基于3D 打印與逆向工程技術的車床手輪快速成型

陳福德

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

三維掃描是采用一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術。測量時光柵投影裝置投影特定編碼的光柵條紋到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應圖象，然后通過計算機對圖象進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，解算出兩個攝像機公共視區內像素點的三維坐標，通過三維掃描儀軟件界面可以實時觀測左右相機圖像以及生成的三維點云數據[1]。

3D 打印是利用CAD 軟件將模型轉化為STL 數據，利用切片軟件對STL 文件進行離散分層，生成各層面掃描信息，3D 打印機根據每層截面信息逐層堆積材料，從而完成整個產品的疊加制造過程。本文基于三維掃描、逆向設計與3D 打印技術，主要介紹了車床滑板手輪的數據采集、點云數據處理、面片處理、逆向建模、3D 打印等逆向設計流程，為產品的逆向設計及快速成型提供重要參考。

1 獲取點云數據

本文使用的是先臨三維掃描儀，三維掃描軟件是與三維掃描儀配套使用的，因此在啟動軟件時，要確定硬件連接正確，接通所有硬件的電源，啟動計算機，三維掃描儀。軟件的操作流程如圖1 所示。

圖1 系統操作流程圖

打開3Dscan 掃描軟件，新建工程，按照標定步驟對掃描儀進行標定。手輪是黑色的，掃描時需要噴粉，如圖2 所示，噴粉時需注意需待噴涂表面晾干后，再進行翻面（戴一次性手套）。在系統進行硬件調整或運輸過程中產生嚴重震動的情況下，都需要重新標定，以保證掃描系統的精度。

圖2 噴粉

手輪掃描主要面為正反兩面，需要使用側面作為過渡面，在零件表面貼標識點的思路為：通過正面的標識點掃描出側面的標識點（至少3 個），如圖3所示，再通過側面的公共標識點掃描反面。標志點盡量要隨機貼在物體表面上的平坦區域，與曲面每邊邊緣的距離保持在12 mm，兩兩相鄰標志點的最小距離應保持在20 mm～100 mm 之間，標志點盡量不要貼在一條直線上。調整掃描距離及角度，使得正面和側面標識點可一次性掃描完整。掃描操作按鈕，系統將自動進行單幀掃描，在顯示界面顯示三維點云數據。調整零件的傾斜角度，在相機預覽窗口觀察，當正面與側面的標識點同時可以被相機拍到即可，每次旋轉零件90°，完成正面、側面和背面的掃描（圖4），保存點云數據。

圖3 貼標記點

圖4 各面掃描結果

2 數據處理

點云處理的目的是將獲取的點云數據轉化為面片，為逆向建模做基礎。打開Geomagic Studio 軟件，導入手輪點云數據，采樣比率100%，單位mm。著色處理，設置旋轉中心，便于操作；刪除多余的點云，多角度觀察；刪除體外孤點，重復3 次；斷開組件連接，重復3 次；分割設置為低，尺寸5，選出非連接部分刪除；減少噪音，平弧度水平設置2 或3，迭代次數5，偏差限制0.15 mm；減少點源，進行封裝，封裝后的點云數據轉換為面片形式，但是不夠光順，需要進行面片處理，并輸出*.stl 格式。利用Geomagic Design 軟件完成手輪的逆向建模，如圖5 所示。顯示面片，顯示實體，打開“Accuracy Analyzer”對話框，選擇“偏差”，觀察與原模型對比的誤差，如圖6 所示。如果有大面積嚴重偏差，或者總體偏差傾向大或者小，需要修改模型[2]。

圖5 建模

圖6 模型分析

3 3D 打印

手輪模型設計完成后，將導出的STL 模型導入切片軟件進行切片處理，使得3D 打印機能夠識別文件，然后按照每一層的文件進行逐層打印。打開切片軟件Cura_15.04.6，將STL 模型載入軟件中，根據實際需要設置合適的打印參數，完成切片處理。因為模型結構中，部分地方需要支撐，設置時需注意支撐選擇。

按照PLA 材料特點，為增加粘附力，溫度設置為200 ℃；采用標準打印質量，層高設定為0.25 mm，保證打印速度；外周殼數量設定為2，封底層數和封頂層數設置為3，保證有足夠的強度；填充設置為20%，在保證強度的同時，提高打印效率；打印速度設置為50 mm/s，空走速度設置為90 mm·s-1，這樣既不影響打印質量，又能保證打印效率；打印參數設置完成后，點擊確定，切片軟件開始對模型進行切片處理，并估算打印時間和消耗耗材長度，此時可開始正式打印[3]。

開始打印模型前需檢查打印的工作狀態，打印材料是否正常，是否有斷絲的情況，打印噴頭是否通暢，打印平臺是否平整。可通過USB 數據線在線打印或SD 卡離線打印。將保存有G-code 路徑文件的SD卡插入打印機卡槽，啟動FDM 打印機，打印平臺調平，高度調整，打印機預熱，加熱至打印設置溫度，開始打印，打印機按照切片分層生成的路徑逐層堆積成型，如圖7 所示。模型打印完成后，將其從打印平臺取下，去除打印支撐，進行表面處理。

圖7 打印模型

4 結語

手輪掃描的是正反兩面，需要使用側面作為過渡面。掃描前需對掃描儀進行標定，在模型表面均勻合理的粘貼標識點，進行掃描獲取完整的點云數據。對點云數據進行處理將其轉化為面片，將封裝后的數據進行面片處理，保存為*.stl 格式，利用Geomagic軟件進行逆向建模并分析，利用Cura 切片軟件設置合適參數后，對模型切片分層生成Gcode 代碼。將數據載入打印機，平臺調平，調整高度，預熱后，打印機有選擇地逐層堆積成型。