李小城 段賢勇 羅賢國

摘 要：采用逆向工程技術(shù)獲得實(shí)物產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，然后通過軟件對(duì)獲得的模型進(jìn)行修改、處理，再運(yùn)用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)在快速成型機(jī)上燒結(jié)成型，燒結(jié)產(chǎn)品進(jìn)行后處理強(qiáng)化后即可獲得滿足使用要求的功能件。逆向工程技術(shù)和SLS技術(shù)的應(yīng)用為新產(chǎn)品開發(fā)、試制和文物修復(fù)及復(fù)制等提供了一條有效的途徑。

關(guān)鍵詞：逆向工程；激光選區(qū)燒結(jié)；模型；后處理

中圖分類號(hào)：TG7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）31-0029-04

Abstract： The data model of physical product is obtained by reverse engineering technology， and then the obtained model is modified and processed by software， and then the laser selective sintering technology is used to sinter and shape the product on the rapid prototyping machine. After the sintering products are processed and strengthened， the functional parts that meet the requirements of use can be obtained. The application of reverse engineering technology and SLS technology provides an effective way for the development of new products， trial production， restoration and replication of cultural relics and so on.

Keywords： reverse engineering； selective laser sintering； model； post-processing

逆向工程技術(shù)（Reverse Engineering，RE）也稱為反求工程，是根據(jù)已有的產(chǎn)品模型或者實(shí)物，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的過程。它運(yùn)用3D數(shù)字化測(cè)量儀器準(zhǔn)確、快速的測(cè)量出產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)，并在軟件中進(jìn)行編輯、修改和重構(gòu)，構(gòu)建出產(chǎn)品的3D模型。再通處理軟件獲得加工數(shù)據(jù)，最后，通過數(shù)控加工或者3D打印制作出樣品。RE技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品仿制、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品檢測(cè)等三個(gè)方面，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和開發(fā)周期大大縮短，降低了開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。[1-2]激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)是3D打印技術(shù)（RP）中使用最廣泛的一種，通過激光加熱可熔融粘接的金屬或非金屬粉末材料根據(jù)可以直接將產(chǎn)品數(shù)字模型燒結(jié)成實(shí)體零件。[3-4]RE、RP的應(yīng)用，為新產(chǎn)品的開發(fā)和試制提供了一種更加快捷、精確和經(jīng)濟(jì)的途徑。

本文以摩托車后視鏡為載體，運(yùn)用逆向工程技術(shù)構(gòu)建了產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)制造出了模型實(shí)物，最后對(duì)燒結(jié)件進(jìn)行強(qiáng)化處理，獲得了滿足使用的樣件。

1 實(shí)物3D數(shù)據(jù)的采集

采集所使用的設(shè)備為VLS-100三維激光掃描儀，圖1為摩托車后視鏡實(shí)物。為了便于掃描得到完整的數(shù)據(jù)和曲面重構(gòu)，在掃描前對(duì)實(shí)物做一些必要的處理，如粘貼特征標(biāo)記，噴涂反差增強(qiáng)劑。具體采集過程包括以下幾個(gè)方面：

（1）粘貼特征標(biāo)記。由于一次掃描不能夠獲得所有實(shí)物表面數(shù)據(jù)，因此，需要進(jìn)行多次測(cè)試，為了方便每次測(cè)試的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊，需要粘貼標(biāo)記，可以在特征曲面處多貼幾個(gè)標(biāo)記，貼在后視鏡邊緣處不同的位置；從被測(cè)件的形狀分析需兩次掃描，正、反兩面各掃一次。

（2）噴涂反差增強(qiáng)劑。該后視鏡的表面有鍍層，有鏡面亮度。在掃描過程中使掃描激光發(fā)生干擾反射，引起掃描數(shù)據(jù)缺失或變形。所以應(yīng)采取措施降低表面的反光度，被掃描物體的理想顏色是無光白色，一般顏色越淺越好，因此，需要噴涂反差增強(qiáng)劑等方法改變被測(cè)物體的顏色。噴涂時(shí)要使噴嘴遠(yuǎn)離測(cè)試件大約30-50cm，這樣噴涂均勻，又能保證涂層不至于太厚。

（3）固定測(cè)試件。把被測(cè)物體安放在測(cè)量平臺(tái)的中心，并與測(cè)試臺(tái)固定好，防止工作臺(tái)在移動(dòng)的過程中使得測(cè)試件偏離原來位置，導(dǎo)致獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)失真。

（4）確定大小。通過預(yù)覽，確定掃描物體的大致掃描邊界，確定被測(cè)件的左右和上下及X和Z向范圍。

（5）數(shù)據(jù)采集。根據(jù)被測(cè)件的特征，采用平面掃描方式測(cè)試該件。步進(jìn)為0.1mm，測(cè)試完正面后，以同樣的方式再測(cè)試背面。

（6）數(shù)據(jù)保存。將掃描數(shù)據(jù)用asc格式保存。掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2。

2 重構(gòu)曲面

2.1 點(diǎn)云的去噪處理

運(yùn)行Imageware軟件，導(dǎo)入掃描獲得的數(shù)據(jù)文件。由于空氣中的粉塵等原因干擾，掃描所得的數(shù)據(jù)周圍會(huì)出現(xiàn)大量的噪點(diǎn)，所以必須去除。在軟件中逐步框選噪點(diǎn)并刪除，獲得干凈的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)對(duì)齊

根據(jù)在后視鏡上所貼的特征標(biāo)記，制作對(duì)齊曲面特征。將特征標(biāo)記點(diǎn)云的外圓輪廓擬合線圓，每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合三個(gè)圓，接著把一個(gè)點(diǎn)云和所對(duì)應(yīng)擬合的圓組合，然后根據(jù)逐步對(duì)齊法對(duì)齊點(diǎn)云。具體作法為在特征標(biāo)記點(diǎn)云邊界選擇點(diǎn)，建立新點(diǎn)云數(shù)據(jù)，共建立六個(gè)，分別擬合六個(gè)圓，把正面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和對(duì)齊特征建立組合，然后選擇相對(duì)應(yīng)的線圓組合，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊，如圖3。此時(shí)特征標(biāo)記點(diǎn)云和新建的點(diǎn)云及擬合的圓的任務(wù)完成，全部刪除，對(duì)齊后的點(diǎn)云見圖4。

把后視鏡的兩組點(diǎn)云對(duì)齊以后，得到的點(diǎn)云坐標(biāo)系仍然是掃描儀賦予的坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系與Imageware的全局坐標(biāo)系不一致，這就導(dǎo)致了點(diǎn)云缺少合適的位置信息，處理起來十分不方便，所以再把點(diǎn)云坐標(biāo)系和 Imageware的全局坐標(biāo)系也對(duì)齊。

2.3 點(diǎn)云精簡

在Imageware中按Modify/Data reduction/sample Uniform命令精簡數(shù)據(jù)，Point Interval設(shè)置為2，數(shù)據(jù)精簡一半，將重合的點(diǎn)云刪除。

2.4 數(shù)據(jù)分割及曲面重構(gòu)

最后，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分割和曲面重構(gòu)，根據(jù)摩托車后視鏡外形特點(diǎn)，可以把整個(gè)后視鏡表面分成正面和背面兩大部分去分別處理。再將正面分成五部分，編號(hào)為1、2、3、4、5，底部曲面分成五部分，編號(hào)為6、7、8、9，10如圖5。把整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成十部分，每一部分根據(jù)外形的特點(diǎn)，采用不同的方法將點(diǎn)云擬合成與實(shí)物相符曲面。最后，將重構(gòu)好的各部分曲面縫合，得到的后視鏡3D模型，并以STL格式保存，圖6為重構(gòu)好的模型曲面。

3 SLS燒結(jié)成型

3.1 數(shù)據(jù)模型前處理

（1）Magic曲面修補(bǔ)

由于曲面在生成STL文件格式時(shí)會(huì)出現(xiàn)諸如三角面片的法向量錯(cuò)誤、孔洞、頂點(diǎn)錯(cuò)誤、孤立面、重疊面等一系列錯(cuò)誤，首先需要對(duì)這些錯(cuò)誤進(jìn)行修補(bǔ)，否則在后續(xù)的模型切片或文件轉(zhuǎn)化時(shí)可能出錯(cuò)，導(dǎo)致前處理或加工過程無法進(jìn)行，可以在Magic軟件中進(jìn)行曲面修補(bǔ)，自動(dòng)生成支撐。

首先，把文件導(dǎo)入到Magic軟件中，查看屬性時(shí)可以發(fā)現(xiàn)有很多錯(cuò)誤，其中壞邊3460個(gè)，壞輪廓52個(gè)。通過Fix Tool Sheet模塊修補(bǔ)這些錯(cuò)誤，一般情況下用自動(dòng)修補(bǔ)命令，多數(shù)的錯(cuò)誤都可以修補(bǔ)，設(shè)置迭代次數(shù)為5，縫合寬度0.5mm，運(yùn)行修補(bǔ)后，壞邊的個(gè)數(shù)為0，壞輪廓的個(gè)數(shù)為0，修補(bǔ)前、后的數(shù)字模型如圖7和圖8。

（2）添加支撐/切片

支撐的添加對(duì)于快速成型是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，雖然SLS成型過程中粉料本身可以作為支撐，但是對(duì)于一些特殊形狀的制件，添加支撐可以有效的減小翹曲，防止燒結(jié)層的移位，對(duì)提高成型精度起到很大的作用。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，現(xiàn)設(shè)置三個(gè)柱位和周邊等四個(gè)支撐，添加的支撐如圖9所示，支撐厚度0.5mm。切片厚度設(shè)置為0.2mm，切片后文件轉(zhuǎn)化成CLI格式。

（3）生成加工文件

把以上得到的CLI格式文件，導(dǎo)入到ARPS軟件中生成afi格式的加工文件，并設(shè)置一些參數(shù)和選項(xiàng)，如掃描間距（0.15mm）、掃描方向（X、Y方向交替）；同時(shí)，對(duì)生成文件進(jìn)行加工預(yù)覽，檢查加工中是否有錯(cuò)誤產(chǎn)生。

3.2 SLS燒結(jié)成型

SLS燒結(jié)成型是整個(gè)過程當(dāng)中比較重要的一環(huán)，在開始加工前將快速成型設(shè)備打開，裝好粉料，進(jìn)行預(yù)熱；同時(shí)，將前處理的加工文件導(dǎo)入到成型設(shè)備中，按表1設(shè)置其成型工藝參數(shù)。在預(yù)熱溫度達(dá)到110℃時(shí)開始加工，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成產(chǎn)品燒結(jié)成型。

3.3 成型件的后處理

激光選區(qū)燒結(jié)制件強(qiáng)度比較低，而且表面粗糙，并不能滿足使用的要求，需要對(duì)燒結(jié)出來的制件進(jìn)行清理、打磨、修補(bǔ)、浸滲樹脂、固化等后期處理。

其中滲樹脂的目的有兩方面：

（1）提高燒結(jié)件的強(qiáng)度。由SLS燒結(jié)的制件本身強(qiáng)度較低，不能滿足使用要求。通過滲樹脂處理可大大提高快速成型件的強(qiáng)度，經(jīng)過強(qiáng)化處理的燒結(jié)件比原件強(qiáng)度提高近10倍。[6]

（2）提高制件表面光潔度。燒結(jié)出來的快速成型件表面粗糙，由于材料為粉末材料，表面有顆粒狀浮粉，表面光潔度不夠，滲樹脂固化后，燒結(jié)件中的粉末顆粒間空隙被樹脂填充，固化后成為一體，經(jīng)過打磨可以提高表面光潔度。

滲透處理時(shí)，為了節(jié)省環(huán)氧樹脂材料，可以把配制好的環(huán)氧樹脂用毛刷刷到快速原型件表面上，刷的時(shí)候從一個(gè)面上刷，讓樹脂從一個(gè)面逐漸的滲透，環(huán)氧樹脂固化后，然后用細(xì)砂紙打磨，直到表面非常光滑為止。經(jīng)過后處理的SLS制件，如圖10所示。

4 結(jié)束語

用摩托車后視鏡為實(shí)物模型，通過掃描獲得模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過逆向工程后處理軟件，對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行去噪、對(duì)齊、精簡、曲面重構(gòu)等處理，最后獲得產(chǎn)品3D模型。將獲得的3D數(shù)據(jù)模型再次通過SLS工藝過程的前處理、SLS成型和后處理強(qiáng)化，獲得強(qiáng)度和表面精度滿足使用要求的樣品或功能零件。從而為逆向工程和SLS技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)、仿制和檢測(cè)方面的應(yīng)用探索出一個(gè)較優(yōu)工藝流程。

參考文獻(xiàn)：

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