逆向工程在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究

基于增材制造的建模逆向工程技術(shù)是指在沒有設(shè)計(jì)圖紙以及三維模型的情況下，用一定的手段獲得實(shí)體產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)采用三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物三維模型的過程，并對(duì)重構(gòu)的曲面進(jìn)行在線精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造結(jié)果，最終生成適用于增材制造的標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（STL）數(shù)據(jù)，據(jù)此進(jìn)行3D打印成形?；谠霾闹圃斓某煞帜嫦蚬こ碳夹g(shù)是指在不清楚合金成分的情況下，用一定的檢測(cè)手段獲得零件的成分范圍，然后進(jìn)行成分比對(duì)，最終確定合金牌號(hào)的過程。

基于增材制造的逆向設(shè)計(jì)過程中有3大關(guān)鍵技術(shù)：其一是實(shí)體模型的數(shù)據(jù)采集與噪點(diǎn)消除技術(shù)；其二是模型重建優(yōu)化技術(shù)；其三是成分反推技術(shù)。以燃?xì)廨啓C(jī)某型導(dǎo)向葉片為例，闡述了利用逆向工程技術(shù)對(duì)造型復(fù)雜的零件進(jìn)行模型重建的步驟和方法：采用藍(lán)光掃描對(duì)零件外表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用工業(yè)CT對(duì)零件內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)利用三坐標(biāo)測(cè)量配合實(shí)體造型軟件獲得反求不規(guī)則曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后利用Geomagic Studio軟件完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和三維模型的重建，生成三維實(shí)體。綜合利用因特網(wǎng)內(nèi)容提供商（ICP）、搜索引擎營(yíng)銷（SEM）與能譜儀（EDS）等分析手段，獲得導(dǎo)向葉片不同部位的合金成分信息。最終采用SLM280激光3D打印機(jī)打印出實(shí)體模型，對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與打印模型進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差在0.1mm內(nèi)，達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)的裝機(jī)使用要求。

一、設(shè)計(jì)思路

1.工業(yè)藍(lán)光掃描測(cè)量

采用非接觸式測(cè)量方式，用工業(yè)級(jí)藍(lán)光三維掃描儀對(duì)導(dǎo)向葉片表面復(fù)雜的自由曲面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析。采用的工業(yè)級(jí)藍(lán)光三維掃描儀單面精度達(dá)到2～5μm，可生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工件表面精細(xì)部位清晰，系統(tǒng)具備對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的噪點(diǎn)進(jìn)行修剪、剔除等功能，確保測(cè)量精度。與白光掃描相比，藍(lán)標(biāo)掃描抗干擾性更強(qiáng)，掃描精度更高。

采用藍(lán)光掃描獲得的導(dǎo)向葉片表面模型如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，采用工業(yè)藍(lán)光掃描測(cè)試能夠獲得表面復(fù)雜的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成初步的三維模型輪廓，但是對(duì)于某些光路“死角”的地方，存在較多的噪聲點(diǎn)，故而在這些地方無法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，需后期進(jìn)行修復(fù)處理，處理完成后的表面可能仍存在較大的偏差或者出現(xiàn)無法修復(fù)的情況，因此需要另選其他方法進(jìn)行“丟失”數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

2.工業(yè)CT掃描測(cè)量

燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片由中腔、前腔、后腔、導(dǎo)流板、前后腔隔板等組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在無圖紙的前提下，確定其尺寸極其困難。目前，測(cè)量導(dǎo)向葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)量方式有以下4種。超聲測(cè)量法從使用上來說是一種較為便捷的方式，檢測(cè)零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)也能達(dá)到較高的精度和效率，但是對(duì)于復(fù)雜型腔，特別是有特殊回路的結(jié)構(gòu)檢測(cè)存在一定的局限性，其原因在于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各向異性造成超聲波波速的各向異性，從而導(dǎo)致入射波在復(fù)雜型腔內(nèi)壁經(jīng)過多次發(fā)射，不能通過簡(jiǎn)單的追蹤發(fā)射波得到實(shí)際聲波的傳播路徑，造成一定的測(cè)量誤差；電磁霍爾效應(yīng)法可以利用材料形狀不同引起的磁場(chǎng)變化來表征構(gòu)件的幾何特征，但是該方法的重復(fù)定位性較差，難以得到精確的測(cè)量結(jié)果；渦流掃描測(cè)試法是一種基于電渦流效應(yīng)的無損、非接觸式的檢測(cè)方法，該方法不需要借助機(jī)械式探頭掃描即可實(shí)現(xiàn)大范圍的高速測(cè)量，能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度和分辨率，但是檢測(cè)過程比較復(fù)雜。

工業(yè)CT掃描測(cè)量法是一種通過射線形成物體橫截面圖像的無損檢測(cè)方法。該方法不受工件材料種類、形狀結(jié)構(gòu)及表面狀況等限制，可對(duì)工件內(nèi)外部所有結(jié)構(gòu)尺寸全面的高精密測(cè)量，并能夠精確的測(cè)量出零件的幾何結(jié)構(gòu)，且成像直觀、目標(biāo)特征不受周圍細(xì)節(jié)的遮擋，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工件材質(zhì)的缺陷分析。這些優(yōu)勢(shì)正好彌補(bǔ)了其他方式測(cè)量導(dǎo)向葉片的不足，有效解決了導(dǎo)向葉片內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)測(cè)量困難的問題。導(dǎo)向葉片不同截面的CT圖像如圖2所示，該圖很好地展示了導(dǎo)向葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠較精確地測(cè)得實(shí)物尺寸。

3.三坐標(biāo)測(cè)量

工業(yè)CT掃描測(cè)量法仍然會(huì)帶來少部分“噪聲點(diǎn)”，導(dǎo)致部分尺寸無法確認(rèn)。因此，需借助三坐標(biāo)測(cè)量法消除“噪聲點(diǎn)”，進(jìn)一步提高測(cè)量的精度與可靠性。三坐標(biāo)測(cè)量是將待測(cè)量零件置于測(cè)量腔體內(nèi)，通過機(jī)器運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)傳感器精密的獲得待測(cè)零件的“原點(diǎn)”并建立坐標(biāo)系，然后采用最小二乘法等計(jì)算方法，擬合形成相關(guān)幾何測(cè)量元素，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出零件的尺寸、形位公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

三坐標(biāo)測(cè)量的核心點(diǎn)有2個(gè)，其一是測(cè)頭的校準(zhǔn)；其二是建立坐標(biāo)系。在測(cè)頭校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，首先要評(píng)估待測(cè)零件的尺寸和形狀，根據(jù)零件的幾何特征選取合適的測(cè)頭與測(cè)針，然后按照測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行校準(zhǔn)、測(cè)試，直到達(dá)到測(cè)量所要求的精度為止；在啟動(dòng)測(cè)量零件前，需掌握零件點(diǎn)、線、面等基本幾何要素，建立零件的坐標(biāo)系，并結(jié)合待測(cè)零件的幾何特征進(jìn)行綜合判定與分析。通過上述2步獲取待測(cè)零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將測(cè)試結(jié)果輸出構(gòu)建待測(cè)零件的三維模型。

4.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行逆向工程的關(guān)鍵工作，是數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)的核心。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求保證精度及其完整性。針對(duì)導(dǎo)向葉片造型復(fù)雜、曲面多的特點(diǎn)，分別采用工業(yè)藍(lán)光掃描測(cè)量、工業(yè)CT掃描測(cè)量、三坐標(biāo)測(cè)量等方式，在短時(shí)間內(nèi)獲得高質(zhì)量復(fù)雜零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

采用上述測(cè)量方式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于各種因素影響，在測(cè)量過程中可能存在各種“突變”現(xiàn)象，這些突變點(diǎn)不能真實(shí)反映被測(cè)零件的原始幾何特征，謂之“噪聲點(diǎn)”。為了消除初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲對(duì)模型重構(gòu)的影響，需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到逆向工程軟件Geomagic Studio中進(jìn)行精簡(jiǎn)、降噪、采樣、修補(bǔ)殘缺點(diǎn)云等處理。

二、三維模型重構(gòu)

1.包絡(luò)處理

采用UG軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及三維重構(gòu)。由工業(yè)藍(lán)光掃描測(cè)量、工業(yè)CT掃描測(cè)量、三坐標(biāo)測(cè)量得到的零件測(cè)量數(shù)據(jù)不一定盡善盡美，與實(shí)際的結(jié)構(gòu)可能存在細(xì)微的區(qū)別，還需要再進(jìn)行逆向重構(gòu)。但是這種逆向重構(gòu)不能背離已有的測(cè)量數(shù)據(jù)、另加的原始結(jié)構(gòu)和曲面特征等。在進(jìn)行逆向重構(gòu)的基礎(chǔ)上還需要對(duì)三維模型作正向處理，補(bǔ)齊3種測(cè)量方式?jīng)]有檢測(cè)到的重要特征（如進(jìn)行逆向重構(gòu)的人員是行業(yè)內(nèi)專業(yè)性較強(qiáng)的業(yè)內(nèi)人士，還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)），最后再對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合包絡(luò)。

2.重構(gòu)曲線曲面

重構(gòu)導(dǎo)向葉片曲線曲面時(shí)，盡量不要采用直接由點(diǎn)云構(gòu)造曲面的方式，原因在于這種生成曲面的方式與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性較差，如后期重新進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，曲面不會(huì)跟隨改變，導(dǎo)致重構(gòu)出來的曲面無法進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)和修改。所以，筆者采用通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)先構(gòu)造曲線后構(gòu)造曲面的方法來確定零件的最終曲面。在曲面重構(gòu)過程中，根據(jù)導(dǎo)向葉片的外形特征篩選掉一些非關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，選取可用、需細(xì)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造。構(gòu)造曲面的曲線做到盡可能簡(jiǎn)單，同時(shí)保證曲線的光滑性，不能出現(xiàn)尖角、不平滑、交叉或重疊的現(xiàn)象。此外，高階段次曲面與構(gòu)造非參數(shù)化的曲面會(huì)造成后期曲面調(diào)整比較困難，因此也需要盡量避免使用高階次曲面與構(gòu)造非參數(shù)化的曲面。

3.修整處理

曲面構(gòu)造完成后，對(duì)于尖角、不平滑、交叉或重疊等曲面必須進(jìn)行修整處理，如圓角過渡、平滑處理、交叉及重疊曲面的修剪處理等。通過對(duì)曲面進(jìn)行修整，不僅可以有效避免應(yīng)力集中，提高零件強(qiáng)度，還可以提升零件的曲面更貼合實(shí)際。最后對(duì)修整后的曲面進(jìn)行局部特征設(shè)計(jì)與優(yōu)化，完成整個(gè)模型的重構(gòu)。

4.最終修正

模型構(gòu)件完成后，仍然會(huì)存在一些數(shù)據(jù)點(diǎn)云中不存在、但是多出來的很多實(shí)際面，故而需要在測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)云基礎(chǔ)上，根據(jù)導(dǎo)向葉片實(shí)物的具體形貌特征再次進(jìn)行模型的特征面添加和修整，完成最終的反求過程。通過三維重構(gòu)后獲得的導(dǎo)向葉片最終三維模型如圖4所示。

三、材料成分確定

綜合利用ICP、SEM與EDS等分析手段，對(duì)導(dǎo)向葉片進(jìn)行表征。通過上述分析技術(shù)，得到導(dǎo)向葉片不同部位的合金成分信息。首先，采用SEMEDS技術(shù)，對(duì)葉片內(nèi)外環(huán)進(jìn)行了合金組織觀察及成分檢測(cè)，葉片內(nèi)外環(huán)示意圖如圖5所示。

由EDS結(jié)果分析可知外圈合金是一種鎳基高溫合金，基體中主要成分為鎳（Ni）、鉻（Cr）、鈷（Co）及少量的鈦（Ti）。經(jīng)計(jì)算合金中碳化物為M〔鉭（Ta）、Ti、鈮（Nb）〕C型碳化物。由EDS結(jié)果可得外圈合金的具體成分如表1所示。

由EDS結(jié)果分析可知內(nèi)圈合金是一種鎳鉻合金，基體中主要成分為Ni、Cr及一部分的Fe。經(jīng)計(jì)算合金中碳化物為M（Ni、Cr）C型碳化物。由EDS結(jié)果可得外圈合金的具體成分如表2所示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析導(dǎo)向葉片內(nèi)外圈的合金成分及加工方式都不相同，但是考慮到內(nèi)圈有冷卻氣流，故而可知內(nèi)圈材料性能可以稍低于外圈材料性能，為了便與后續(xù)的3D打印，則可以選取性能較為優(yōu)異的外圈材料進(jìn)行導(dǎo)向葉片的3D打印制作。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證及確定外圈合金成分對(duì)應(yīng)的具體合金牌號(hào)，采用ICP的方式進(jìn)行合金成分的復(fù)檢。由ICP結(jié)果可得外圈合金的具體成分如表3所示。對(duì)比表1與表3成分，從而確定最終的合金牌號(hào)。

四、3D打印實(shí)現(xiàn)

確定導(dǎo)向葉片的三維模型與具體成分后，需對(duì)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品做首件鑒定來驗(yàn)證逆向工程的完整性，力求找出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能上的設(shè)計(jì)缺陷與不足。實(shí)際生產(chǎn)過程中，要求首次鑒定的產(chǎn)品制作周期短、成本低、能夠快速驗(yàn)證并能很快的找出產(chǎn)品的不足及時(shí)優(yōu)化改善，為產(chǎn)品定型提供依據(jù)。

結(jié)合逆向工程零件的特點(diǎn)，采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)（SLM）對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行打印，再對(duì)零件進(jìn)行支撐去除，表面噴砂、拋光等后處理，最終得到首件產(chǎn)品。采用金屬3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于能夠快速對(duì)零件進(jìn)行外觀驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證以及功能驗(yàn)證。隨后再次對(duì)首件產(chǎn)品進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比與實(shí)物之間的差別，根據(jù)查找出的“異點(diǎn)”，對(duì)三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化和修改，確定最終三維設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)，打印出滿足裝機(jī)使用要求的導(dǎo)向葉片實(shí)物，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差在0.1mm內(nèi)，導(dǎo)向葉片打印實(shí)物如圖6所示。

五、結(jié)語(yǔ)

采用基于增材制造的逆向工程技術(shù)進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片等復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、多種設(shè)備和多種軟件使用。利用工業(yè)藍(lán)光掃描測(cè)量、工業(yè)CT掃描測(cè)量、三坐標(biāo)測(cè)量采集導(dǎo)向葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在逆向工程軟件Geomagic Studio中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，并導(dǎo)入到UG軟件中進(jìn)行三維建模，對(duì)導(dǎo)向葉片進(jìn)行反求設(shè)計(jì)；綜合利用ICP、SEM與EDS等分析手段，獲得導(dǎo)向葉片不同部位的合金成分信息；3D打印實(shí)踐表明，采用上述方法構(gòu)件的三維模型精度高、表面質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，便于修改。采用基于增材制造的逆向工程技術(shù)，提高了設(shè)計(jì)效率，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，對(duì)其他航空航天復(fù)雜構(gòu)件的反求工程開發(fā)具有一定的借鑒價(jià)值。