基于Geomagic studio的產(chǎn)品逆向建模與3D打印技術(shù)研究

胡麗華，王 濤，侯巧紅，任少蒙

(河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引言

逆向工程(RE) 技術(shù)是從一個(gè)已經(jīng)存在但是沒(méi)有數(shù)字模型的零件入手，首先對(duì)其表面輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)化，隨后進(jìn)行點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)的操作得到理想的CAD模型的過(guò)程。

隨著《中國(guó)制造 2025》的正式發(fā)布，增材制造以及逆向工程等新技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸被大家重視，并將其作為《中國(guó)制造2025》的發(fā)展重點(diǎn)。

本次研究對(duì)某國(guó)產(chǎn)汽車上的一個(gè)連接件作為研究對(duì)象，在沒(méi)有數(shù)字模型的情況下，利用非接觸光學(xué)三維掃描儀對(duì)實(shí)物樣品進(jìn)行表面輪廓數(shù)字化，再通過(guò)逆向工程軟件得到產(chǎn)品的數(shù)字模型，并將其利用3D打印技術(shù)中的熔融層積進(jìn)行快速制造，為了產(chǎn)品在量產(chǎn)之前進(jìn)行裝配檢驗(yàn)。

1 逆向工程工作流程

逆向工程的具體工作流程包括：首先利用非接觸光學(xué)三維掃描儀對(duì)樣品進(jìn)行快速掃描，得到零件的表面數(shù)據(jù)，然后用Geomagic studio軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理、模型重構(gòu)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得到理想的CAD模型。

逆向工程的工作流程如圖1所示。其中，逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多邊形處理技術(shù)以及模型重構(gòu)技術(shù)。

圖1 逆向工程工作流程Fig.1 Work flow of Reverse Engineering

2 數(shù)據(jù)采集

準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)往往源自于數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中使用的方法和設(shè)備。本次研究的零件外形輪廓具有多曲率曲面，用普通的機(jī)械測(cè)量設(shè)備很難得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，所以本次數(shù)據(jù)采集選用北京天遠(yuǎn)三維科技公司生產(chǎn)的OKIO四目型非接觸式光學(xué)三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量精度高達(dá)0.005毫米，單幅掃描時(shí)間低于1.5秒，搭載的掃描系統(tǒng)整合GREC誤差控制模塊，采用藍(lán)光掃描技術(shù)對(duì)于暗色的物體也可以得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

任何測(cè)量設(shè)備都會(huì)不同程度地受到原理或者是測(cè)量環(huán)境的干擾，產(chǎn)生無(wú)法測(cè)量的區(qū)域，產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)。研究過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)不同產(chǎn)品的外形、尺寸、結(jié)構(gòu)等來(lái)判斷測(cè)量次數(shù)、路徑和角度，通過(guò)改變測(cè)量方法、測(cè)量角度、曝光程度以及測(cè)量參數(shù)，確定適合本次樣件的測(cè)量方法。

本次研究的樣件是某國(guó)產(chǎn)汽車上的連接部件，如圖2所示。掃描前進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定等設(shè)備調(diào)試工作，然后將被測(cè)樣件噴上白色顯像劑，貼上標(biāo)志點(diǎn)，將樣件放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，多次調(diào)整樣件的放置角度，使得樣件最大面積處于被測(cè)區(qū)域，減少盲區(qū)，如圖3所示。然后，利用轉(zhuǎn)臺(tái)拼接掃描得到樣件單面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將零件翻轉(zhuǎn)，按照上述步驟得到樣件反面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖4所示為樣件正反兩面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)物樣件Fig.2 Material object

圖3 數(shù)據(jù)掃描Fig.3 Data scanning

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.4 Point cloud data

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于拍攝環(huán)境影響掃描效果，在掃描過(guò)程中會(huì)得到許多漂浮在邊緣的體外孤點(diǎn)，也會(huì)有一些數(shù)據(jù)由于光線灰暗而沒(méi)有成功獲取，所以需要在軟件中清除噪點(diǎn)和補(bǔ)洞。在Geomagic studio軟件的菜單欄中有一個(gè)點(diǎn)命令，按下拉菜單欄順序依次點(diǎn)擊去除非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)，減少噪聲，采樣，對(duì)齊，手動(dòng)注冊(cè)，聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，如圖 5所示。經(jīng)過(guò)上述步驟的處理后得到點(diǎn)云，可以發(fā)現(xiàn)盡管點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)處理，但是產(chǎn)品表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的特征并未受到影響。

圖5 點(diǎn)云合并Fig.5 Point cloud combination

4 多邊形處理

點(diǎn)云處理階段完成后，封裝成三角形面片，但是依然存在很多重疊錯(cuò)誤、不平整的面片，需要對(duì)生成的多邊形進(jìn)行處理。多邊形處理主要是對(duì)模型表面進(jìn)行光順的過(guò)程，是曲面重建過(guò)程中關(guān)鍵的一步，主要通過(guò)網(wǎng)格醫(yī)生，檢查高度折射邊、自相交、釘狀物并刪除，然后通過(guò)簡(jiǎn)化多邊形，去除特征，填充孔，編輯邊界，修復(fù)等一系列命令減少表面波紋。對(duì)比曲面效果可以發(fā)現(xiàn)，處理后的多邊形曲面不僅表面光滑了許多，邊界也變得光順，如圖6所示。

圖6 多邊形處理Fig.6 Polygon disposal

5 曲面重構(gòu)

構(gòu)造曲面時(shí)要選擇合適的構(gòu)造方法。用一種近似的布局方法來(lái)分布四邊形面片，每個(gè)曲面片擬合成NUBRS曲面，只有得到了好的曲面片，才能創(chuàng)建滿意的NUBRS曲面。

進(jìn)入曲面階段后，通過(guò)探測(cè)輪廓線，編輯輪廓線，構(gòu)造曲面片等命令生成曲面片網(wǎng)格，再通過(guò)移動(dòng)面板命令得到均勻分布的曲面片。然后，通過(guò)構(gòu)造柵格，使曲面片之間G2連續(xù)，修復(fù)曲面片相交等問(wèn)題，最后應(yīng)用擬合曲面命令將曲面片合并并減少，得到完整的曲面之后將模型保存為STL格式。曲面構(gòu)建過(guò)程如圖7所示。

圖7 曲面擬合過(guò)程Fig.7 Surface fitting process

6 3D打印技術(shù)

本次研究采用的是價(jià)格低廉、成型原理比較簡(jiǎn)單的熔融沉積成型(FDM)工藝，通過(guò)導(dǎo)入STL格式文件，利用切片軟件對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后保存為gcode格式導(dǎo)入打印機(jī)，通過(guò)噴頭加熱對(duì)材料進(jìn)行融化，再按照一定的軌跡進(jìn)行層層堆積完成打印。國(guó)內(nèi)外幾乎所有的3D打印設(shè)備采用的數(shù)據(jù)交換格式都是STL。STL格式實(shí)際上就是一些小三角形片，占用內(nèi)存小，便于后期切片處理。與其他制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有快速化、數(shù)字化的特點(diǎn)，尤其是熔融沉積成形(FDM)工藝，成型方法簡(jiǎn)單，材料成本和設(shè)備成本較低，是做研究的最佳選擇。熔融沉積成形(FDM)工藝的基本流程如圖8所示。

圖8 3D打印流程Fig.8 3D printing process

6.1 3D打印的參數(shù)設(shè)置

首先要準(zhǔn)備一臺(tái)3D打印機(jī)以及一套切片處理軟件，將逆向建模得到的STL格式的文件導(dǎo)入切片處理軟件后，對(duì)模型的位置和大小進(jìn)行調(diào)整。一般將需要打印的模型放置于工作臺(tái)最中央，然后設(shè)置打印參數(shù)，如圖9所示。打印設(shè)置的層厚越小，打印所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，相應(yīng)的成型質(zhì)量就越高。本次打印的材料為PLA，噴頭溫度設(shè)置為200度，熱床溫度設(shè)置為50度，層高設(shè)置為0.2毫米，壁厚為1.2毫米，填充密度采用默認(rèn)設(shè)置為50%，打印速度為30 mm/s,支撐設(shè)置為每一處都需要支撐，填充密度為15%。

圖9 打印參數(shù)設(shè)置Fig.9 Print parameter setting

6.2 3D打印過(guò)程

將切片軟件中設(shè)置好的參數(shù)保存為gcode格式后，打開(kāi)打印機(jī)。首先進(jìn)行工作臺(tái)調(diào)平，整理工作臺(tái)面，設(shè)置3D打印機(jī)噴頭溫度和熱床溫度，使得和軟件設(shè)置的參數(shù)一致。然后，進(jìn)行噴頭預(yù)熱、進(jìn)料等一系列工作。完成之后，選擇需要打印的零件，根據(jù)以上打印參數(shù)本次打印需要2 h、13 min。在打印開(kāi)始后，觀察打印過(guò)程中有沒(méi)有斷絲、堵絲、打印層粘不牢等問(wèn)題，保證打印順利進(jìn)行。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整打印參數(shù)，包括打印速度、層高、填充密度、支撐填充密度以及零件放置角度，得到最佳的零件。打印完成后要進(jìn)行去除支撐，對(duì)零件表面、孔洞等進(jìn)行打磨處理等工作。

圖10 打印產(chǎn)品與實(shí)物對(duì)比Fig.10 Comparison of print product and material object

7 總結(jié)

通過(guò)逆向過(guò)程中的一系列技術(shù)得到樣件的數(shù)字模型。關(guān)鍵在于掃描設(shè)備的應(yīng)用以及逆向軟件的操作，并對(duì)其進(jìn)行1∶1的打印，可準(zhǔn)確地評(píng)估產(chǎn)品的外觀、功能、性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。再結(jié)合3D打印技術(shù)，可以為產(chǎn)品在量產(chǎn)之前進(jìn)行有效的生產(chǎn)指導(dǎo)，降低加工成本。不管在任何領(lǐng)域，在沒(méi)有數(shù)字模型只有實(shí)物的情況下，都可以采用逆向工程的手段進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。