逆向工程和3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳兵 李云 楊延波

摘 要：逆向工程技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合是測試產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理的最佳和最快的方法，解決了當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)階或部分變化的問題，是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的主要方法。基于此，本文首先分析逆向工程技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，然后探討逆向工程技術(shù)在工業(yè)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢，最后闡述逆向工程和3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：逆向工程；工業(yè)設(shè)計(jì)；3D打印技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）22-0025-03

Application of Reverse Engineering and 3D Printing

Technology in Industrial Design

WU Bing LI Yun YANG Yanbo

（Shaanxi Industrial Vocational College， Xianyang Shaanxi 712000）

Abstract： The combination of reverse engineering technology and 3D printing technology is the best and fastest way to test the rationality of product design. It solves the problem of product design improvement or partial change and is the main method of product innovation design. Based on this， this paper first analyzed the characteristics of reverse engineering technology and industrial design， then discussed the advantages of reverse engineering technology in industrial design， and finally described the application of reverse engineering and 3D printing technology in industrial design.

Keywords： reverse engineering；industrial design；3D printing technology

Reverse Engineering（RE）是一種新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，被稱為逆向工程。其包含了一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)。從廣義上講，逆向工程包括許多方面，如形狀（幾何）逆向、工藝逆向和材料逆向，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有許多先進(jìn)的技術(shù)。現(xiàn)在，逆向工程的大量研究主要集中在形式的逆轉(zhuǎn)上，即利用現(xiàn)有的物理對(duì)象原型，利用三維數(shù)字測量設(shè)備，快速準(zhǔn)確地得到原型的三維空間數(shù)據(jù)，也就是點(diǎn)云。在優(yōu)化點(diǎn)云、曲面構(gòu)造、編輯之后，可以使用精確的CAD模型進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)原型產(chǎn)品，也可用于快速技術(shù)生產(chǎn)準(zhǔn)確的產(chǎn)品樣品或原型。Reverse Engineering目前的應(yīng)用范圍主要是產(chǎn)品模仿和改變。工業(yè)設(shè)計(jì)過程是從最初產(chǎn)品萌芽、創(chuàng)意開始到計(jì)劃設(shè)計(jì)，包括物理模型的手工生產(chǎn)，計(jì)劃的修改，精確的CAD模型建立，生產(chǎn)和營銷的整個(gè)過程。在這個(gè)流程中，創(chuàng)新是產(chǎn)品的核心。逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用將加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，使工業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)手段多樣化，工業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新變得普遍。

1 逆向工程技術(shù)的原理和方法

1.1 逆向工程技術(shù)的概念

逆向工程技術(shù)就是將現(xiàn)實(shí)的零件或模型轉(zhuǎn)換為工程概念和數(shù)字模型的技術(shù)。基于物理模型的產(chǎn)品建模方法已成為CAD/CAM中一個(gè)獨(dú)立的方法和技術(shù)。逆向工程技術(shù)是一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，用于消化和吸收先進(jìn)技術(shù)。其采用先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)備，以軟件或圖像作為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法論、生產(chǎn)工程學(xué)、材料科學(xué)及相關(guān)專業(yè)知識(shí)原理，系統(tǒng)地進(jìn)行分析研究，探索并掌握關(guān)鍵技術(shù)，以開發(fā)更高級(jí)的同類產(chǎn)品。逆向工程實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品復(fù)制或產(chǎn)品再現(xiàn)，也可以改進(jìn)和創(chuàng)新產(chǎn)品，這一點(diǎn)和工業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新是一致的。三維數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理和三維重建是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 逆向工程技術(shù)的特點(diǎn)

逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改造設(shè)計(jì)、產(chǎn)品模仿、質(zhì)量分析和測試等領(lǐng)域使用較為普遍。逆向工程業(yè)務(wù)范圍主要是單件、小批量的零件制造，逆向工程技術(shù)的利用可以加快產(chǎn)品換代，加快產(chǎn)品和系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)周期，降低開發(fā)新產(chǎn)品的成本，提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

1.3 逆向工程的實(shí)施

快速、準(zhǔn)確和全面地獲取物理原型的3D數(shù)據(jù)是逆向工程中的重要環(huán)節(jié)，其中數(shù)據(jù)質(zhì)量是逆向工程的關(guān)鍵點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集主要是利用測量方法和設(shè)備來測量物理對(duì)象表面多個(gè)點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集可以通過多種方法完成。根據(jù)與被測物體表面的接觸形式，數(shù)據(jù)采集可分為接觸測量和不接觸測量兩種。

2 工業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

在現(xiàn)代工業(yè)革命時(shí)代，工業(yè)設(shè)計(jì)在市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中應(yīng)運(yùn)而生，是科技與藝術(shù)的融合，主要是為了適應(yīng)市場和提高社會(huì)效益，以創(chuàng)建更合理的生活方式為原則，采用人性化的造型設(shè)計(jì)，推出新產(chǎn)品。在滿足消費(fèi)者需求的情況下，能取得不錯(cuò)的市場地位和經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)設(shè)計(jì)以產(chǎn)品創(chuàng)新為準(zhǔn)則，在產(chǎn)品創(chuàng)意的初期階段，為了協(xié)助設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)制作產(chǎn)品模型或粗略的數(shù)字原型來分析產(chǎn)品的形狀和特征，以此來評(píng)估方案的可行性。這在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中的作用非同小可：第一，可以直觀地看到產(chǎn)品的三維空間情況；第二，能查看產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理。工業(yè)設(shè)計(jì)中的物理模型包括粗模型、精細(xì)模型和結(jié)構(gòu)模型三種。

在明確設(shè)計(jì)方案后，工程師必須建造精度高的CAD數(shù)字模型。從設(shè)計(jì)到制作轉(zhuǎn)變，逆向工程在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和機(jī)械設(shè)計(jì)師之間溝通的紐帶和橋梁，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量，并縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。借助逆向工程技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在較短時(shí)間內(nèi)完成概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。

3 逆向工程技術(shù)在工業(yè)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

3.1 優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程

將逆向工程方法引入傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)過程，采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法作為設(shè)計(jì)方法時(shí)，可以為企業(yè)節(jié)省設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)間，檢查創(chuàng)新產(chǎn)品的缺陷并進(jìn)行改進(jìn)，并且可以改變產(chǎn)品的輸出模式和生產(chǎn)速度。

在原來的工業(yè)設(shè)計(jì)過程中，循環(huán)的起點(diǎn)是從開發(fā)點(diǎn)到概念設(shè)計(jì)。循環(huán)的目的是探索初始營銷測試中所需的產(chǎn)品概念。當(dāng)逆向工程引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，最初的設(shè)計(jì)過程是營銷人員拿出當(dāng)前市場上的暢銷產(chǎn)品，并使用逆向工程方法構(gòu)建整個(gè)產(chǎn)品。掃描成3D模型架構(gòu)，成為后續(xù)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)。工業(yè)設(shè)計(jì)師從營銷人員那里獲得現(xiàn)在市場上的所有產(chǎn)品信息及消費(fèi)者對(duì)目前產(chǎn)品的期待和需求，將其作為改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的激發(fā)，以產(chǎn)生一系列設(shè)計(jì)理念，或生產(chǎn)創(chuàng)新產(chǎn)品功能和新的需求形式，尋求探索現(xiàn)有產(chǎn)品中未考慮的設(shè)計(jì)概念，以尋求各方面的突破，把這一系列概念設(shè)計(jì)成圖紙和有關(guān)人員進(jìn)行討論。在回顧設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念時(shí)，一方面是設(shè)計(jì)師繪制的概念圖，在與營銷人員、老板和其他設(shè)計(jì)師及工程師討論后，設(shè)計(jì)概念得到認(rèn)可。另一方面，審查設(shè)計(jì)概念之后，有必要進(jìn)行一些修改。從圖1中可以看出，當(dāng)逆向工程被引入設(shè)計(jì)過程時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程變得更加簡單和可控，且彼此之間的設(shè)計(jì)活動(dòng)重復(fù)較少。通常情況下，企業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)會(huì)考慮是否有訂單，是否有客戶需求。為了避免生產(chǎn)后滯銷，會(huì)對(duì)目前市場上的暢銷產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的產(chǎn)品必須優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品，賣點(diǎn)更多或價(jià)格必須相對(duì)較低，這是改進(jìn)的前提條件。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)想中，可以從現(xiàn)有產(chǎn)品架構(gòu)中找到更多設(shè)計(jì)概念、新功能、新結(jié)構(gòu)、新形狀、新消費(fèi)階層或新制造方法，從而產(chǎn)生與現(xiàn)有產(chǎn)品不同的新產(chǎn)品，或縮短生產(chǎn)時(shí)間，或降低生產(chǎn)成本。

3.2 逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品之間的互動(dòng)

前瞻性的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程可以有效展示設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，但其也是一種單向設(shè)計(jì)行為。引入逆向開發(fā)過程，設(shè)計(jì)人員可以按照自己的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)產(chǎn)品，依托逆向工程技術(shù)快速生成三維的產(chǎn)品模型，可以產(chǎn)生即時(shí)的互動(dòng)和響應(yīng)，同時(shí)讓設(shè)計(jì)師及時(shí)有效地接收產(chǎn)品的反饋信息，討論并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。在概念設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)師的能力問題，無法整體考慮結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸和其他問題并在短時(shí)間內(nèi)優(yōu)化結(jié)果。而這不僅會(huì)使設(shè)計(jì)耗時(shí)，而且會(huì)因考慮不周導(dǎo)致返工。借助逆向工程的快速原型技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)初始階段快速獲得原型產(chǎn)品的真實(shí)樣品，并且可以根據(jù)問題快速修改和重做樣品，甚至可以制作試模和少量產(chǎn)品，以便判斷相關(guān)問題。這為設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造了良好的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)人員不需要反復(fù)思考和修改，可以盡快進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，通過產(chǎn)品樣本的展示，設(shè)計(jì)師還可以了解制造商、營銷商和未來用戶對(duì)此設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)和意見，實(shí)現(xiàn)及時(shí)溝通，確保設(shè)計(jì)方案順利進(jìn)行。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，如果制造商能獲得快速原型產(chǎn)品的真實(shí)樣品，甚至是少量試制產(chǎn)品，就能盡早就產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出材料和可加工性的意見。此外，其還能提高設(shè)計(jì)方案的可行性，降低加工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，如果銷售人員能獲得產(chǎn)品樣本，就能盡快咨詢用戶，并做出更準(zhǔn)確的市場需求預(yù)測，以判斷市場反應(yīng)。同時(shí)，營銷人員還可以收集市場上現(xiàn)有的暢銷產(chǎn)品，通過逆向工程收集產(chǎn)品的人機(jī)數(shù)據(jù)，從而提供基本的人機(jī)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)師以此進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)舒適且易于使用的產(chǎn)品。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，如果用戶能看到產(chǎn)品樣品，其就能盡早了解產(chǎn)品，進(jìn)行必要的試用，并提出相關(guān)建議，從而使制造商及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)產(chǎn)品。通過正向、逆向方式的結(jié)合，改變?cè)O(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)產(chǎn)品、消費(fèi)者使用產(chǎn)品的單一局面，使設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)，產(chǎn)品也能將信息反饋給設(shè)計(jì)師，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師與產(chǎn)品之間的互動(dòng)，使設(shè)計(jì)定位更準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)方案更完善[1]。

4 逆向工程中3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和影響

3D打印技術(shù)是在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)。其基于數(shù)字模型，使用粉末金屬或塑料和其他黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)建對(duì)象。3D打印通常由數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，常用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域制造模型，現(xiàn)在逐漸用于某些產(chǎn)品的直接制造。目前，該技術(shù)已在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和建筑、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療行業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程和槍支制造等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。這種快速成型技術(shù)采用“材料堆積”的方法，使物體不受生成三維平面的復(fù)雜性和過程的限制，變得簡單容易。3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用使其效率明顯提升。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師和建模人員或建模者可以利用三維打印技術(shù)將其設(shè)計(jì)的產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)化為物理對(duì)象，從而能輕松快速地為客戶和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)拿出產(chǎn)品模型，以便客戶直觀了解產(chǎn)品，促進(jìn)客戶與設(shè)計(jì)師之間的及時(shí)溝通，促進(jìn)客戶、市場與企業(yè)之間的溝通，及時(shí)調(diào)整方案，使產(chǎn)品最大化地得到市場的認(rèn)可。

4.2 逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的3D打印設(shè)置

采用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品需要使用3D打印機(jī)打印出樣品，以便于生產(chǎn)過程籌備、全面評(píng)價(jià)和調(diào)整改進(jìn)。3D打印是制造技術(shù)的創(chuàng)新，隨著該技術(shù)的成熟，其為制造業(yè)帶來了又一次的變革。同時(shí)，其還為研發(fā)、設(shè)計(jì)，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。現(xiàn)有的3D打印機(jī)種類較多，但操作和打印設(shè)置大都相同。首先，選擇打印機(jī)配置菜單，單擊配置選項(xiàng)，改變打印機(jī)設(shè)置中的通訊端口，將串口通訊波特率設(shè)置為115 200波特。需要注意的是，不能將波特率設(shè)置得過高，否則容易因受環(huán)境電磁的影響而出錯(cuò)，導(dǎo)致打印中斷等情況的出現(xiàn)。然后，通過打印機(jī)形狀選擇打印機(jī)類型，在打印綜合頁面上，選中“在任務(wù)中斷后返回停機(jī)時(shí)間”并檢查相關(guān)的打印數(shù)據(jù)。完成上述設(shè)置步驟后，就可以開始在線打印了。通過設(shè)定打印產(chǎn)品的尺寸而獲得的3D打印部件，僅是單一打印材料的模型產(chǎn)品。除材料外，模型對(duì)實(shí)際產(chǎn)品有一定的檢驗(yàn)要求，能為產(chǎn)品的定量生產(chǎn)提供驗(yàn)證依據(jù)。作為采用逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，建模結(jié)構(gòu)和零件細(xì)節(jié)中的原始目標(biāo)產(chǎn)品有很大不同。這些差異形成擴(kuò)展產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和獨(dú)特的產(chǎn)品特性。

5 結(jié)語

正向設(shè)計(jì)是一個(gè)從零開始的過程，通常產(chǎn)品的形狀不可預(yù)測。其需要通過許多試驗(yàn)進(jìn)行測試，成本很高。相對(duì)于正向設(shè)計(jì)，逆向設(shè)計(jì)是從物理原型到數(shù)字模型的逆向，是重新設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和優(yōu)化過程。逆向工程技術(shù)結(jié)合使用3D掃描和3D打印技術(shù)，完成產(chǎn)品的快速制造。物理模型的三維數(shù)字模型是通過表面重建建模軟件獲得的，用來幫助計(jì)算機(jī)輔助分析和制造。其應(yīng)用較為廣泛，尤其是在家用電器、工具、運(yùn)輸和其他復(fù)雜產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)中，在促進(jìn)產(chǎn)品造型美感和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期方面的作用非常大。逆向設(shè)計(jì)方法和3D打印技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的意義重大。

參考文獻(xiàn)：

[1]周磊晶.3D打印對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（18）：154.