梁幼昌

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西河池 547000）

1 水槍逆向建模

1.1 數(shù)據(jù)采集及處理

利用Win3D掃描儀對水槍進(jìn)行三維掃描，如圖1所示，該洗車水槍為鋁合金材質(zhì)，掃描時(shí)表面會反射光線，影響正常的掃描效果，為獲得更理想的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要噴涂一層顯像劑，噴粉距離約為30cm左右，盡可能薄且均勻。掃描前還需要粘貼標(biāo)志點(diǎn)，以便進(jìn)行拼接掃描，標(biāo)志點(diǎn)盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠(yuǎn)一些，一般貼5～7個(gè)標(biāo)志點(diǎn)為宜，且應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到。掃描過程中使用轉(zhuǎn)盤來對其進(jìn)行拼接掃描，這樣更方便、快捷。

圖1 水槍點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

采用Geomagic Wrap軟件對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，快速把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角面片。首先進(jìn)行點(diǎn)云處理，包括刪除“非連接項(xiàng)點(diǎn)”、“體外弧點(diǎn)”和“噪音點(diǎn)”。然后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝處理，使點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為三角面片。水槍點(diǎn)云雖然轉(zhuǎn)化為三角面片，但是三角面片還不夠光滑、有漏洞等，還需進(jìn)行“刪除釘狀物”及“填充孔”等處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云最終處理效果

1.3 逆向建模

水槍三角面片后，還需經(jīng)過Geomagic Design X軟件逆向建模得到實(shí)體模型。

水槍的結(jié)構(gòu)可以分為手柄、槍體、噴頭和彈簧蓋4部分組成，其中手柄和槍體部分由不規(guī)則曲面構(gòu)成，需要利用片面擬合創(chuàng)建曲面，具體的建模步驟如下：

（1）將水槍STL模型導(dǎo)入軟件，并創(chuàng)建坐標(biāo)系。

（2）手柄及槍體的構(gòu)建：這兩部分的頂面是曲面，需要手動合理劃分領(lǐng)域組，如圖3所示，然后利用“面片擬合”創(chuàng)建自由曲面。側(cè)面通過繪圖輪廓線拉伸出曲，如圖4所示，利用“剪切”命令修剪多余的曲面。槍體和手柄通過放樣連接過渡，手柄尾部第一層特征和第二層特征也需要通過放樣進(jìn)行連接，如圖5所示。將所有曲面創(chuàng)建完成后合并為實(shí)體，最終重構(gòu)完成水槍實(shí)體模型，如圖6所示。

圖3 領(lǐng)域劃分

圖4 側(cè)面和頂面

圖5 一、二層連接

圖6 實(shí)體模型

（3）噴頭部分的構(gòu)建：此處特征為回旋體，利用面片草圖命令求得輪廓線，并使用回旋命令完成噴頭的構(gòu)建，與主體部分合并。

（4）彈簧蓋部分的構(gòu)建：利用面片命令求得圓的直徑，并創(chuàng)建拉伸體。

（5）將手柄、噴頭、彈簧蓋所有特征合成一個(gè)實(shí)體，并進(jìn)行倒角。

1.4 偏差分析

為了檢驗(yàn)?zāi)嫦蚪５木?，采用Geomagic Control對逆向建模實(shí)體與三維掃描的模型進(jìn)行對比，分析實(shí)體建模存在的偏差，如圖7所示。將經(jīng)過Geomagic Wrap處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù).STL文件和經(jīng)過Design X建模后的.STP文件，同時(shí)導(dǎo)入到Control軟件中，然后將兩個(gè)導(dǎo)進(jìn)來的模型進(jìn)行位置“最佳擬合對齊”，并將要分析的最大臨界值設(shè)置為0.5mm，最小臨界值設(shè)置為-0.5mm。將最大名義值設(shè)置為0.01mm，最小名義值設(shè)置為-0.01。軟件處理從三維掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用豐富的數(shù)據(jù)自動生成易解讀的偏差色譜圖，并自動詳細(xì)分析零件，根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行逆向建模三維模型的修改，達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求。

圖7 水槍偏差分析

2 水槍模樣及芯盒設(shè)計(jì)

根據(jù)水槍的功能要求并結(jié)合鑄造工藝性優(yōu)化水槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)水槍的模樣和芯盒。水槍由外部成型和內(nèi)部成型兩部分組成，其中水槍外形成型的砂型需要用到模樣，此模樣采用3D打印制造，這樣能減少模樣制造的時(shí)間和制造成本。模樣的分模面在水槍最大截面處，且為平直的面，采用這樣的分型面便于脫模及造型。模樣上設(shè)計(jì)有芯頭，目的是讓模樣能在型腔中準(zhǔn)確定位。根據(jù)水槍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了3個(gè)芯頭，如圖8所示。

圖8 水槍模樣

按照水槍的功能要求設(shè)計(jì)出水槍內(nèi)腔，其分為3部分：槍頭處內(nèi)腔、彈簧處內(nèi)腔及手柄處內(nèi)腔。為獲得水槍的內(nèi)腔設(shè)計(jì)了3個(gè)型芯，如圖9所示，在鑄造時(shí)用芯砂安放在對應(yīng)的型腔內(nèi)部，造芯需要用到芯盒，如圖10所示，此芯盒采用PLA材料進(jìn)行3D打印制造。

圖9 水槍內(nèi)部型芯

圖10 彈簧處內(nèi)腔砂芯芯盒

3 3D打印水槍模樣

3D打印是將粉末狀金屬或塑料等材料，通過逐層堆疊的來構(gòu)成實(shí)物的技術(shù)。本案例采用的是FDM（Fused Deposition Modeling）熔融沉積成形。采用絲狀熱塑性PLA塑料，連續(xù)地送入噴頭后在其中加熱熔融并擠出噴嘴，逐層打印堆積成形。

打印前首先要對水槍三維模型進(jìn)行切片處理，切片軟件采用Cura。把水槍模樣.STL模型導(dǎo)入Cura軟件中，設(shè)置切片層厚度0.2mm，層厚就是每片分層的厚度，層厚決定了3D打印的精度，特別是表面精度，如果層厚越小，打印的物品就相對精度高，表面紋理就越好。設(shè)置打印溫度，由于采用PLA塑料打印，根據(jù)塑料的特性，設(shè)置打印溫度為210°；根據(jù)水槍模樣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇支撐類型為none，平臺附著類型為Raft；設(shè)置參數(shù)后將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印，打印出來的水槍模樣表面比較光滑，無凹陷及翹曲變形。打印的結(jié)果如圖11所示。

圖11 3D打印的水槍模樣

4 結(jié)語

通過采用逆向工程和3D打印技術(shù)制造出來的水槍模樣，與采用傳統(tǒng)砂型鑄造技術(shù)相對比，具有以下的特點(diǎn)：

當(dāng)只有水槍產(chǎn)品實(shí)物，但是缺乏產(chǎn)品的三維模型和二維圖紙等相關(guān)技術(shù)文件時(shí)，采用逆向工程技術(shù)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維模型的快速創(chuàng)建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而縮短了水槍三維模型設(shè)計(jì)的周期。

采用3D打印技術(shù)制造水槍模樣與采用傳統(tǒng)機(jī)加工方法生產(chǎn)木模相比，能簡化模樣的制造工藝，從而縮短模樣的制造周期和降低生產(chǎn)成本。此外還解決了使用木模容易變形和開裂的問題。砂型鑄造技術(shù)與逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合，不僅可以減少模樣的制造時(shí)間，降低成本，同時(shí)也為快速模具制造提供了一種新思路新方法。