基于3D 打印與逆向工程產品創新設計★

李 培

（湖南化工職業技術學院， 湖南 株洲 412000）

1 3D 打印技術

3D 打印技術是一種非常典型的數字制造技術，可以利用電腦軟件把三維模型直接轉換為數字代碼，然后通過3D 打印機執行數字代碼，再利用適合的打印材料，將分解出的數字代碼進行逐層打印，最后形成一種立體化的實物打印技術，即利用專用軟件將三維模型切成薄層或截面，3D 打印設備用特殊的工藝方法層層粘結疊加成三維實體，最后對三維實體進行最終的處理進而得到一些零散的形狀。

3D 打印技術的特點主要有：生產過程數字化，技術集成度高；產品的復雜程度不會增加產品的成本；產品快速成型，無需組裝；制作技能門檻降低、設計空間無限；不占空間、便攜制造；節約環保的加工方式；可對實體進行精確的復制。

2 熔融沉積成型原理

熔融沉積采用絲狀材料作為加工物質，一個成型的設備需要多個零部件和系統來共同組合而成。一般來說，設備上安裝的噴頭裝置需要通過電腦軟件的控制來進行X 和Y 兩種方向的操作運動，而工作臺的運動方向主要為Z。其具體的工作原理為：首先將絲狀熱塑性材料直接傳遞到噴頭，然后將噴頭進行加熱，直到材料充分熔融，將其涂抹在工作臺當中，等到冷卻后，便可快速形成加工工件的具體輪廓，這樣經過逐層的涂抹和輪廓形成及輪廓截面，一次又一次的循環，便可完成三維實體制作。

3 3D 打印在新產品開發中的應用趨勢

3.1 材料選擇范圍更廣

當前最為流行的3D 打印技術主要是通過一種塑膠打印材料，經過熔融以后，再通過冷卻加工成具體的產品，即FDM打印技術。然而，目前市場中的產品多種多樣，除了有塑膠打印材料以外，金屬打印材料的應用也非常多。金屬3D 打印機的定價非常高，并且打印流程也較為復雜。由于技術問題，很多中小企業難以引進，所以對于3D 打印行業來說，未來全面實現金屬3D 打印的普及化和廣泛化非常關鍵和重要。

3.2 產品打印速度更快

就3D 打印行業來說，最主要的關鍵在于提升打印速度，盡管當前3D 打印技術已經能夠幫助很多企業減少成本支出，節約時間，但仍有很多企業希望在打印速度方面予以更大的提升和改進，企業就可以更快速地完成樣品打印，再根據樣品制作出成品。事實上，很多國內外的3D 打印技術研發團隊針對打印速度問題，進行了全方位的研究、探討和創新，希望能夠攻克3D 打印速度這一難題，使其得以更快的發展，預計未來3D 打印將在很短時間內便可完成，幫助企業提升生產效率。

3.3 產品打印質量更高

4 逆向工程

逆向工程，也稱反求工程、反向工程，其思想最初來自從油泥模型到產品實物的設計過程[1]。逆向工程技術并不是簡單意義的仿制，主要是通過系統設計為指導，利用當代最主流的設計技術和設計理論作為技術基礎，參考和借鑒其他優秀人員的設計經驗，針對已有產品展開全面的研究和分析，并在此基礎上進行重構和再創造。逆向工程主要應用在以下幾個方面。

4.1 新產品研發

在對汽車、飛機等產品外觀方面有較高美學要求的行業，首先必須由設計師利用各種打印材料制作出符合標準的產品模型，按照所制作出的產品模型，再利用3D 打印軟件將其以實物的形式體現出來，通過逆向工程技術把模型轉變成CAD 模型，最終得到精確的數字定義。

4.2 產品的仿制和改型設計

通過逆向工程技術對產品數據展開數據采集和處理，根據已經采集好的數據制作出與實物相吻合的CAD 模型，然后以此為基礎，對產品進行相關的改進優化，生成加工程序，這是常用的產品設計方法。這種設計方法是在借鑒國內外先進設計理念和方法的基礎上提高自身設計水平和理念的一種手段，能夠在家用電器玩具等行業針對產品修改的過程廣泛應用和推廣。

4.3 產品損壞或磨損部位的還原修復

利用逆向工程技術可對產品損壞或磨損部位進行信息提取，進行自主開發設計、破損部位的表面數據恢復或結構的推算、還原修復等。

4.4 快速模具制造

對現有模具進行逆向數據采集，構建CAD 模型并將其制作成模具加工程序，這樣既能夠提升模具的生產效率，又能夠減少模具的生產成本，此外，還能夠將實物零件作為主要制作對象，利用幾何學制作出CAD 模型，并以此模型作為基礎展開模具設計。

4.5 逆向工程與產品創新

在設計制造領域，任何產品的出現，都包含著對現有科學技術的應用和借鑒，在繼承的基礎上進一步完善和發展。逆向工程并不是一味的進行簡單的模仿，而是改進和再創造，最終目的是創新。面向設計的逆向工程是“理解原型——分析原型——重構原型”的過程。利用逆向工程技術可以更好地借鑒學習和吸收更多好的打印技術以及打印設計理念，在此基礎上，將我們原先的打印技術進行更新和優化，這樣便可進一步創新傳統打印技術，這是一種提高產品質量的方法[2]。

5 基于逆向工程與3D 打印的汽車玩具模型設計實踐

5.1 數據采集

在進行數據采集時，需要應用到激光掃描設備，該設備的主要工作原理是可以把激光束直接照射到目標物體上，利用感光器件來接收物體當中反射出的光，然后根據具體的發射時間、距離、光源大小等計算出物體的具體坐標位置。本項目采用先臨EinScan Pro 型掃描儀，該掃描儀的掃描模式極佳，能做到精細和快速掃描。可以針對尺寸不同的物體進行精確的3D 掃描建模，而且掃描效率非常高。本次項目對市面上的導盲拐杖進行數據采集，形成了三維數據文件。

以汽車玩具模型為例，汽車模型有完整的汽車結構，包括車身、輪轂、后視鏡等，通過產品特性分析，模型結構較為簡單。

傳統產品導入期主要做廣告宣傳、客戶開發、建立渠道模型等，需建立爆品思維、洞察用戶需求，尋找超級用戶，點燃引爆點。在快消品行業，產品經理普遍接受傳統產品成長期為3年，就算在傳統營銷時代，值得國人傲嬌的“怕上火喝王老吉”最快也用了1年半，這還不算之前的漫長等待。而后的成熟期，需小心翼翼維護市場——不能串貨、不能亂價、必須持續廣告和公關，維持品牌可見度和曝光率。運用4P進行市場擴張，提高市場占有率。

根據特點確定采用非接觸式掃描，在通過手持式掃描儀進行掃描時，首先必須明確模型的具體拼接形式，一旦掃描模型無法進行單次掃描時，可以相應采取多次掃描的方法，采用這種方法必須確保處理好每個單片模型之間的整體拼接問題。Shining3D軟件具備兩種不同類型的拼接方法，即標志點自動拼接和非標志點手動拼接兩種方法，在進行物體掃描時，可以根據實際情況選擇合適的拼接方法。

在掃描玩具車模型時按照車頭、車身、車尾、車身左右兩側、車底的大致順序進行，最后查看是否有未掃描到的部位，若有則繼續掃描，直到整個模型全部掃描完整為止。掃描參數設置如表1 所示。

表1 掃描參數

對玩具車模型掃描情況分析發現：該產品的材質為塑料材質，高度反光，掃描儀無法直接掃描采集數據，需要對模型進行噴涂顯像劑處理。產品外觀面特征較多，掃描時間較長，需提高掃描速度，因此，對模型進行粘貼標志點處理。

在采集曲面較復雜的物體時，可以采取以下方法：

1）噴涂顯像劑適用的物體分別有黑色吸光物體、反光物體以及透光物體。

2）粘貼標志點的物體主要有軸類、回旋體零件以及大尺寸工件。

3）使用掃描儀采集模型三維數據必須要將模型的特征采集完整，否則會對后期逆向建模造成影響。

4）模型采集的點云數據可通過先臨三維掃描系統封裝拼接為網格面片數據。

5.2 數據處理與CAD 建模

我國在逆向工程技術方面的研究越來越深入，而且這種技術在商業市場中的應用越來越受到關注。見表2。目前，在逆向工程技術領域，最關鍵最主要的是要不斷開發與其相關的設計軟件。

表2 汽車玩具產品逆向建模及正向建模技術特點對比

坐標對齊與數模重構是逆向工程技術的核心技術，本設計運用Geomagic Design X 軟件進行汽車模型的數模重構，主要完成以下內容：

1）Geomagic Design X 點云數據構建三角面片，根據三角面片幾何特征重新分割領域組，在領域組上進行特征識別，根據幾何特征，構建NURBS 曲面，以實體方式建立產品的數字化模型，導入三維建模軟件，出工程圖紙。

2）坐標對齊方法：掃描數據對齊、目標對齊、球體對齊等。運用Geomagic Design X 進行玩具汽車坐標對齊的過程。

3）數模重構的步驟以及汽車數模重構的具體過程：STL 數據導入→領域分割→坐標系擺正→分割建?！鷮С鰯祿3]。

5.3 產品創新設計

產品創新設計主要考驗的是設計者的設計水平和創造能力，需要設計人員利用當前較為先進的科學技術有針對性地對產品進一步創新和升級，設計出能夠符合當前科學技術發展且比較實用的產品。

在實際設計過程中，必須要結合一定的創新理念。設計人員在設計過程中必須要具備一定的創新性思維，能夠將當前先進的科學技術文化等多方面的元素綜合運用到設計當中，確保設計出的新產品既具有一定的創新性，又具有很強的實用性。在進行創新設計時，具體可以從以下兩點進行考慮：站在用戶需求的角度考慮并著手設計，保證所涉及的產品能夠充分滿足用戶要求。其次，要站到產品實用性及功能的角度去考慮和設計，保證產品擁有更多的新功能和新的作用。本設計案例中的玩具汽車，曲面較為復雜，所以采用逆向掃描獲取點云數據。

逆向創新主要是指當無法獲得全面的技術資料時，可以對已有的創新產品展開全面的研究和分析，包括對已有產品的結構、工藝材料等多個方面展開研究，進而利用逆向思維來分析已有創新產品的具體構成及工藝等。這種方法在新產品開發當中也非常實用，具體的逆向設計流程和主要步驟如下：

1）拆封打開汽車結構，前蓋和底板要徹底分離。如果在進行大件解體時，必須要注意保持零件原貌和原安裝的要求，在研究產品的外殼造型及包裝方面的創新時，要通過利于逆向可交叉的方法對其進行分析和研究，這樣才能獲得可靠的創新想法和技術。

2）對產品結構進行分析過程中可綜合考慮采用的工藝以及材料等。

3）在對汽車模型進行分解研究及測試分析時，能夠發現其中比較好的地方以及極具創新的地方，利用逆向技術分析，可以反復對這些比較突出的技術進行研究，總結出能夠適用于更多產品的創新性技術。

4）經過詳細的分析研究以后，可以將每一項逆向分析結果進行匯總和再一次測驗，找出其中的內在聯系和作用關系，并且將所總結出的逆向結果進行更深一步的創新和優化，最終分析總結出這種新產品中的創新技術優勢以及特征，通過與傳統產品的技術比較，歸納分析出更好的創新策略和創新方法。

5.4 3D 模型打印

利用三維建模軟件完成數據模型后，采用打印機對模型進行打印。3D 打印成型的流程：對打印機進行調平→安裝材料并送絲→選擇打印模型進行打印。對于3D 打印機來說，鑒于其在打印材料和精度方面有著非常多的要求，所以必須要對已經打好的成品進行二次處理，如去除打印物體的支撐。對于常見的熔融堆積型的3D 打印機，需要將產品從底板中正確取出，然后通過剪刀將其進行進一步的修正。在打印精度不高時，打印出來的物體在細節上可能跟期望的會有所偏差，有的要進行拋光和上色，需要通過后期處理來完善產品[4]。

6 結語

本文主要論述了3D 打印和逆向工程的內涵，闡述了其主要的應用范圍，并以汽車模型逆向設計為例，介紹了該產品在3D 打印與逆向技術中的應用流程，同時探討了操作過程中的策略與方法。

（編輯：郭萍茹）