基于逆向工程的工业产品数字化设计与3D打印应用研究.pdf

WOODWORKING MACHINERY设计与研究Design and Research基于逆向工程的工业产品数字化设计与基于逆向工程的工业产品数字化设计与3D打印应用研究打印应用研究*Research on the application of digital design and 3D printing of industrial productsbased on reverse engineering黄火辉（福建水利电力职业技术学院自动化工程学院，福建 永安 366000）摘要：逆向工程与3D打印相结合能实现工业产品快速开发和研究。文章采用Win3DD三维扫描仪得到电话听筒的三维轮廓数据，应用数据处理软件Geomagic Wrap快速、高效地进行点云数据处理、多边形数据处理，应用逆向建模软件Geomagic Design X重构电话听筒的三维实体模型，并进行误差分析。对导出的实体模型进行3D打印，在工程实际中节省大量的时间和成本。关键词：逆向工程；工业产品；3D打印；应用研究中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：1005-1937（2023）03-016-03Abstract：The combination of reverse engineering and 3D printing can realize the rapid development and research of industrialproducts.In this paper，the Win3DD three-dimensional scanner is used to scan the three-dimensional contour data of the phonehandset，and the data processing software Geomagic Wrap is applied to quickly and efficiently process point cloud data and polygondata；Apply the reverse modeling software Geomagic Design X to reconstruct the three-dimensional solid model of the phone handsetand conduct error analysis；3D printing on the exported solid model saves a lot of time and cost in production.Key words：reverse engineering；industrial product；3D printing；application research逆向工程和快速成型技术相结合，使产品的开发周期大大缩短，产品的一次设计加工成功率大大提高，逆向工程在快速成型中的应用降低了产品的开发成本，节约生产时间和材料消耗，提高产品品质。逆向工程与快速成型技术相结合，可构成一个闭环的快速产品开发系统。本项目以扫描电话听筒创新设计并快速打印出样品为案例，研究基于逆向工程的工业产品数字化设计与3D打印应用，为企业在逆向工程和快速成型方面提供参考。1产品逆向建模逆向建模通常指通过扫描仪扫描已存在的实物，得到点云数据并对数据进行处理，重构三维实体模型并进行误差分析。1.1三维轮廓数据采集利用 Win3DD 单目扫描仪对扫描环境进行标定，确定摄像机与投影仪的外部参数，以获得更准确的扫描精度。由于扫描仪单次只能扫描一定的角度，所以要对电话听筒进行多次多角度的三维数据采集以保持扫描数据的完整性，每次切换的扫描角度不宜过大，单面的整体扫描次数可根据扫描对象的复杂程度自行调整，一般5-8次即可。然后对获得的点云进行相应处理，剔除噪点和冗余点后保存点云数据。1.2点云、多边形处理扫描点云数据为asc文件，需要利用GeomagicWrap软件进行处理，由于导入的文件位置不统一，因此要先对扫描的多个角度的点云文件进行注册对齐、合并成完整的点云模型，然后去除扫描时产生的大面积杂点与非连接项和体外孤点，此时应注意导入数据的点云数量，点云数量越大计算机就需要越长的时间处理，所以可以选择在不破坏模型整体结构的基础上保留相应比例的点云数量，提高处理效率，如图1所示。接着将点云文件三角面片化（封装），保存为STL文件格式，封装后的三角面片*2020年度福建水利电力职业技术学院教科研课题（YJKJ2006C）作者简介：黄火辉（1984），男，实验师，工程师，研究方向：机械工程。16木工机床2023No.3Design and Research设计与研究表面较粗糙，使用删除钉状物操作减少表面大部分尖角区域、对局部空缺的部分利用去除特征、填补孔操作修补缺少的部分，以0.01 mm的误差对模型使用减少噪声、快速光顺操作，既可以使模型更加光滑又可以保持数据的原始特征如图2所示。图图1 1点云数据处理点云数据处理图图2 2封装后三角面片处理封装后三角面片处理1.3重构三维实体模型在Geomagic Design X软件中导入点云、多边形处理好的电话听筒STL文件，对电话听筒进行逆向建模，通过建立坐标系提供更好地观察角度，对导入模型进行区域领域划分，用来更好的进行建模操作。对划分后的领域进行面片拟合，对于过渡圆角要求较高的区域可以使用特征放样来实现，一些复杂较难处理的区域可以使用3D草图创建曲面，对于一些对称模型则可以采用特征镜像等方法重构三维实体，根据不同区域合理应用不同的方法可以有效提高建模效率。如图 3 所示，逆向建模得到STP实体数据。图图3 3STPSTP实体数据实体数据1.4误差分析将经过Wrap处理后的点云数据.STL文件和经过Design X建模后的.STP文件同时导入到Control软件中，进行2D比较、3D比较和截面尺寸比较，可对产品进行首件检验，在线或车间检验、趋势分析。误差分析效果如图 4所示，误差控制在0.1mm 以内，产品合格。图图4 4误差分析效果图误差分析效果图2产品3D打印2.1切片软件参数的设置使用 Prusaslier2.5.0切片软件对 STL模型文件进行处理，需要注意以下参数设置：2.1.1模型位置摆放受限于 FDM 打印机成型特点，模型的摆放位置对于成品的力学性能以及表面质量和尺寸精度都有着很大影响。模型摆放位置不当还会使打印时间增加。综合考虑各种因素，采用听筒朝下的摆放如图5所示，这样只需要在电话听筒下部分添加支撑，节省耗材的同时也能缩短一部分的打印时间。不采用听筒竖直摆放或者听筒朝上的摆放，前者会使听筒的圆柱部分产生径向形变，同时也会时电话听筒的中部连接处强度大大下降，容易发生断裂。后者会在听筒的背部添加大量支撑，导致表面质量下降。图图5 5朝下摆放位置朝下摆放位置2.1.2层高设置17WOODWORKING MACHINERY设计与研究Design and Research对FDM打印机来说，层高越小，打印件的表面质量就越高，但打印工作所需的时间会更多。本文采用 0.12 mm的打印层高，一方面保证表面质量，另一方面将打印时间控制在一个合理的范围内。层高没有使用整数是因为本次打印工作所使用的打印设备为创想三维Ender3，该设备的Z轴步进电机步进角为1.8，主板发送一个信号会使步进电机旋转1.8，经过计算可知，主板需要发送200个信号才能使步进电机旋转360。同时，该设备的Z轴丝杆导程是8 mm，步进电机旋转1.8只会让Z轴抬升0.04 mm。为了减小 Z 轴在重复运动下的累积误差，因此将层高设为0.04的倍数。2.1.3垂直外壳厚度与水平外壳厚度垂直外壳厚度与水平外壳厚度将极大影响打印件的外壳强度，在综合考虑打印件强度，打印耗材成本与打印时间等多种因素后，本文采用垂直外壳1.2 mm，水平顶部外壳1 mm，水平底部外壳1 mm。2.1.4填充图案与填充密度填充图案与填充密度对打印时间，打印成本以及打印件的力学性能有着至关重要的影响。本次使用Prusaslier2.5.0更新的闪电填充图案。在填充密度相同的情况下，闪电填充图案比常用的网格填充图案打印时间缩短2到3小时。同时，闪电填充图案对打印成本的控制也更为优秀，打印所需要的耗材长度仅为同密度下网格填充图案的一半。但是，两个仅在填充图案有所不同的打印件，使用网格填充图案的打印件会比使用闪电填充图案的打印件更加结实。考虑到本次打印产品对强度要求不高，故采用30%的填充密度与闪电填充图案。2.1.5接缝位置接缝位置与打印件强度，打印成本，打印时间无关，但它却会影响打印件表面质量。这里将参数改为对齐，Prusaslicer软件会自动将接缝生成在模型的拐角处如图6所示，接缝几乎不可见，极大地改善了打印件表面质量。图图6 6打印接缝位置打印接缝位置2.2打印结果本次打印使用熔融型打印机，打印过程如图7所示，打印结束后零件还需去支撑处理和抛光打磨处理，最终得到产品如图8所示。将逆向工程与3D打印相结合，大大缩短了研发周期，提高了生产效率。图图7 7打印过程打印过程图图8 8最终产品最终产品3结论基于逆向工程的工业产品数字化设计与3D打印应用能为企业缩短开发周期，并为进行批量生产提供参考，本文研究在模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型等方面都有广阔的发展前景。参考文献：1 宫文峰，黄美发.逆向工程技术的应用与研究J.机械设计与制造，2013（1）：110-112.2 刘丹，钱应平，易国锋，等.逆向工程中点云处理及拟合新方法的研究J.机械设计与制造，2015（3）：55-57.3 卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展J.机械制造与自动化，2013（4）：1-4.4 吴怀宇.3D打印三维智能数字化创造M.北京：电子工业出版社，2017.5 周小东，成思源，等.基于逆向工程的参数化优化设计J.组合机床与自动化加工技术，2016（03）：37-40.6 冯超超，成思源，杨雪荣，骆少明.基于Geomagic Design X的正逆向混合建模J.机床与液压，2017（17）：157-160.（收稿日期：2023.05.18）18