□ 彭秋霖

重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院 重慶 402160

1 三維打印概述

與傳統(tǒng)打印技術(shù)相比,三維打印技術(shù)是對(duì)打印對(duì)象的全方位立體型復(fù)制,能夠使打印出來的內(nèi)容具有一定的仿真性,突破材料、空間的界限,使實(shí)物具體化,具有可使用性。傳統(tǒng)打印將圖片、文字、符號(hào)等內(nèi)容呈現(xiàn)在紙上,比較單薄,三維打印則可以實(shí)現(xiàn)打印物體的立體化。直觀化的理解是,傳統(tǒng)打印只能在XY二維平面上進(jìn)行,三維打印則是在X、Y、Z三個(gè)象限內(nèi)展開,將若干個(gè)XY二維平面打印累積成一定高度,最終展現(xiàn)出有體積、有面積、有深度的打印。三維打印的效果開拓了人們向多維空間的探索,使呈現(xiàn)的內(nèi)容多維化,易懂易學(xué)。

2 數(shù)字化逆向建模概述

采用數(shù)字化逆向建模技術(shù),將原有物體分解為基礎(chǔ)模型,將模型導(dǎo)入三維打印機(jī),就能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間立體產(chǎn)品的制作。只要有實(shí)際參考物品,就可以采用逆向建模技術(shù)還原為基本的打印模型,繼而實(shí)現(xiàn)三維打印。對(duì)三維打印和數(shù)字化逆向建模進(jìn)行教學(xué),能夠使學(xué)生對(duì)所要研究的對(duì)象有直觀的了解,對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也不再局限于二維紙面呈現(xiàn),對(duì)于教育改革創(chuàng)新有很大推動(dòng)作用。筆者對(duì)基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實(shí)驗(yàn)課教學(xué)進(jìn)行研究,分析逆向建模關(guān)鍵技術(shù),了解逆向建模關(guān)鍵點(diǎn),討論三維打印中逆向建模的融入及數(shù)字化建模打印實(shí)驗(yàn)課教學(xué),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩者的充分融合,提升三維打印機(jī)的綜合能力,展現(xiàn)三維技術(shù)的科技優(yōu)勢(shì)。

3 逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

在逆向建模中,最為關(guān)鍵的是點(diǎn)云獲取、模型優(yōu)化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

3.1 點(diǎn)云獲取

主要利用三維掃描儀掃描進(jìn)行點(diǎn)云獲取,編程系統(tǒng)將掃描結(jié)果用圖片形式保存下來。在數(shù)據(jù)庫(kù)中,可以隨時(shí)使用掃描對(duì)象的形狀。利用全自動(dòng)拼接技術(shù),可以對(duì)點(diǎn)云中的特殊部位進(jìn)行獲取和補(bǔ)充,缺失的部分點(diǎn)云也能夠根據(jù)變化規(guī)律自動(dòng)補(bǔ)齊。一些學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng),對(duì)產(chǎn)品形狀的認(rèn)識(shí)不到位,三維掃描儀能夠設(shè)置自動(dòng)化獲取產(chǎn)品全貌功能,提供完整的點(diǎn)云資料,拼接的精準(zhǔn)度可以達(dá)到0.04 mm/m,滿足基本的拼接要求,同時(shí)簡(jiǎn)化學(xué)生的煩瑣操作。簡(jiǎn)單而言,點(diǎn)云獲取是對(duì)需要打印對(duì)象的形狀進(jìn)行概括,通過點(diǎn)云掃描體現(xiàn)對(duì)象的形狀特點(diǎn),同時(shí)保證在打印過程中各個(gè)零部件的拼接與組成。

3.2 模型優(yōu)化

在逆向建模的過程中,模型優(yōu)化主要是通過采用Geomagic Studio軟件進(jìn)行的。這一軟件中有去除模型噪點(diǎn)與模型不合理曲面的功能,能夠?qū)c(diǎn)云的初獲取模型進(jìn)行再次優(yōu)化,對(duì)模型中的點(diǎn)云分區(qū),消除噪聲點(diǎn),并進(jìn)行曲面擬合。在模型優(yōu)化中,對(duì)預(yù)模型進(jìn)行特征分類,從預(yù)模型中提煉出特殊點(diǎn)云數(shù)據(jù),既可以實(shí)現(xiàn)采集優(yōu)化,也能夠做到模型整體優(yōu)化,使模型結(jié)構(gòu)變得自然流暢,使模型內(nèi)容更加有參考和借鑒意義。通過模型優(yōu)化,能夠避免絕大多數(shù)點(diǎn)云獲取錯(cuò)誤,對(duì)模型的曲面進(jìn)行平整調(diào)試,使模型更加接近真實(shí)形狀,存在的噪聲點(diǎn)模糊問題也一并實(shí)現(xiàn)消除。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

一般而言,逆向建模的狀態(tài)受到設(shè)備精度、人為操作等多種情況影響,可能導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理失誤,出現(xiàn)噪點(diǎn)增多的情況。針對(duì)這種情況,需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這樣做,能夠有針對(duì)性地對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行再度修正,可以確保掃描的準(zhǔn)確性。

4 三維打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中,要注意數(shù)據(jù)采集與模型構(gòu)建兩個(gè)方面。教師先按照實(shí)物的大小和特點(diǎn)進(jìn)行材料選擇與準(zhǔn)確度范圍設(shè)定,為學(xué)生進(jìn)行演示,使學(xué)生知曉所要打印實(shí)物的大概形狀。對(duì)于一些不規(guī)則的實(shí)物,教師可以用尺測(cè)量,然后分云區(qū)進(jìn)行掃描、記錄,做到對(duì)實(shí)物的完整還原。在實(shí)物模型構(gòu)建時(shí),要對(duì)掃描處理的界面和系統(tǒng)熟知熟用,這樣才能充分發(fā)揮軟件和數(shù)字化逆向建模的優(yōu)勢(shì),盡可能做到對(duì)實(shí)物細(xì)節(jié)的完整還原,提高三維打印效率。

4.1 數(shù)字化測(cè)量

基于手持式三維激光掃描儀的數(shù)字化測(cè)量強(qiáng)調(diào)對(duì)模型的數(shù)字化處理。在對(duì)實(shí)物進(jìn)行基本資料采集時(shí),一般需要通過具有發(fā)射角度的激光束,在顯示屏上倒立成像,然后利用幾何關(guān)系還原和測(cè)量實(shí)物大小、位置、形狀及相關(guān)數(shù)據(jù)。這一方法較為簡(jiǎn)單,不存在復(fù)雜的形狀還原或形狀設(shè)計(jì),在對(duì)基本資料進(jìn)行采集時(shí)效率也較高,沒有多余的反復(fù)操作,對(duì)一些不規(guī)則的實(shí)物表面也能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。在課堂上,教師應(yīng)對(duì)手持式三維激光掃描儀的使用流程相當(dāng)熟悉,為學(xué)生展示較為完整的過程。先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)分,然后對(duì)特殊部位進(jìn)行點(diǎn)云標(biāo)記,也可以另外上色。如果在掃描中看到反射結(jié)果比較突兀,那么展開標(biāo)記點(diǎn)的分析。將同一個(gè)點(diǎn)云掃描形狀通過變換角度、變換掃描方式進(jìn)行多次掃描,選出一個(gè)比較契合原形狀的點(diǎn)云模型,再利用輔助設(shè)備進(jìn)行模型拼接和組裝,根據(jù)不同的要求存儲(chǔ)或標(biāo)記。對(duì)于需要學(xué)生熟記完成的操作流程,可以選擇幾位學(xué)生重復(fù)流程,確保每一位都能熟知熟用,獨(dú)立完成手持式三維激光掃描儀的掃描測(cè)量,完成基本的數(shù)據(jù)建模。

4.2 三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)物模型重建

三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)物模型重建在編程軟件中很常見,在進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)物模型重建過程中,可以將實(shí)物形狀以數(shù)字形式還原,通過三維打印機(jī)再現(xiàn)實(shí)物的組成細(xì)節(jié)。三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)物模型重建主要包括點(diǎn)云處理與實(shí)體模型重構(gòu)兩個(gè)方面。

點(diǎn)云處理的目的是防止掃描結(jié)果存在太多噪點(diǎn),無法還原實(shí)物。點(diǎn)云掃描因人為操作失誤或者設(shè)備處理原因而出現(xiàn)偏差,需要人工通過點(diǎn)云處理進(jìn)行調(diào)整。如果掃描的數(shù)據(jù)容量超過軟件限制,或者噪點(diǎn)過多,會(huì)導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)效用不高,精準(zhǔn)度降低,不能夠真實(shí)還原實(shí)物的形狀。在點(diǎn)云處理時(shí),要利用掃描儀對(duì)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行核對(duì)掃描,通過點(diǎn)云上色、點(diǎn)云分類、噪點(diǎn)處理等步驟,保證模型的真實(shí)性,同時(shí)保證模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。點(diǎn)云處理的相關(guān)步驟,教師要多練、多用,反復(fù)在學(xué)生面前演示,使學(xué)生掌握核心和關(guān)鍵,便于學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶。

在實(shí)體模型重構(gòu)時(shí),教師可以選擇軟件的草圖模式,對(duì)草圖中的表面輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)三維效果圖演示,結(jié)合演示使學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的分層處理。分層過程中,要求學(xué)生注意對(duì)實(shí)物厚度的把握,實(shí)物模型的重構(gòu)技術(shù)要充分體現(xiàn)真實(shí)性。進(jìn)行三維效果圖演示后,預(yù)留三維打印機(jī)的平面軌跡圖,使學(xué)生觀察三維打印機(jī)的軌跡位置,對(duì)比實(shí)物是否有步驟偏差。做好以上步驟的核對(duì)和檢查,能夠確保打印出的實(shí)體效果與實(shí)物吻合,并且提高打印效率,防止重復(fù)打印,避免打印錯(cuò)誤。傳統(tǒng)打印無法展示打印軌跡,通過三維打印能夠使學(xué)生明白建模過程中存在的錯(cuò)誤,進(jìn)而糾正和完善。實(shí)體模型重構(gòu)同時(shí)是對(duì)整體三維打印設(shè)計(jì)的一次回顧,學(xué)生通過重新檢查和實(shí)物對(duì)比,能夠溫習(xí)所學(xué)習(xí)的每一個(gè)步驟,了解每一步的意義,問題有則改之,在后續(xù)學(xué)習(xí)操作中特別注意。

5 結(jié)束語

筆者研究了基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實(shí)驗(yàn)課教學(xué),分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)——點(diǎn)云獲取、模型優(yōu)化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用數(shù)字化逆向建模,能夠有效提升三維打印的科技含量,保證三維打印的內(nèi)容精準(zhǔn)性,提高三維打印效率,使三維打印能夠在更多行業(yè)和更多場(chǎng)合發(fā)揮作用。