摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了很多的領(lǐng)域，比在在修復(fù)文物，工業(yè)制造方面都有著非常出色的表現(xiàn)。本文主要對(duì)3D打印工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹（包括掃描數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理，3D打?。?。

關(guān)鍵詞：3D打印工藝；掃描；數(shù)據(jù)處理；3D打印

1 引言

3D打印工藝是近幾十年來(lái)全球先進(jìn)技術(shù)，他與傳統(tǒng)切削等材料的“去除法”不同，增材技術(shù)將采用細(xì)微原材料一層一層的堆疊而生成三維立體的實(shí)體，因此被通俗的稱為“3D打印”，也可以把3D打印理解為無(wú)數(shù)個(gè)2D打印平面堆疊而成的。該工藝只需在電腦上設(shè)計(jì)出模型（或者掃描實(shí)體得到數(shù)據(jù)），就可以用3D打印機(jī)打印出實(shí)物。該工藝無(wú)需傳統(tǒng)的刀具，模具，車床以及復(fù)雜工藝，可快速地將設(shè)計(jì)生產(chǎn)為實(shí)物。

掃描實(shí)物得到模型數(shù)據(jù)在工程學(xué)上屬于逆向工程（RE，如圖1），就是通過(guò)技術(shù)手段建立實(shí)物的三維數(shù)字模型，并進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。在通過(guò)逆向工程得到三維數(shù)字模型之后通過(guò)3D打印機(jī)打?。ㄓ袝r(shí)三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)處理）。

2 掃描數(shù)據(jù)方法

數(shù)據(jù)的測(cè)量是產(chǎn)品三維數(shù)字化模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是通過(guò)專門的測(cè)量工具和測(cè)量方法獲得實(shí)物表面離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)。只有根據(jù)這些數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)實(shí)物多元化外表面的建模、評(píng)價(jià)、修改和打印。既然數(shù)據(jù)會(huì)直接影響到后期工藝的處理，所以這一步驟是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以測(cè)量方法的好壞會(huì)直接影響到是否真實(shí)反應(yīng)了實(shí)物，因此這一過(guò)程是整個(gè)工藝的逆向工程的基礎(chǔ)。

目前有很多種技術(shù)可以完成此工藝。不同的測(cè)量方法有著不同的測(cè)量精度、經(jīng)濟(jì)性、速度等等。所以我們?cè)趯?shí)際操作過(guò)程中就要選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法。掃描數(shù)據(jù)方法主要有如圖2。

2.1 接觸式測(cè)量

通過(guò)接觸式儀器沿實(shí)物表面移動(dòng)，在接觸移動(dòng)的同時(shí)檢測(cè)出接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)。此種測(cè)量方法雖然對(duì)實(shí)物的材質(zhì)和色澤沒(méi)有特俗要求，可達(dá)到很高的測(cè)量精度，但是對(duì)于有著復(fù)雜內(nèi)部型腔和復(fù)雜曲面有著明顯的不足。該方法最大的缺點(diǎn)就是測(cè)量過(guò)程過(guò)分依賴測(cè)量者，需要測(cè)量者來(lái)判斷和操作。

2.2 非接觸式測(cè)量

非接觸式測(cè)量是利用聲﹑光﹑電磁等與實(shí)物表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取實(shí)物的三維坐標(biāo)信息。由于非接觸式測(cè)量的速度快﹑精度較高，且不用與實(shí)物接觸，因而可用于對(duì)軟質(zhì)材質(zhì)的物體進(jìn)行測(cè)量。此種技術(shù)現(xiàn)在在市場(chǎng)上很受歡迎，市場(chǎng)潛力越來(lái)越大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)﹑CCD攝像技術(shù)﹑機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及精密制造技術(shù)的快速發(fā)展，在逆向工程中最為常用的激光法變得尤為重要。激光法是目前最成熟，也是應(yīng)用最廣泛的一種方法，其原理如圖3。

3 數(shù)據(jù)處理

相異的數(shù)據(jù)采集方法就為逆向工程產(chǎn)品CAD建模提供了不同的數(shù)據(jù)來(lái)源。在很多情況下，逆向工程中測(cè)量得到的被測(cè)物的表面點(diǎn)數(shù)據(jù)量巨大，其中經(jīng)常有很多噪聲點(diǎn)，這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被稱為“點(diǎn)云”。需要對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能構(gòu)造一個(gè)曲面。

掃描得到的數(shù)據(jù)是無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，我們運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)造被測(cè)物原型的CAD模型。常用的方法就是曲面擬合，一般用插值與逼近二種方法擬合。用插值法的時(shí)候，曲面通過(guò)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此比較適合測(cè)量設(shè)備精度高。而逼近法，曲面不必整合所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，不過(guò)要求對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的總體最優(yōu)的逼近程度，比較適合測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)多，噪聲高的情況。

按照“點(diǎn)云”的組織方式，模型的產(chǎn)生過(guò)程不同，建模方法分為以下幾類。

A.基于特征的建模方法。對(duì)被測(cè)物進(jìn)行劃分特征區(qū)域，對(duì)每個(gè)特征進(jìn)行曲面擬合。就是把數(shù)據(jù)點(diǎn)劃為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域就用一種曲面表示。

B.基于截面數(shù)據(jù)（切片數(shù)據(jù)）的建模方法。這一類的數(shù)據(jù)有一個(gè)特別的分布方式，就是數(shù)據(jù)分布于一組平行的截面上。

C.基于可變行模型的建模方法。一個(gè)S型形狀，為可變形模型，數(shù)據(jù)點(diǎn)A被S包圍或S被A包圍。在A與S之間建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)F與約束，通過(guò)變化S使F達(dá)到極值，以產(chǎn)生數(shù)據(jù)點(diǎn)的近似表示。此方法難以達(dá)到實(shí)用。

D.整體的自動(dòng)建模方法。以上三種方法對(duì)復(fù)雜或者大型測(cè)量物體產(chǎn)生的散亂數(shù)據(jù)難以精確或者自動(dòng)擬合。而此方法剛好可以彌補(bǔ)。

幾何建模是逆向工程的關(guān)鍵步驟，同時(shí)也是影響逆向工程速度的關(guān)鍵。因此，提高逆向工程幾何建模的自動(dòng)化程度與通用性是目前逆向工程的一個(gè)重要研究方向。

4 打印

通過(guò)以上過(guò)程我們就可以對(duì)所得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，當(dāng)然我們也可以手動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以達(dá)到我們需要的形狀。通過(guò)軟件把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D打印機(jī)進(jìn)行打印。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前3D打印是較火熱的一門技術(shù)，它在實(shí)際應(yīng)用中更加具有市場(chǎng)前景。本文簡(jiǎn)單介紹了3D打印的工藝流程以供與大家交流。

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