基于數(shù)字化逆向建模的3D打印實驗教學(xué)

成思源,周小東,楊雪榮,張湘?zhèn)?郭鐘寧

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

基于數(shù)字化逆向建模的3D打印實驗教學(xué)

成思源,周小東,楊雪榮,張湘?zhèn)?郭鐘寧

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

提出了先進制造技術(shù)領(lǐng)域的逆向工程與新興3D打印技術(shù)相結(jié)合的實驗課程,給出了實施方案。實驗內(nèi)容包括了用手持式激光掃描儀對物體表面進行掃描,獲取點云數(shù)據(jù),然后將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字化逆向建模軟件Geomagic Design Direct 中進行處理,完成物體CAD實體模型重建,最后將模型導(dǎo)入CubeX 3D打印機中進行打印,實現(xiàn)快速制造。該實驗內(nèi)容體現(xiàn)了先進制造技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢,在現(xiàn)代工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景;實驗教學(xué)的實施順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的最新需求,對于促進學(xué)生在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計與制造技術(shù)等方面的應(yīng)用和創(chuàng)新能力具有積極的作用。

逆向建模;3D打印;Geomagic Design Direct;快速制造

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)模式已經(jīng)滿足不了市場競爭的需求,為了提高產(chǎn)品開發(fā)速度,已經(jīng)研發(fā)出眾多先進設(shè)計與制造技術(shù),例如CAD/CAM一體化、數(shù)值仿真、虛擬制造(VM)、逆向工程(RE)等[1]。近年來,3D打印技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計,特別是數(shù)字制造領(lǐng)域的應(yīng)用正在成為一種潮流和熱門話題。3D打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,成本的大幅降低使其已經(jīng)從研發(fā)的小眾空間向主流市場進軍,發(fā)展勢頭不可阻擋,已經(jīng)成為社會廣泛關(guān)注、民用市場迅速崛起的新領(lǐng)域[2]。正因為如此,基于逆向工程的3D打印技術(shù)實驗教學(xué)已成為培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計與制造工程領(lǐng)域?qū)嵺`能力的重要手段。 同時加強該領(lǐng)域?qū)嶒灲虒W(xué)也是機械類專業(yè)實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”、實現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標、加強學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[3],于是提出了基于數(shù)字化逆向建模與3D打印技術(shù)的實驗教學(xué)。在該實驗教學(xué)中,首先使用Creaform 公司的REVscan手持式激光掃描儀對實物零件進行測量,通過Geomagic Design Direct逆向設(shè)計軟件實現(xiàn)其CAD實體模型重建,并通過3D Systems生產(chǎn)的CubeX 3D打印機實現(xiàn)模型的快速成型制造。通過基于逆向建模的3D打印技術(shù)的實驗教學(xué),對于學(xué)生掌握逆向工程與快速制造基本原理與技術(shù),促進學(xué)生對先進工業(yè)技術(shù)的認識,培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新能力具有積極的作用。

1 基于REVscan掃描儀的數(shù)字化測量

數(shù)據(jù)采集和模型重建是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)[4]。在實驗中,首先要根據(jù)實物模型的自身特性、精度要求、制造材質(zhì)等多項因素選擇合適的數(shù)字化設(shè)備,完成模型表面數(shù)字化[5]。在原始數(shù)據(jù)的采集階段,本實驗采用的是手持式激光掃描儀REVscan，如圖1所示。相配套的數(shù)據(jù)處理軟件是VXscan。手持式激光掃描系統(tǒng)是采用激光三角測量原理對物理模型的表面進行數(shù)據(jù)采集[6],由激光束的發(fā)射角度和在CCD內(nèi)成像位置,通過三角幾何關(guān)系獲得被測點的距離或位置坐標等數(shù)據(jù)。它具有操作簡便、數(shù)據(jù)采集速度快、能對松軟材料的表面進行數(shù)據(jù)采集,以及能很好測量復(fù)雜輪廓等特點。

圖1 手持式激光掃描儀

手持式激光掃描儀的基本操作流程為:首先著色處理和配置顏色,如果掃描模型的反射效果較為強烈,可以噴施著色劑；其次貼標記點,通過在模型表面粘貼標記點的方法進行空間定位,可以實現(xiàn)對不同角度掃描數(shù)據(jù)的拼接；最后組配硬件系統(tǒng),啟動VXscan 軟件,并啟動接收數(shù)據(jù)狀態(tài),開始掃描。待掃描完成后保存文檔,可以根據(jù)需要保存不同的文件格式,在這里選擇輸出點云VTX文件[7]。圖2是通過手持式激光掃描儀獲取減速箱箱蓋的點云數(shù)據(jù)。

圖2 減速箱箱蓋表面的數(shù)據(jù)點云

2 三維CAD實物模型重建

在該實驗環(huán)節(jié)用到的是Geomagic Design Direct軟件平臺,該軟件體現(xiàn)了逆向設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展趨勢。與較早的Geomagic Studio相比而言,Geomagic Design Direct對實物的三維模型重構(gòu)優(yōu)勢在于其融合了逆向建模技術(shù)和正向設(shè)計方法的長處,具有強大的基于三維網(wǎng)格面模型的截面線特征與規(guī)則特征的提取編輯功能,以及基于二維截面與實體特征的正向設(shè)計建模功能?？梢灾苯訉υ紥呙钄?shù)據(jù)進行幾何形狀重構(gòu)得到原產(chǎn)品的CAD實體模型,并通過正向建模工具對實體特征及其相互約束關(guān)系進行編輯修改,以實現(xiàn)模型的再設(shè)計。Geomagic Design Direct中數(shù)字化建模流程圖如圖3所示。

圖3 Geomagic Design Direct中建模流程

2.1 點云預(yù)處理

掃描系統(tǒng)在測量過程中都不可避免地存在誤差,使得獲得的掃描數(shù)據(jù)不太理想,一般會存在數(shù)據(jù)過于龐大和噪音點的情況[8]。在Geomagic Design Direct的捕獲階段主要是對初始掃描數(shù)據(jù)進行一系列的預(yù)處理,包括為點著色、采樣、降噪等處理,從而得到一個完整而理想的點云數(shù)據(jù)。其主要思路是:首先導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)進行著色處理，為了更好地顯示點云;其次進行采樣、降噪、封裝等技術(shù)操作,得到高質(zhì)量的點云或多邊形對象。主要包括以下幾個方面:

(1) 在保證整體外形特征前提下通過采樣處理減少點云密度;

(2) 通過降噪處理,使點的排列更平滑,彌補掃描誤差;

(3) 封裝出高質(zhì)量的多邊形對象。

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理完后的模型如圖4所示。

圖4 減速箱箱蓋預(yù)處理后模型

2.2 實體模型重構(gòu)

Geomagic Design Direct無縫結(jié)合了即時掃描數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)格編輯、CAD 設(shè)計等工具,在本實驗中,減速箱箱蓋的主體表面為不規(guī)則的自由曲面,對此選擇在Geomagic Design Direct草圖模式下,通過提取二維截面輪廓線并對其主要輪廓進行編輯,然后選擇“拉動”命令生成三維實體,完成三維模型的重構(gòu)。圖5為編輯重構(gòu)后的減速箱箱蓋主體部分的實體模型。

圖5 減速箱箱蓋的主體部分實體模型

對于附加的規(guī)則特征,在Geomagic Design Direct中能方便快捷地提取出規(guī)則的三維特征。本實例中可以選擇擬合圓柱面、擬合擠壓等建立規(guī)則特征三維模型,然后利用組合工具中的布爾運算,將這些實體合并成一個完整的減速箱箱蓋的模型。在此基礎(chǔ)上還可以對模型進行參數(shù)化修改,如調(diào)整螺栓孔的半徑、支撐板的厚度等,以實現(xiàn)再設(shè)計,最終完成減速箱箱蓋的逆向建模,如圖6所示。

圖6 重構(gòu)后的減速箱箱蓋

3 基于 3D打印的快速成型

本實驗中使用的是CubeX 3D打印機完成減速箱箱蓋的三維成型制造,如圖7所示。

圖7 CubeX 3D打印機

3D打印技術(shù)首先需要對零件的三維CAD模型按照一定的厚度進行分層切片處理,生成控制3D打印機噴嘴移動軌跡的二維幾何信息。噴嘴在計算機的控制信息作用下,進行零件堆砌所需的運動,送絲機構(gòu)把絲狀材料送進熱熔噴頭,加熱頭把熱熔性材料ABS、PLA等加熱至一定溫度成熔化狀態(tài),同時,噴嘴擠壓出成型材料,成型材料很快沉積固化為精確的零件薄層。通過升降系統(tǒng)下降完成接下來的新薄層。這一過程反復(fù)進行,層層堆積,緊密黏合,自下而上逐漸形成一個完整的三維零件實體。3D 打印機的精確度較高,即便是中低檔的型號,也可以打印出模型中的大量細節(jié),而且它比起鑄造、沖壓、蝕刻等傳統(tǒng)方法能更快速地生成原型,特別是對于傳統(tǒng)方法難以制作的特殊結(jié)構(gòu)模型[9]。

一般來說,3D打印成型過程主要包括建模、分層、成型和后期處理4個主要階段[10]。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面,在加工前必須對模型的這些曲面進行近似處理。在3D打印成型系統(tǒng)中,普遍采用是的STL文件格式,即用互相連接的小三角平面近似逼近曲面,每個三角形用3個頂點坐標和1個法向矢量來表示,三角形大小可按用戶的要求進行選擇,不同的三角形大小得到不同的曲面逼近精度,通過這樣近似處理的方法得到三角模型表示的STL格式文件。當3D模型輸入電腦以后,需要通過打印機配備的專業(yè)軟件來進一步分層處理。

在該軟件中可以對打印模型的參數(shù)進行設(shè)置,比如大小、方向、比例的縮放、切片的厚度等。CubeX 3D打印機的配套軟件可設(shè)置的層厚有0.1 mm、0.25 mm、0.5 mm。對三維模型進行分層處理是3D打印技術(shù)的一個很重要的環(huán)節(jié),無論是通過CAD造型軟件還是通過逆向工程軟件生成,都必須經(jīng)過分層處理,才能將數(shù)據(jù)輸入到3D打印機中。切片后的模型在軟件中顯示如圖8所示。由分層后的截面形狀驅(qū)動3D打印機硬件即可完成減速箱箱蓋模型的三維成型。3D 打印使復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)快速得到實物模型成為可能,同時使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的一體化趨勢更為顯現(xiàn)[11]。通過逆向工程與3D打印的結(jié)合,可大大縮短新產(chǎn)品研制周期,降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本,并便于實現(xiàn)按需訂制,滿足了人們對個性化產(chǎn)品的需求[12]。

圖8 3D打印軟件中的模型分層處理

4 結(jié)束語

對基于三維數(shù)字化逆向建模的3D打印技術(shù)實驗教學(xué)進行了研究,給出了對實物零件從原始數(shù)據(jù)的獲取到三維CAD模型重建,最后實現(xiàn)3D打印的全過程,建立了逆向工程與3D打印相結(jié)合的實驗教學(xué)新方法,并得出了以下結(jié)論:

(1) REVscan掃描儀在逆向工程中獲取點云數(shù)據(jù)方便快捷,操作簡單,可以對實物進行任意自由度掃描,與3D打印技術(shù)相結(jié)合,有著較好的應(yīng)用價值。

(2) 在實驗教學(xué)過程中,實驗中三大模塊:數(shù)據(jù)采集、CAD實體模型重構(gòu)及3D打印技術(shù),只給出了工作原理和操作流程,其具體的實驗方案、實驗內(nèi)容則根據(jù)學(xué)生自己的興趣選擇實物完成從數(shù)據(jù)采集到3D打印整個過程。在實驗過程中,讓學(xué)生掌握從三維掃描到3D打印的常用方法,注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

(3) 在實驗中,把REVscan、Geomagic Design Direct和3D打印等新興設(shè)備和技術(shù)綜合運用到教學(xué)過程中,實驗內(nèi)容體現(xiàn)了先進制造技術(shù)的最新發(fā)展趨勢,在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中有良好的應(yīng)用前景,順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的需求。

References)

[1] 付澤民,李延平. 基于ATOS 測量系統(tǒng)快速原型制造技術(shù)的實驗教學(xué)[J].實驗室研究與探索,2006,25(12):1520-1522.

[2] 王月圓,楊萍.3D打印技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].印刷雜志,2013(4):10-12.

[3] 田運生,劉維華,王景春.綜合性設(shè)計性實驗項目建設(shè)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(2):126-129.

[4] 成思源,黎波,張湘?zhèn)? 基于COMET 測量系統(tǒng)的逆向工程實驗教學(xué)[J].實驗室研究與探索,2010,29(11):90-92.

[5] 楊雪榮,何佳樂,成思源,等.基于逆向工程技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實驗教學(xué)[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(10):152-154.

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[7] 成思源.逆向工程技術(shù)綜合實驗[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2010.

[8] 成思源,楊雪榮.Geomagic Qualify三維檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[9] 李青,王青.3D 打印:一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠程教育雜志,2013(4):29-35.

[10] 王燦才.3D 打印的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].絲網(wǎng)印刷,2012(9):37-41.

[11] 張楠,李飛.3D 打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計的影響[J].機械設(shè)計,2013,30(7):97-99.

[12] 鞠全勇,鄭李明,凌秀軍.基于快速制造的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J].機電技術(shù),2012(5):50-54.

Experimental teaching of 3D printing based on digital reverse modeling

Cheng Siyuan,Zhou Xiaodong,Yang Xuerong,Zhang Xiangwei,Guo Zhongning

(College of Electromechanics Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

Experimental course of combining reverse engineering with emerging 3D printing technology in the field of advanced manufacturing technology is presented . Firstly, hand-held laser scanner is used to scan the surface of the object to get the point cloud data,and then, the point cloud data is imported into Geomagic Design Direct software for processing,to complete the object CAD model reconstruction. Finally, CubeX 3D printer is used to achieve rapid manufacturing. The experimental content reflects the recent development tendency of advanced manufacturing field,which has extensive application prospect in modern industry. Experimental course is complied with the talent cultivation requirement,which could promote students’ application and innovation ability of mordern product design and manufacture technology.

reverse modeling;3D printing;Geomagic Design Direct;rapid manufacture

2014- 07- 04

廣東省高等教育教學(xué)改革項目(2012143,JGXM025)；廣東省學(xué)位與研究生教育改革研究項目(09JGXM-ZD10)；廣東工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項目(2012Z009)資助

成思源(1975—),男,重慶,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,學(xué)院教學(xué)副院長,主要從事逆向工程技術(shù)、機械CAD、機械設(shè)計技術(shù)與實驗教學(xué)研究.

E-mail:imdesign@ gdut.edu.cn

G423.31;TP391

A

1002-4956(2015)1- 0030- 04