逆向工程及3D打印技術(shù)在微車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇開發(fā)中的集成應(yīng)用

【摘要】在概述了逆向工程設(shè)計(jì)及3D打印制造技術(shù)的一般概念和原理的基礎(chǔ)上，通過微車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的開發(fā)設(shè)計(jì)作為實(shí)踐，闡述了逆向工程及3D打印技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的集成應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、快速制造的過程和方法，最后強(qiáng)調(diào)該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)企業(yè)乃至國家產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)產(chǎn)生的意義與影響。

【關(guān)鍵詞】逆向工程；3D打??；發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇；集成應(yīng)用

1、概述

1.1 逆向工程的概念

逆向工程，又稱反求工程，英文是Reverse Engineering，是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過程，即對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，通過數(shù)字化技術(shù)和設(shè)備及CAD/CAE軟件構(gòu)造曲面或?qū)嶓w得到一個(gè)三維數(shù)據(jù)模型（即CAD模型）的過程。是消化、吸收先進(jìn)產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段和方法。

逆向工程被廣泛地應(yīng)用到汽車、機(jī)械、家電、醫(yī)療等新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測(cè)領(lǐng)域。

1.2 3D打印的概念

3D打印制造技術(shù)實(shí)際上是一系列快速成型（原型）制造技術(shù)的統(tǒng)稱。其基本原理都是疊層制造，通過接收計(jì)算機(jī)上的CAD數(shù)字模型，由快速成型機(jī)在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。在汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的快速成型技術(shù)主要有SLA立體平版印刷技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、DLP激光成型技術(shù)等。

以下本文將以SLA立體平版印刷技術(shù)為例，介紹3D打印制造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐。

SLA立體平版印刷技術(shù)：SLA立體平版印刷技術(shù)集成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）、激光、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，以光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制激光按零件三維CAD模型的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完成后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，再次掃描固化。依此不斷循環(huán)，層層疊加，直至得到三維實(shí)體模型。

該方法成型速度快，自動(dòng)化程度高，可成形任意復(fù)雜形狀，尺寸精度較高，主要應(yīng)用于復(fù)雜、高精度的精細(xì)工件快速成型。工作原理如圖（一）示。

2、逆向工程與3D打印的集成應(yīng)用

逆向工程與3D打印制造技術(shù)集成應(yīng)用，是指在產(chǎn)品的反求和制造時(shí)，采用先進(jìn)的設(shè)備與方法以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與快速成型加工的一體化過程。

2.1 逆向工程與3D打印的集成流程

如圖（二）示。

2.2 產(chǎn)品特征分析

風(fēng)扇樣件來自于客戶提供的零件。原發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇是當(dāng)前裝機(jī)產(chǎn)品，參考樣機(jī)風(fēng)扇是某進(jìn)口機(jī)型的風(fēng)扇。通過對(duì)零件的特征比對(duì)，有以下特點(diǎn)：

2.3 風(fēng)扇逆向工程設(shè)計(jì)方法

2.3.1 掃描獲取數(shù)據(jù)

逆向設(shè)計(jì)首先需要實(shí)物數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集通過德國GOM ATOSII三維流動(dòng)式光學(xué)掃描儀對(duì)參考樣機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行全部特征掃描。如圖（三）示。

ATOS II流動(dòng)式光學(xué)掃描儀性能特點(diǎn)：

最大掃描尺寸：8m；整體精度：<0.1mm/m；單幅照片精度：±0.03mm

照片規(guī)格：100×80mm；350×280mm；800×640mm

掃描數(shù)據(jù)獲取過程：

（1）建立項(xiàng)目project，取名并生成*.amp；

（2）項(xiàng)目參數(shù)project parameter設(shè)定。點(diǎn)的過濾設(shè)為2：8（Raster 2：8）；

（3）拍照。調(diào)整光強(qiáng)度，調(diào)整參考點(diǎn)光強(qiáng)，設(shè)定參考點(diǎn)誤差0.1 pixel 像素，拼合誤差0.1 mm；

（4）數(shù)據(jù)處理計(jì)算。Processing wizard 包括：Smoth mesh 點(diǎn)光順＼Thin mesh點(diǎn)細(xì)化＼Save mesh存點(diǎn)；

（5）計(jì)算生成*.g3d文件；

（6）*.g3d轉(zhuǎn)換輸出STL文件。

2.3.2 掃描數(shù)據(jù)處理和文件輸出

掃描數(shù)據(jù)是一組點(diǎn)云。原始的點(diǎn)云會(huì)有一些瑕疵，需要過濾、修補(bǔ)，去除離散的奇異點(diǎn)，修整殘缺點(diǎn)云，達(dá)到優(yōu)化目的。如圖（四）示。

通過Atos Version 5.1.1軟件，計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸出STL文件。

2.3.3 曲面重構(gòu)

風(fēng)扇結(jié)構(gòu)主要由葉片和安裝面兩部分組成，分別需要曲面重構(gòu)和結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

Imageware V12曲面重構(gòu)方法包括：點(diǎn)云的平順化，點(diǎn)云的提取與合并，點(diǎn)云匹配為曲線，曲線的編輯，曲線與點(diǎn)云間差異的比較等等。

Imageware的曲面處理流程，其中包括多種曲面的生成方式，曲面間的連接，曲面的修剪，曲面質(zhì)量分析，曲面間連續(xù)性的分析。主要過程和方法如下：

（1）坐標(biāo)系的建立，World axis、Object axis、Orient axis。（2）點(diǎn)的處理，Point process。（3）點(diǎn)云的對(duì)齊，Alignment。（4）坐標(biāo)系的對(duì)齊，axis Alignment。（5）曲線的擬合，Construct.Uniform curve。（6）曲面的構(gòu)造，Surface preparation＼Surface generation。

曲面的生成方法：Loft構(gòu)造曲面或Boundary構(gòu)造曲面。

曲面的類型： Nurbs非均勻有理B樣條曲面、Bezier 貝齊爾曲面

2.3.4 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

結(jié)構(gòu)重構(gòu)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)在UG NX3完成。結(jié)構(gòu)重構(gòu)和細(xì)節(jié)包括風(fēng)扇的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)、拔模角設(shè)計(jì)等。

曲面重構(gòu)和結(jié)構(gòu)重構(gòu)組合后，形成的新風(fēng)扇CAD模型，如圖（五）示。

2.3.5 風(fēng)扇造型結(jié)構(gòu)分析

如圖（六）示，對(duì)風(fēng)扇做光順性、曲率、拔模等分析。

風(fēng)扇葉面的光順性分析。要求斑馬線光順，流線不打折。

風(fēng)扇葉面的曲率分析。曲率的變化平滑，曲率的方向一致。

風(fēng)扇拔模分析。要求拔模角度=2～3度，避免出現(xiàn)直角甚至負(fù)角，影響零件出模。

2.4 風(fēng)扇3D打印制造

風(fēng)扇造型結(jié)構(gòu)通過分析，達(dá)到滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求后，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?D打印制造設(shè)備。3D打印制造設(shè)備配置了打印程序設(shè)計(jì)軟件，即設(shè)計(jì)成型加工的方法，包括支撐設(shè)計(jì)、成型擺放角度、成型零件數(shù)量等。

該風(fēng)扇的3D打印設(shè)備，是西安交大SPS-600激光快速成型機(jī)，采用SLA激光立體光刻技術(shù)（Stereolithography）。該機(jī)輸出功率450～480毫瓦，到達(dá)液面功率360毫瓦。加工層厚0.1～0.4mm，最小掃描速度20mm/S，最大掃描速度15000mm/S。最大成形尺寸為：600mm×600mm×500mm。精度：±0.1mm。如圖（七）示。

2.4.1 3D打印制造過程

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。包括CAD三維模型的設(shè)計(jì)、STL數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、制作方向的選擇、分層切片以及支撐編輯，完成制造數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

（2）快速成型制作?？焖俪尚椭谱魇菍⒅圃鞌?shù)據(jù)傳輸?shù)匠尚蜋C(jī)中，快速成型出零件的過程，它是快速成型技術(shù)的核心。如圖（八）示。

（3）后處理。將整個(gè)成型后的零件從成型機(jī)取出后，進(jìn)行清洗、支撐去除、后固化、修補(bǔ)、打磨、表面噴漆等，以便獲得一個(gè)表面質(zhì)量與機(jī)械性能更優(yōu)的零件。如圖（九）示。

2.4.2 SLA 快速成型加工工藝參數(shù)設(shè)定

2.4.3 快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)切削方法比較

2.4.4 3D打印制造質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)

（1）控制變形。成型零件的變形一般發(fā)生在零件的懸臂區(qū)域、基礎(chǔ)底面。通過優(yōu)化制作方向，使原型制作時(shí)易發(fā)生變形的面積最小，可有效地消除制作過程中的零件收縮變形。還可以在制作過程中，給零件易發(fā)生變形的懸臂區(qū)域、基礎(chǔ)底面添加支撐數(shù)量，可以約束收縮引起的變形，提高成型精度。

（2）降低階梯效應(yīng)。產(chǎn)生階梯效應(yīng)（又稱“鋸齒現(xiàn)象”）的因素有模型面片的傾角與層片高度。在模型數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先應(yīng)優(yōu)化制作方向，使模型的各面片在該方向的臺(tái)階效應(yīng)的面積和為最小。

（3）優(yōu)化分層厚度。分層厚度對(duì)成型件表面質(zhì)量的影響較大，分層厚度越大，成型過程產(chǎn)生的“鋸齒現(xiàn)象”越嚴(yán)重，誤差也越大，減小分層厚度可以提高成型表面質(zhì)量。但是，如果繼續(xù)減小分層厚度，則表面質(zhì)量又開始下降。因此，必須在保證成型件必要強(qiáng)度的前提下，選擇適合的分層厚度，使成型件的表面質(zhì)量達(dá)到最佳。

3、結(jié)束語

逆向工程與3D打印制造技術(shù)的集成應(yīng)用，通過系列硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件構(gòu)建了一個(gè)快速產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。這種快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品的造型和系列化的設(shè)計(jì)，降低了新產(chǎn)品開發(fā)的成本與風(fēng)險(xiǎn)，很適合單件、小批量的零件制造?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，逆向工程與3D打印制造技術(shù)將愈加成熟，應(yīng)用將愈加廣泛，對(duì)一個(gè)企業(yè)乃至一個(gè)國家的產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新能力的提升將產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。