逆向工程技術在產品個性化設計中的應用研究

顧錦豪 許曼玉 楊鈺泳 黃碧瑩

【摘 ?要】逆向工程結合快速成型3D打印是一項新興的設計制造技術，在個性化設計領域有著良好的前景和廣泛的應用。以鞋子設計為例，以人體足部的復雜曲面為原型，通過Win3DD-M掃描儀進行非接觸式測量方法獲取點云數據，提高了點云數據的質量，基于Geomagic軟件進行點云數據的精簡與處理，導入Geomagic Design X與rhino軟件進行三維逆向建模，最終通過3D打印技術制造，保證了精度要求且極大地縮短了產品的生產周期，降低了成本，可大幅提高設計效率并應用于實際生產加工。

【關鍵詞】逆向工程;個性化設計;逆向建模;3D打印

一、逆向工程設計研究簡介

1.1 研究方向

Reverse Engineering（RE）是一種新的計算機輔助設計技術，被稱為逆向工程。隨著社會科學技術與經濟水平的飛速發展，越來越多的工業產品“飛入尋常百姓家”，各式各樣的琳瑯滿目的消費品讓人眼花繚亂的同時也使人們從追求大家喜歡的產品轉變成追求適合自己的產品。逆向工程個性化設計便是其最好的解決方案。

在工業設計方面，逆向工程設計采用了3D掃描和3D打印技術相結合的方式，實現了產品的快速制造。將已有實物模型通過三維掃描儀測得模型表面的點云數據，經過曲面重構造型軟件獲得實物模型的3D數字模型，用于后續的計算機輔助分析與制造。

以制鞋為例，利用逆向工程對現有模型或產品進行數據采集，在計算機輔助設計軟件的操作下優化模型達到設計師的構想并通過3D打印機技術使之實現，在行業特點的研究基礎之上，實現個性定制的需求。通過3D打印技術實現工藝和設計的優越性，有利的加大了研發效率，注重創意，真正實現個性化定制。

1.2 現狀

工業與商品的繁榮是的原本粗糙的劃分越來越不適應多元化個性化的當今，制鞋行業也開始向精耕細作的個性化設計定制發力.3D打印技術在多種應用領域的不斷拓展，個性化定制生產即將成為一種新型的生產制造模式。設計領域與3D打印技術相結合，能夠為更多的設計師開拓新的設計思路，帶來更好的設計作品。

1.3 發展前景

在未來的幾年，設計師甚至會讓消費者直接從自己家里打印3D鞋款，而僅僅需要在網上購買了一個設計服務。像Sols這樣的公司正在盡最大的努力實現對3D打印定制鞋的需求。客戶可以拍下自己的腳，通過移動應用程序發送給Sols，幾天后他們就會收到一套定制的個性化鞋子。

二、逆向工程技術應用

逆向工程，又稱反求工程或反向工程，是以先進產品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，通過線代設計理論、方法、測量技術對已有產品進行建模、仿真，最終實現優化既有產品和再創造的過程。

逆向工程可以還原設備模型，在三維模型投產之前如果進行仿真分析，可以大大的縮短周期，節約成本和提高產品質量。所以有一種流行的觀點認為，逆向工程結合設計分析和仿真能本質上解決了設計不兼容性，部件適用性和產品性方面的問題。rhino提供了3D設計和模型修改功能，能夠更好的幫助逆向工程進行設備的改進和優化。可以從掃描儀打開掃描數據（網絡或點云文件）或從數學軟件中打開曲線數據，準備數據，然后將之轉換成曲面或實體模型。

2.1 逆向工程技術結合3D打印在個性化鞋子設計方面的應用發展

針對個性化鞋子的設計，來研究3D打印機和逆向工程的特點，提出3D打印機技術在鞋子個性定制中應用的可行性方案。通過3D打印技術可以按照設計隨心所欲的生產，省去傳統工藝的負責工序，節省材料快速研發，注重創意，真正實現個性化定制。通過完善的網絡技術，將產品信息提供給客戶，提高了客戶的購物積極性，方便迅速的定制到所需的款式。面向制鞋行業的3D打印技術的應用將提高了制鞋行業應對市場變化的正題競爭力。

通過學習現在國內外關于3D打印個性化鞋子方面的研究，利用逆向工程、快速成型等一系列的儀器設備，設計出有個性的籃球鞋的形狀。以符合個體化差異，應用于提高鞋子舒適度，使制作出來的鞋子滿足個體的。

三、個性化鞋子設計制作研究

3.1 掃描獲取現有的三維原始數據

本案例的創新設計的原型為人體足部醫療。基于逆向工程和快速成型3D打印貼合型個性化鞋子設計，為了得到較為準確的掃描數據，筆者采用型號為------的三坐標測量儀。在進行數據采集時，經過多次、多方位地掃描獲取了其點云數據。之后通過三維軟件重新建模，得到了三維模型。

通過對于腳部模型，使用Handyscan700進行激光定標點采集，經過多次采集后取得腳部模型的點云文件，對點云文件進行處理得3角網格文件，接著對其進行曲面化處理。而曲面重構的關鍵是根據測量所獲取的大規模的、散亂的點數據，重新構造具有復雜曲面外形的產品三維實體模型。

為了使三維掃描得到鞋子數據更加準確，在進行三維掃描實驗的過程中做好一系列的準備，盡可能的消除外界的干擾因素，提高掃描數據的精確度。

3.2 對點云數據處理并使曲面化

將掃描的初始模型導入到Geomagic軟件里進行表面優化處理。對于不規則的三角面進行選擇性刪除修改，對掃描中由于誤差產生的缺漏進行填補修復，多次優化后導出模型。

3.3 進行鞋子建模

在犀牛（Rhino）軟件中對已設計好的草圖建模，先對腳部模型貼合底部生成鞋底并除去多余部分，在將腳部模型與鞋子模型匹配并調整貼合面，在外部建立鞋面。

3.4 3D打印制作

相對于傳統加工方式，3D打印有著極高的性價比與靈活的制作周期，可實現個性化、高復雜性產品快速生產制造。選擇好打印機使用DreamMaker-Overloard 3D打印機，線材選用硬度為92A的柔性TPU。TPU材料適宜打印溫度為220℃-240℃，為了使產品精度良好且噪點少，打印過程中將溫度設置為230℃。為保證穿著性，將層厚設置為0.5mm，線性支撐為15%。

通過對傳統工業大批量生產的鞋子與個性化定制鞋子對比，采用逆向工程與3D打印結合的鞋子在單品價格與舒適性上有一定的提升。利用逆向工程技術可以很好的對設計原型復雜的物品做相關設計。

四、實驗總結

本文就逆向工程技術的應用進行了簡單的分析研究，實現從足部到TPU鞋子的逆向設計，這種方法為后續的工業設計與創意創新設計提供了參考。在個性化定制設計鄰域，隨著社會對快速創新產品日益高漲的需求以及計算機輔助技術、機器人技術和測量技術的飛速發展，逆向工程技術必將在更多領域內得到應用和發展。

（作者單位：華南理工大學廣州學院機械工程學院）