3D打印與逆向工程實(shí)驗(yàn)在先進(jìn)制造技術(shù)課程中的應(yīng)用*

（武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081）

0.引言

隨著科技的發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)也有了很大的發(fā)展，作為國內(nèi)眾多高校機(jī)械類學(xué)生的一門專業(yè)課,旨在向?qū)W生傳授國內(nèi)外先進(jìn)的制造技術(shù)。3D打印技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)和生產(chǎn)方式變革的產(chǎn)物，該技術(shù)以數(shù)字化、人工智能及新型材料應(yīng)用為特征，被喻為第三次工業(yè)革命核心技術(shù)之一[1]。為了更好地培養(yǎng)先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)人才，除了需要加強(qiáng)理論教學(xué)，還要制定完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。通過3D打印與逆向工程相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生更好的理解先進(jìn)制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，掌握相關(guān)的實(shí)踐技能，提高學(xué)生的綜合能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，在應(yīng)用性和創(chuàng)新性的人才培養(yǎng)體系中有著重要的意義[2]。由于3D打印技術(shù)的諸多特點(diǎn)，在先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)過程中引入3D打印和逆向工程實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生學(xué)到三維軟件知識(shí)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集等相關(guān)知識(shí)，并通過3D打印與逆向工程，使學(xué)生深入了解利用高科技手段進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的概念[3]。

1.先進(jìn)制造技術(shù)課程現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)許多高校都把先進(jìn)制造技術(shù)這門課作為工業(yè)工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的必修課，但在先進(jìn)制造技術(shù)的講授過程中，仍然存在一些問題[4-5]：先進(jìn)制造技術(shù)課程內(nèi)容較為繁雜，所涉及到的各種先進(jìn)制造工藝、概念較多，很多先進(jìn)制造技術(shù)，如增材制造技術(shù)、激光、電火花加工等都已廣泛應(yīng)用，而教師在教學(xué)時(shí)一般只是純理論講解，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，這在一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)。

針對(duì)以上問題，在結(jié)合個(gè)人教學(xué)體會(huì)和他人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)技術(shù)理論和實(shí)踐相結(jié)合的復(fù)合型人才為目標(biāo)，提出理論授課和實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合的教學(xué)模式，將3D打印技術(shù)與逆向工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成新的綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力。

2.3D打印與逆向工程綜合性實(shí)驗(yàn)課程

2.1 3D打印的工作原理

3D打印技術(shù)是近30年來全球先進(jìn)制造領(lǐng)域興起的一項(xiàng)集光/機(jī)/電、計(jì)算機(jī)及新材料等學(xué)科于一體的先進(jìn)制造技術(shù)。與切削等材料“去除法”不同，該技術(shù)通過將粉末、液體及片狀等離散材料逐層堆積，“自然生長”成三維實(shí)體。

增材制造的主要工藝有4種：光固化成型法、分層實(shí)體制造法、選擇性激光燒結(jié)法和熔融沉積制造法[6]。結(jié)合高校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求及價(jià)格等因素，高校通常會(huì)選購桌面級(jí)3D打印機(jī)作為教學(xué)設(shè)備，使用的材料大多為ABS、PLA、聚乙烯等，打印出的零件強(qiáng)度與注塑模具相當(dāng)，但粗糙度與成品有一定的差距，還需進(jìn)行后期處理。

2.2 逆向建模的工作原理

在逆向建模的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先使用三維掃描儀對(duì)物體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，通過逆向設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)其CAD實(shí)體模型重建，并通過打印機(jī)實(shí)現(xiàn)模型的快速成型制造。

三維掃描儀是采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測(cè)量技術(shù)。測(cè)量時(shí)光柵投影裝置投影特定編碼的光柵條紋到待測(cè)物體上，兩個(gè)攝像頭同步采集相應(yīng)圖像，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)于圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理，解算出攝像機(jī)與投影儀公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后通過三維軟件實(shí)時(shí)觀測(cè)相機(jī)圖像以及生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 三維掃描儀系統(tǒng)框圖

2.3 實(shí)驗(yàn)軟硬件配置

本文提出的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的授課方式，其目的是使學(xué)生更直觀地理解先進(jìn)制造技術(shù)，通過3D打印與逆向工程的綜合性實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)效果。

3D打印教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要若干臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)，以及與之配套的PC機(jī)；逆向工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要若干臺(tái)三維掃描儀、高精度標(biāo)定板、三腳架與云臺(tái)等。在軟件方面需要用到三維掃描處理軟件3Dscan，數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio，格式轉(zhuǎn)化軟件MakerWare以及與打印機(jī)配套的數(shù)據(jù)處理軟件Replicator G等。

2.4 逆向工程實(shí)驗(yàn)

逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)采集和模型重建[7]，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先采用激光掃描儀對(duì)物體模型的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待掃描后可得如圖2所示的掃描數(shù)據(jù)，紅色圈內(nèi)是掃描獲得的8張模型在不同位置的數(shù)據(jù)。

圖2 掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

而后需要將掃描后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio等預(yù)處理軟件中，生成初步的掃描模型；最后再對(duì)圖形進(jìn)行減噪、填孔、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象、合并、封裝等后處理操作，生成完整的三維模型，圖3是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理完成前和完成后的模型示意圖。

圖3 預(yù)處理前后模型圖

2.5 3D打印實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行3D打印之前需要對(duì)掃描的三維模型進(jìn)行分層，生成二維幾何信息，控制噴嘴的移動(dòng)。進(jìn)絲裝置將ABS/PLA等材料加熱至熔化狀態(tài)，同時(shí)，出絲噴嘴將處于熔化狀態(tài)的材料擠壓出噴頭，按加工路徑均勻的噴涂在打印機(jī)工作臺(tái)上，再通過升降系統(tǒng)完成接下來的新薄層打印，反復(fù)這一過程直至零件打印完成。

一般來說，通常將3D打印過程分為建模、分層、成型和后期處理4個(gè)部分[8]。而在3D打印過程中普遍采用的是STL格式的文件，當(dāng)模型輸入電腦以后，需要通過相應(yīng)的軟件來進(jìn)一步分層處理，通過該軟件可以對(duì)打印模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如模型的大小、方向、比例、切片的厚度等，切片處理后的模型在軟件中顯示如圖4所示。

圖4 后處理模型圖

3D打印是基于材料累加原理的快速成型操作過程，將計(jì)算機(jī)中的三維模型通過分層添加材料來創(chuàng)造出實(shí)物的一種疊層制造技術(shù)。具有不受零件復(fù)雜程度限制、完全數(shù)字化控制等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中利用逆向工程與3D打印技術(shù)的結(jié)合，可大幅縮小新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本，更能滿足市場(chǎng)個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求。利用3D打印技術(shù)打印出的模型如圖5所示。

圖5 模型打印圖

3.結(jié)論

本文重點(diǎn)闡述了利用3D 打印機(jī)及三維掃描儀制作三維模型的實(shí)驗(yàn)過程，給出了從物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取到三維模型的重建，最后實(shí)現(xiàn)3D打印的全過程，建立了3D打印與逆向工程相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)方法。

文中對(duì)在先進(jìn)制造技術(shù)課程中開設(shè)3D 打印與逆向工程實(shí)驗(yàn)的可行性做了闡述，并對(duì)開設(shè)該實(shí)驗(yàn)所應(yīng)具備的軟硬件提出了相應(yīng)要求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將3D打印機(jī)和三維掃描儀等先進(jìn)設(shè)備運(yùn)用到先進(jìn)制造技術(shù)課程的講授過程中，使學(xué)生腦中的抽象模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)的物體，極大增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)于提高學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力都有積極的推動(dòng)作用。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，可以進(jìn)一步完善先進(jìn)制造技術(shù)這門課的內(nèi)容。