基于逆向工程和SLS技術的摩托車后視鏡模型制作

李小城 段賢勇 羅賢國

摘 要：采用逆向工程技術獲得實物產品的數據模型，然后通過軟件對獲得的模型進行修改、處理，再運用激光選區燒結技術在快速成型機上燒結成型，燒結產品進行后處理強化后即可獲得滿足使用要求的功能件。逆向工程技術和SLS技術的應用為新產品開發、試制和文物修復及復制等提供了一條有效的途徑。

關鍵詞：逆向工程；激光選區燒結；模型；后處理

中圖分類號：TG7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0029-04

Abstract： The data model of physical product is obtained by reverse engineering technology， and then the obtained model is modified and processed by software， and then the laser selective sintering technology is used to sinter and shape the product on the rapid prototyping machine. After the sintering products are processed and strengthened， the functional parts that meet the requirements of use can be obtained. The application of reverse engineering technology and SLS technology provides an effective way for the development of new products， trial production， restoration and replication of cultural relics and so on.

Keywords： reverse engineering； selective laser sintering； model； post-processing

逆向工程技術（Reverse Engineering，RE）也稱為反求工程，是根據已有的產品模型或者實物，反向推出產品設計數據的過程。它運用3D數字化測量儀器準確、快速的測量出產品表面數據，并在軟件中進行編輯、修改和重構，構建出產品的3D模型。再通處理軟件獲得加工數據，最后，通過數控加工或者3D打印制作出樣品。RE技術主要應用于產品仿制、工業產品設計和產品檢測等三個方面，產品的設計周期和開發周期大大縮短，降低了開發成本和風險，同時也彌補了傳統設計方法的不足。[1-2]激光選區燒結技術（Selective Laser Sintering，SLS）技術是3D打印技術（RP）中使用最廣泛的一種，通過激光加熱可熔融粘接的金屬或非金屬粉末材料根據可以直接將產品數字模型燒結成實體零件。[3-4]RE、RP的應用，為新產品的開發和試制提供了一種更加快捷、精確和經濟的途徑。

本文以摩托車后視鏡為載體，運用逆向工程技術構建了產品的三維數字模型，用激光選區燒結技術制造出了模型實物，最后對燒結件進行強化處理，獲得了滿足使用的樣件。

1 實物3D數據的采集

采集所使用的設備為VLS-100三維激光掃描儀，圖1為摩托車后視鏡實物。為了便于掃描得到完整的數據和曲面重構，在掃描前對實物做一些必要的處理，如粘貼特征標記，噴涂反差增強劑。具體采集過程包括以下幾個方面：

（1）粘貼特征標記。由于一次掃描不能夠獲得所有實物表面數據，因此，需要進行多次測試，為了方便每次測試的點云數據對齊，需要粘貼標記，可以在特征曲面處多貼幾個標記，貼在后視鏡邊緣處不同的位置；從被測件的形狀分析需兩次掃描，正、反兩面各掃一次。

（2）噴涂反差增強劑。該后視鏡的表面有鍍層，有鏡面亮度。在掃描過程中使掃描激光發生干擾反射，引起掃描數據缺失或變形。所以應采取措施降低表面的反光度，被掃描物體的理想顏色是無光白色，一般顏色越淺越好，因此，需要噴涂反差增強劑等方法改變被測物體的顏色。噴涂時要使噴嘴遠離測試件大約30-50cm，這樣噴涂均勻，又能保證涂層不至于太厚。

（3）固定測試件。把被測物體安放在測量平臺的中心，并與測試臺固定好，防止工作臺在移動的過程中使得測試件偏離原來位置，導致獲得的點云數據失真。

（4）確定大小。通過預覽，確定掃描物體的大致掃描邊界，確定被測件的左右和上下及X和Z向范圍。

（5）數據采集。根據被測件的特征，采用平面掃描方式測試該件。步進為0.1mm，測試完正面后，以同樣的方式再測試背面。

（6）數據保存。將掃描數據用asc格式保存。掃描得到的點云數據如圖2。

2 重構曲面

2.1 點云的去噪處理

運行Imageware軟件，導入掃描獲得的數據文件。由于空氣中的粉塵等原因干擾，掃描所得的數據周圍會出現大量的噪點，所以必須去除。在軟件中逐步框選噪點并刪除，獲得干凈的點云數據。

2.2 數據對齊

根據在后視鏡上所貼的特征標記，制作對齊曲面特征。將特征標記點云的外圓輪廓擬合線圓，每個點云數據擬合三個圓，接著把一個點云和所對應擬合的圓組合，然后根據逐步對齊法對齊點云。具體作法為在特征標記點云邊界選擇點，建立新點云數據，共建立六個，分別擬合六個圓，把正面點云數據和對齊特征建立組合，然后選擇相對應的線圓組合，把點云數據對齊，如圖3。此時特征標記點云和新建的點云及擬合的圓的任務完成，全部刪除，對齊后的點云見圖4。

把后視鏡的兩組點云對齊以后，得到的點云坐標系仍然是掃描儀賦予的坐標系，這個坐標系與Imageware的全局坐標系不一致，這就導致了點云缺少合適的位置信息，處理起來十分不方便，所以再把點云坐標系和 Imageware的全局坐標系也對齊。

2.3 點云精簡

在Imageware中按Modify/Data reduction/sample Uniform命令精簡數據，Point Interval設置為2，數據精簡一半，將重合的點云刪除。

2.4 數據分割及曲面重構

最后，對點云進行數據分割和曲面重構，根據摩托車后視鏡外形特點，可以把整個后視鏡表面分成正面和背面兩大部分去分別處理。再將正面分成五部分，編號為1、2、3、4、5，底部曲面分成五部分，編號為6、7、8、9，10如圖5。把整個點云數據分割成十部分，每一部分根據外形的特點，采用不同的方法將點云擬合成與實物相符曲面。最后，將重構好的各部分曲面縫合，得到的后視鏡3D模型，并以STL格式保存，圖6為重構好的模型曲面。

3 SLS燒結成型

3.1 數據模型前處理

（1）Magic曲面修補

由于曲面在生成STL文件格式時會出現諸如三角面片的法向量錯誤、孔洞、頂點錯誤、孤立面、重疊面等一系列錯誤，首先需要對這些錯誤進行修補，否則在后續的模型切片或文件轉化時可能出錯，導致前處理或加工過程無法進行，可以在Magic軟件中進行曲面修補，自動生成支撐。

首先，把文件導入到Magic軟件中，查看屬性時可以發現有很多錯誤，其中壞邊3460個，壞輪廓52個。通過Fix Tool Sheet模塊修補這些錯誤，一般情況下用自動修補命令，多數的錯誤都可以修補，設置迭代次數為5，縫合寬度0.5mm，運行修補后，壞邊的個數為0，壞輪廓的個數為0，修補前、后的數字模型如圖7和圖8。

（2）添加支撐/切片

支撐的添加對于快速成型是一個非常重要的環節，雖然SLS成型過程中粉料本身可以作為支撐，但是對于一些特殊形狀的制件，添加支撐可以有效的減小翹曲，防止燒結層的移位，對提高成型精度起到很大的作用。根據產品特點，現設置三個柱位和周邊等四個支撐，添加的支撐如圖9所示，支撐厚度0.5mm。切片厚度設置為0.2mm，切片后文件轉化成CLI格式。

（3）生成加工文件

把以上得到的CLI格式文件，導入到ARPS軟件中生成afi格式的加工文件，并設置一些參數和選項，如掃描間距（0.15mm）、掃描方向（X、Y方向交替）；同時，對生成文件進行加工預覽，檢查加工中是否有錯誤產生。

3.2 SLS燒結成型

SLS燒結成型是整個過程當中比較重要的一環，在開始加工前將快速成型設備打開，裝好粉料，進行預熱；同時，將前處理的加工文件導入到成型設備中，按表1設置其成型工藝參數。在預熱溫度達到110℃時開始加工，系統會自動完成產品燒結成型。

3.3 成型件的后處理

激光選區燒結制件強度比較低，而且表面粗糙，并不能滿足使用的要求，需要對燒結出來的制件進行清理、打磨、修補、浸滲樹脂、固化等后期處理。

其中滲樹脂的目的有兩方面：

（1）提高燒結件的強度。由SLS燒結的制件本身強度較低，不能滿足使用要求。通過滲樹脂處理可大大提高快速成型件的強度，經過強化處理的燒結件比原件強度提高近10倍。[6]

（2）提高制件表面光潔度。燒結出來的快速成型件表面粗糙，由于材料為粉末材料，表面有顆粒狀浮粉，表面光潔度不夠，滲樹脂固化后，燒結件中的粉末顆粒間空隙被樹脂填充，固化后成為一體，經過打磨可以提高表面光潔度。

滲透處理時，為了節省環氧樹脂材料，可以把配制好的環氧樹脂用毛刷刷到快速原型件表面上，刷的時候從一個面上刷，讓樹脂從一個面逐漸的滲透，環氧樹脂固化后，然后用細砂紙打磨，直到表面非常光滑為止。經過后處理的SLS制件，如圖10所示。

4 結束語

用摩托車后視鏡為實物模型，通過掃描獲得模型表面點云數據，并通過逆向工程后處理軟件，對數據模型進行去噪、對齊、精簡、曲面重構等處理，最后獲得產品3D模型。將獲得的3D數據模型再次通過SLS工藝過程的前處理、SLS成型和后處理強化，獲得強度和表面精度滿足使用要求的樣品或功能零件。從而為逆向工程和SLS技術在產品開發、仿制和檢測方面的應用探索出一個較優工藝流程。

參考文獻：

[1]趙志國.激光選區熔化成形技術的發展現狀及研究進展[J].航空制造技術，2014（19）：46-49.

[2]楊文建.快速成形技術在快速模具制造中的相關應用[J].湖南農機，2013，5：56-57.

[3]胡層良.快速成型和快速模具在現代工業中的應用[J].塑料工業，2006，34（2）：66-69.

[4]梁培，徐志鋒.快速成形技術在鑄造模具制造中的應用[J].模具工業，2010，10：72-76.

[5]任東風.基于逆向工程和快速成形的環氧樹脂模具制造研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2008：23-31.

[6]李小城，王鵬程.聚苯乙烯粉SLS成型件后處理實驗研究[J].雞西大學學報，2016，16（4）：36-38.