分为SLA、SLS、3DP、LOM、FDM 五种类型。

1.2 逆向工程的基本概念

逆向工程就是所谓的逆向技术，其与正向工程形成相对关系。正向工程是传统的产品生产技术，主要是先将产品设计出来，然后进行产品的生产，是一种新产品的生产过程；而逆向工程则是运用新型的科技手段和技术对产品进行逆向研究，使已有的产品设计技术再现，其在应用中主要借助数字化设备以及二维、三维软件绘制曲面或其他实体，在形成三维模型的基础上增添产品的生产流程、功能、结构以及规格等其他必备要素，从而制作出具有相似功能，但不同于原产品的新产品，是一种创新性的设计技术。

1.3 逆向工程的特点

在我国目前的工业设计行业中，工作人员对产品零件及模型优化时，必须要根据已经存在的零件或模型进行设计和加工，但是由于工作环境的限制，部分工作人员难以在工作过程中及时接触到相关的零件及模型，导致工业设计过程存在阻碍。通过逆向工程技术在该领域的应用，能够有效地解决该问题，随着逆向工程的发展和进步，目前已经逐渐应用在产品改造设计以及质量检测等领域内，且明显提高了该领域的产品设计效率。同时逆向工程技术也开始在我国工业领域内发挥作用，开始应用于生产制造单件、小批量的零件中，创新了我国的传统工业设计，加速了产品设计的速度，降低了设计生产过程的成本，推动了工业领域企业的经济效益提高，并为今后的发展打下技术支持的保障。

1.4 逆向工程的实施

逆向工程技术在实际应用过程中，能够对产品原型的3D 数据进行快速的扫描，并且严格保证扫描结果的全面性。此外，真实性也是逆向工程技术在应用过程中的必要原则，因此必须要确保逆向工程技术在应用中的数据采集完全进行，得到全面真实的数据。在目前的逆向工程技术应用过程中，主要是在物体表面确定多个点，然后通过测量设备对点进行坐标的采集，建立起系统的坐标数据，最后将坐标数据输入到计算机中即可完成产品的快速制造过程。这种采集方式不仅能够在传统的接触物体的测量方法基础上实现数据采集，也可以实现非接触式的数据采集，确保数据采集的效率。

2 3D 打印技术和逆向工程的优势及意义

2.1 逆向工程的意义

逆向工程技术在应用过程中是一种反向的产品设计流程，其最终的设计产品与原产品具有相似性，但又进行了功能上的创新，其核心主要是通过对产品进行反向推导，从而获得产品的重要参数，无法获得产品参数的条件下进行产品的设计，具有重大意义。

（1）节约设计实践，减少费用投入。降低产品的生产成本是目前提高产品竞争力的重要方式之一，通过降低成本能够极大地提高其产品的价格优势，与其他产品拉开差距。逆向工程技术的应用能够最大程度的节约设计时间，减少在产品设计过程中人力和物力上的浪费，从而降低产品的设计和生产成本。在逆向工程技术的应用流程中，首先通过电脑扫描已有的产品，自动形成产品的三维模型，极大地减少了设计师在产品三维模型上的时间耗费，缩短了整个设计和生产流程的时间。此外，通过与3D 打印技术的结合，能够完善产品的细节修改，将设计的难度大幅减弱，控制产品的设计成本。（2）提高设计灵活性。在设计领域中，产品的最终设计结果具有多种评价标准，产品的使用效果并不是产品的唯一评价准则，这是由于产品的设计涉及多个方面，过程较为复杂，尤其对于造型复杂的产品而言，建模过程相对困难，应用传统的建模方式甚至难以实现。逆向工程技术的应用能够有效地解决这一问题，其能够弱化产品外观的复杂程度与建模难易程度的相关性，使两者作为独立的方面而存在。针对外观造型设计的产品，只要通过计算机的扫描均可以完成模型的构造，突破了产品在外观设计上的局限，从而使产品的设计具有更大的灵活性。

2.2 逆向工程与3D 打印技术在工业设计中的优势

（1）优化工业设计与开发过程。通过逆向工程应用在工业设计过程中，能够创新传统的设计制造防范，将产品的设计与开发时间极大的缩短，并且有效的修正给产品存在的不足，从而提高产品的设计生产效率、加强产品的开发质量。通过在工业设计中应用3D 打印技术和逆向工程技术后，能够以扫描的方式对产品进行设计，完成产品的整个建模。设计师在对产品的设计需求有基本把握的基础上，结合其他同类产品的研发现状，可以对产品进行优化和改革，确定新的产品研发思路，形成新的产品表现形式，从而突破已有的产品设计和生产方式。当设计师将产品的设计以图纸形式表现出来后，可以由设计团队共同讨论，修改图纸中存在的问题，这种将逆向思维应用到工业设计的流程和方法，能够简化产品的设计和开发过程，提高产品的研发效率[1,2]。（2）加强设计师与产品的联系性。设计师在对产品进行设计之前，都会对产品进行前瞻性的设计构思，但是从本质上分析，这种前瞻性的构思也只是单向的行为，在最终应用中仍会出现目前存在的设计生产问题。通过将3D 打印技术和逆向工程技术应用到产品的设计生产过程中，能够在设计师进行产品思路构思的基础上，利用3D 打印技术和逆向工程技术的优势将产品的模型迅速的呈现出来，直接实现设计师与产品之间的互动，完成两者在设计上的相应。这种3D 打印技术和逆向工程技术参与的设计方法能够使设计师及时接收到产品在设计上的反馈信息，使设计师有依据的对产品进行讨论和进一步的设计。同时，3D 打印技术和逆向工程技术能够使设计师在产品设计的初期就获得产品的真实样本，能够根据已有的产品模型进行问题的修改和优化，这种设计方法能够为设计师的设计生产过程提供良好的环境，使其更加直观的了解到产品存在的问题，从而有针对性的对产品进行问题的修正和优化。此外，这种先制作产品模型的方法，能够使用户提前了解到自身所接触的产品，以自身为出发点对产品提出意见，使设计师在设计阶段进行产品的修改，避免产品在大规模推广后存在使用方面的不足[3,4]。另外，设计师在进行产品的设计生产之前，可以将市场上已有的同类型产品进行数据的收集和整理，设计师在完成分析以后，可以强化自身产品的优势，并规避自身存在的同类缺点，在3D 打印出模型以后进行初步的检验，确保产品的最终呈现结果。

3 3D 打印技术在产品逆向工程中的拓展性方法

3.1 3D 打印技术在产品逆向工程中的拓展方法

3D 打印技术在产品逆向工程中的应用，主要是将产品在设计和生产过程中进行反向设计和制造，利用3D 打印技术进行产品的快速成型，然后对产品进行分析以及检验，实现设计与制造的一体化。3D 打印技术在产品逆向工程中的流程主要是先在样品上确定要扫描的点，对点的数据进行收集，对收集的点构建网格曲面，然后在数据分析的基础上进行模型的3D 打印，最后进行产品的分析和生产，如果产品在生产过程中出现问题，则从扫描阶段重新开始再过一遍流程。在该生产流程中，工程师还需要根据产品的设计要求不断优化产品的外观，确保最后生产成果的精度和质量[5]。此外，通过3D 打印技术在产品逆向工程中的应用，能够以两者的特点为基础，进行产品研究方法的创新，将产品的设计和生产周期明显缩短，降低产品的研发成本。

当使用不同材料进行3D 打印技术设计制造时，最终展示的细节会受到产品精度的影响，这种由低精度到高精度的打印方法能够有效完善目前在产品细节处理中存在的问题，数模师可以借助Alias、UG 等软件构建产品的三维模型，再由3D 打印技术初步打印出产品的模型，通过后续产品设计师对产品进行细节上的完善，对初步模型进行修改，再由数模师和工程师进行产品的优化处理，这种循环的设计生产过程能够节约产品的设计生产成本，减少产品在资金上的投入，提高产品的设计生产效率。

根据调查发现，目前大部分设计队伍在进行产品的设计生产过程中，对会利用正逆向工程的结合优势进行，这就为3D 打印技术提供了良好的发挥环境。将正逆向工程结合在一起，能够很有效解决双方在产品生产设计流程上的问题，并利用3D 打印技术将正向工程和逆向工程连接在一起。在该过程中，可以先借助正向工程技术将低精度的材料进行设计，由设计师对初步设计的产品进行细化和模型的改良，确定产品的整体外观后，再由3D打印技术打印出精度较高的模型，最终生产出产品模型。这种相互结合的设计生产流程能够充分发挥每位设计师的作用，将刮油泥过程的时间压缩，凸显出3D 打印技术在产品设计生产中的独特优势，从而提高产品的设计和生产效率。

3.2 案例分析

以微车发动机风扇的设计与生产为例，其完全借助了产品逆向工程的工作流程。首先将微车发动机风扇参考模型的全部特征以三维流动光学扫描仪进行采取，其中过滤筛除掉存在的瑕疵点，然后借助Geomagic Studio对残缺的部分进行修正，确保产品的设计中的优化。然后通过Imageware 和UG 软件进行风扇外观的曲面和结构的构建，主要包括对数据的提取和集合、修剪曲面、加强筋设计以及拔模等多种操作。对风扇的外形和结构进行设计和完善后，再对风扇的光顺行、曲率以及拔模等进行数据上的分析，降低产品设计过程中倒拔以及曲面错层出现的可能性，确保产品的打印质量。当风扇的数据完成分析，确定产品满足设计和生产要求后，可以借助3D 打印技术对产品进行打印和制造，最后对产品进行表面处理，如打磨、镀层等，提高其表面精度，优化产品的使用。

4 结语

3D 打印技术和逆向工程技术在产品设计领域乃至整个制造业的发展都具有重大意义，其能够有效地降低复杂产品外观在设计和加工上的难度，节约产品的研发时间，提高企业在产品设计生产上的效率。两者在设计过程中的结合可以借助相辅相成的优势完善产品的设计过程，提高设计的灵活性，并在有产品模型的基础上提前规避产品存在的缺点。但由于3D 打印技术和逆向工程技术的应用还处于初步阶段，目前仍存在部分问题，因此还需要研发工作人员进行两者的优化，推动其进一步完善。