3D打印工藝

摘 要：隨著現代科學技術的發展，3D打印技術已經應用到了很多的領域，比在在修復文物，工業制造方面都有著非常出色的表現。本文主要對3D打印工藝進行簡單介紹（包括掃描數據，數據處理，3D打印）。

關鍵詞：3D打印工藝；掃描；數據處理；3D打印

1 引言

3D打印工藝是近幾十年來全球先進技術，他與傳統切削等材料的“去除法”不同，增材技術將采用細微原材料一層一層的堆疊而生成三維立體的實體，因此被通俗的稱為“3D打印”，也可以把3D打印理解為無數個2D打印平面堆疊而成的。該工藝只需在電腦上設計出模型（或者掃描實體得到數據），就可以用3D打印機打印出實物。該工藝無需傳統的刀具，模具，車床以及復雜工藝，可快速地將設計生產為實物。

掃描實物得到模型數據在工程學上屬于逆向工程（RE，如圖1），就是通過技術手段建立實物的三維數字模型，并進一步對模型進行優化處理。在通過逆向工程得到三維數字模型之后通過3D打印機打印（有時三維數字模型數據要經過處理）。

2 掃描數據方法

數據的測量是產品三維數字化模型的關鍵環節，是通過專門的測量工具和測量方法獲得實物表面離散點的三維坐標。只有根據這些數據才能實現實物多元化外表面的建模、評價、修改和打印。既然數據會直接影響到后期工藝的處理，所以這一步驟是非常關鍵的一個環節，所以測量方法的好壞會直接影響到是否真實反應了實物，因此這一過程是整個工藝的逆向工程的基礎。

目前有很多種技術可以完成此工藝。不同的測量方法有著不同的測量精度、經濟性、速度等等。所以我們在實際操作過程中就要選擇對應的測量方法。掃描數據方法主要有如圖2。

2.1 接觸式測量

通過接觸式儀器沿實物表面移動，在接觸移動的同時檢測出接觸點的三維坐標。此種測量方法雖然對實物的材質和色澤沒有特俗要求，可達到很高的測量精度，但是對于有著復雜內部型腔和復雜曲面有著明顯的不足。該方法最大的缺點就是測量過程過分依賴測量者，需要測量者來判斷和操作。

2.2 非接觸式測量

非接觸式測量是利用聲﹑光﹑電磁等與實物表面發生相互作用的物理現象來獲取實物的三維坐標信息。由于非接觸式測量的速度快﹑精度較高，且不用與實物接觸，因而可用于對軟質材質的物體進行測量。此種技術現在在市場上很受歡迎，市場潛力越來越大。隨著計算機技術﹑CCD攝像技術﹑機器視覺技術及精密制造技術的快速發展，在逆向工程中最為常用的激光法變得尤為重要。激光法是目前最成熟，也是應用最廣泛的一種方法，其原理如圖3。

3 數據處理

相異的數據采集方法就為逆向工程產品CAD建模提供了不同的數據來源。在很多情況下，逆向工程中測量得到的被測物的表面點數據量巨大，其中經常有很多噪聲點，這個數據點被稱為“點云”。需要對該數據進行處理才能構造一個曲面。

掃描得到的數據是無數個點的三維數據，我們運用計算機輔助幾何設計技術，構造被測物原型的CAD模型。常用的方法就是曲面擬合，一般用插值與逼近二種方法擬合。用插值法的時候，曲面通過所有數據點，因此比較適合測量設備精度高。而逼近法，曲面不必整合所有的數據點，不過要求對數據點的總體最優的逼近程度，比較適合測量數據點多，噪聲高的情況。

按照“點云”的組織方式，模型的產生過程不同，建模方法分為以下幾類。

A.基于特征的建模方法。對被測物進行劃分特征區域，對每個特征進行曲面擬合。就是把數據點劃為多個區域，每個區域就用一種曲面表示。

B.基于截面數據（切片數據）的建模方法。這一類的數據有一個特別的分布方式，就是數據分布于一組平行的截面上。

C.基于可變行模型的建模方法。一個S型形狀，為可變形模型，數據點A被S包圍或S被A包圍。在A與S之間建立一個目標函數F與約束，通過變化S使F達到極值，以產生數據點的近似表示。此方法難以達到實用。

D.整體的自動建模方法。以上三種方法對復雜或者大型測量物體產生的散亂數據難以精確或者自動擬合。而此方法剛好可以彌補。

幾何建模是逆向工程的關鍵步驟，同時也是影響逆向工程速度的關鍵。因此，提高逆向工程幾何建模的自動化程度與通用性是目前逆向工程的一個重要研究方向。

4 打印

通過以上過程我們就可以對所得到的三維數據進行打印，當然我們也可以手動對數據進行修改，以達到我們需要的形狀。通過軟件把數據傳輸到3D打印機進行打印。

5 結束語

目前3D打印是較火熱的一門技術，它在實際應用中更加具有市場前景。本文簡單介紹了3D打印的工藝流程以供與大家交流。

[參考文獻]

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