基于逆向工程及3D 打印技術的產品設計

劉樂

（內蒙古工業大學機械工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

傳統的產品設計過程是“從無到有”，通常從概念化設計——設計建?！a品制造，稱為正向工程；而逆向工程設計則是“從有到無”，即以已有產品為藍本，利用專業數字化測量設備和軟件重新構造實物數字化模型的過程。逆向工程設計主要應用于原始設計數據不易獲取的情況，可以通過分析現有產品，逆推出其設計原理，從而加快產品設計過程，縮短產品研發周期，提高產品研發效率，降低企業成本。

3D 打印又名增材制造（Material Additive Manufacturing），是快速成型技術（Rapid Prototyping，RP）的一種。3D 打印以數字化模型為基礎，通過CAD 軟件將模型沿預定義方向做切片處理，得到多個薄片堆疊的模型文件；借助數控成型設備，將3D 打印專用材料按照燒結、熔融、擠壓、噴射、光固化等方式逐層堆疊成型，制造出實體產品[1]。

1 逆向工程設計的流程

逆向工程設計首先通過三坐標測量機或者三維掃描儀獲得產品信息，然后利用CAD/CAM 技術創建實體三維數字化模型，應用工程分析，數控加工出產品模型，最后制成產品，完成從實物或模具——數字化設計——模型重構——新產品的整個生產流程[2]。逆向工程流程圖如圖1 所示。

圖1 逆向工程流程圖

機械產品的逆向設計過程基本包含以下幾步：

（1）產品逆向設計研究

①對機械零部件產品進行數據采集，獲取產品的點云數據。

②對點云數據進行數據預處理，即數據多視對齊、平滑、精簡和分塊等操作。

③應用逆向工程軟件對處理好的點云數據進行三維CAD 模型重構。

（2）產品快速成型研究

①利用快速成型設備對處理好的點云數據直接進行3D 打印，得到模型的打印樣件。完成從數據獲取——數據預處理——模型重建——3D 打印的完整實驗過程，并對比分析打印件尺寸與虛擬模型的尺寸誤差。

②為保證3D 打印精度，要根據產品特點，合理選擇打印位置和產品成型方向；控制加工參數，包括打印速度、打印溫度、噴嘴直徑等，保證在合理適配范圍內；選擇恰當的分層厚度、噴頭溫度、填充速度和擠出速度，降低數字化模型離散化過程中的精度損失；后處理過程中，通過對外表面進行拋光、修補，上色等工序獲得更高的外觀質量[3]。

（3）產品結構再設計研究

對打印件和原有產品樣進行比較、分析，進行產品外觀和結構再設計和優化。

2 基于Solidworks 的產品逆向工程設計

千斤頂是一種通過頂部托座或底部托爪在行程范圍內頂升、支撐重物的小型起重設備。其結構堅固輕巧、可靠靈活。下面以“千斤頂”為例說明SolidWorks 軟件在逆向工程設計中的應用。某千斤頂如圖2 所示，拆卸后，用工具測量各零件，得到各部分尺寸數據，通過分析，對個別零件進行結構優化和性能改進，應用SolidWorks 軟件進行三維建模、裝配、運動仿真和生成工程圖等設計[4]。

圖2 千斤頂實物

2.1 應用SolidWorks 軟件進行零件三維建模

優化原有產品的零件結構，在底座上增加筋板，增強機構強度；頂蓋上增加凹槽，提高摩擦系數，保證機構工作的穩定性。應用SolidWorks 的草圖繪制和實體建模功能分別創建出底座、起重螺桿、螺釘、旋轉桿、頂蓋的三維模型。如圖3(a)、(b)、(c) 、(d) 、(e)所示。

圖3 千斤頂各零件三維模型

2.2 對各部分零件模型進行裝配，檢查運動干涉

按照底座——起重螺桿——旋轉桿——頂蓋——螺釘的順序進行裝配，通過軟件的“評估”選項進行“干涉檢查”。單擊設計樹左側的“計算”按鈕，軟件開始對千斤頂裝配體進行干涉計算，按順序依次點擊“干涉1”，“干涉2”，系統自動在干涉的地方用紅色表示出來[5]。干涉檢查結果如圖4 所示。修改螺釘直徑尺寸，重新進行零件裝配和干涉檢查，直至干涉檢查結果顯示為零。得到千斤頂裝配圖如圖5 所示。

圖4 千斤頂裝配干涉檢查

圖5 千斤頂虛擬裝配圖

3 創新產品的快速成型

使用SolidWorks 軟件完成的千斤頂產品設計，通過3D 打印方式得到樣品，并與原產品對照檢查，綜合評估并改進其性能和結構。把產品的三維模型另存為.stl 格式，導入3D 打印機，得到各零件[6]。如圖6 所示。

圖6 千斤頂零件3D 打印模型

將底座、起重螺桿、旋轉桿、頂蓋、螺釘按順序依次組裝到一起，得到千斤頂3D 模型裝配圖，如圖7 所示。

圖7 千斤頂3D 模型裝配圖

4 結論

本文以千斤頂為例，分析了逆向工程與3D 打印技術在機械產品設計中的應用。通過對原始產品進行拆卸和測量，得到產品各組成零件的三維數據，以此數據為依據，對產品進行逆向創新設計。應用SolidWorks 軟件進行三維建模、虛擬裝配和干涉檢查，并通過3D 打印方式生成新產品的樣品，探索了相關機械產品快速開發的新模式。