逆向工程及3D打印技術(shù)的應(yīng)用與精度分析

李繼明

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，我國的制造業(yè)在世界上所占的份額和比重也越來越大，我國也逐步成為全球制造行業(yè)的聚集地。這對中國制造行業(yè)來說是一個重大發(fā)展機遇，但隨之而來的是更多需要面對的困難和挑戰(zhàn)。新型技術(shù)3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對于制造業(yè)來說是一項非常重大的變革，而逆向工程又會對3D打印技術(shù)起到促進的作用。傳統(tǒng)的設(shè)計方式是設(shè)計師先畫出產(chǎn)品的圖紙，然后按照圖紙進行生產(chǎn)、加工[1]。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方式已經(jīng)不能夠適應(yīng)市場的快速變化，這也就催生出3D打印技術(shù)與逆向工程在工業(yè)制造中的廣泛應(yīng)用。

1 逆向工程的產(chǎn)生意義

逆向工程是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計思路，是根據(jù)對已有產(chǎn)品的逆向推理從而分析出產(chǎn)品的設(shè)計流程、人員框架、性能指標、技術(shù)特性等，是一種反向的產(chǎn)品設(shè)計形式。逆向工程的產(chǎn)品成果與原有產(chǎn)品相近，但是又絕對不是簡單的抄襲而已，產(chǎn)品存在差異性。反向思維來源于軍事上對產(chǎn)品的硬件邏輯進行分析，核心作用是在不能夠獲得一些產(chǎn)品的技術(shù)特性和性能參數(shù)時，利用成品進行反向推導(dǎo)，從而得出產(chǎn)品的重要性能參數(shù)和技術(shù)指標，意義重大。

1.1 可以有效的節(jié)約設(shè)計的時間，較少設(shè)計費用

在競爭激烈的當今社會，提高產(chǎn)品競爭力的一個重要手段就是降低產(chǎn)品的成本，在競爭激烈的市場長價格的優(yōu)勢往往是其他的優(yōu)勢所比擬不了的。逆向工程的出現(xiàn)大大節(jié)約了設(shè)計的時間，時間就是金錢，節(jié)約了大量的人力和物力，這也就直接導(dǎo)致了產(chǎn)品成本的降低。在整個產(chǎn)品設(shè)計流程中，在開始設(shè)計的時候，首先應(yīng)該去建立一個電腦的三維模型，這個過程需要設(shè)計師花費大量的時間和精力在上面。而逆向工程的出現(xiàn)只需要通過用計算機去掃描已有產(chǎn)品計算機會自動的去生成產(chǎn)品的3D模型，這也就使得建模的時間大大減少。除此之外，某些模型的一些修改也可以利用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)，大大降低了設(shè)計的難度，節(jié)約了設(shè)計成本[2]。

1.2 讓設(shè)計變得更加的隨心所欲

對于一個產(chǎn)品設(shè)計的評價方向是多種多樣的，在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，對于一個產(chǎn)品的評價并不會把使用效果最優(yōu)來作為對一個產(chǎn)品設(shè)計最核心的評價準則。因為產(chǎn)品的設(shè)計是一個及其復(fù)雜的過程，尤其對一些曲面造型特別復(fù)雜的產(chǎn)品，在建立模型時很難實現(xiàn)，或者說根本不可能實現(xiàn)。所以說即便是設(shè)計產(chǎn)品的最優(yōu)解決方案最后會也很可能被否決掉。逆向工程的出現(xiàn)解決了這一難題，產(chǎn)品是不是非常復(fù)雜與建模的難易程度不會相關(guān)，兩者是完全獨立的形式。無論多么復(fù)雜的產(chǎn)品，都可以通過計算機掃描的形式來直接獲取模型，這也就大大降低了產(chǎn)品設(shè)計人員對建模設(shè)計的難度，從而有更多時間和精力來研究優(yōu)化產(chǎn)品的具體功能，讓設(shè)計變得更加隨心所欲，不用再受制于建模能否實現(xiàn)[3]。

2 逆向工程在實際工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 產(chǎn)品新部件的開發(fā)

在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計過程中，產(chǎn)品的設(shè)計不能非常容易的用概念詞匯來表達，因為有些產(chǎn)品的形式非常復(fù)雜，用概念描述的方式很難表述明白。為了讓產(chǎn)品表述的更加形象和清晰，產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)人員會通過創(chuàng)建物理模型的形式來描述產(chǎn)品的功能和外觀結(jié)構(gòu)。運用反向思維的形式建立起來的產(chǎn)品模型，如果需要產(chǎn)品的升級或者改動，只需要在原有的模型上修改，而不需要重新建立模型，大大方便了設(shè)計人員的設(shè)計開發(fā)工作。

2.2 現(xiàn)存部件產(chǎn)品的復(fù)制

在不知道原有產(chǎn)品的設(shè)計圖紙或者重要性能參數(shù)的條件下，先進的技術(shù)可以實現(xiàn)用計算機掃描產(chǎn)品實物后自動生成產(chǎn)品的3D模型，將產(chǎn)品實物轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的產(chǎn)品模型。這樣的情況下，就可以運用反向思維的方式實現(xiàn)對產(chǎn)品部件的復(fù)制，可以利用此技術(shù)順利的去探索產(chǎn)品的設(shè)計目的和設(shè)計原理，也有助于在原有基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進行升級和改造。

2.3 已經(jīng)損壞的部件的重現(xiàn)

當產(chǎn)品的部件遭受損壞時，也可以利用計算機掃描的方式來獲取產(chǎn)品部件的模型，在獲取模型的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進行修補，可以輕易地獲得原有產(chǎn)品的替代模型，這樣不僅可以大大節(jié)約設(shè)計的開發(fā)時間而且更能提高工作的效率，也增加了設(shè)備的使用時長。

2.4 方便產(chǎn)品的不斷修改，有助于產(chǎn)品部件精度提升

在對產(chǎn)品的外形進行設(shè)計時，開發(fā)人員需要先對產(chǎn)品的部件進行一個概念化的設(shè)計，在概念設(shè)計過程中要充分地考慮到產(chǎn)品的功能需求和外觀度的美觀程度，在這個過程中是不需要花費過多的時間在精度提升上，因為這個階段屬于產(chǎn)品還沒有定性，需要不斷的去改進和完善，只需要創(chuàng)建一個模型表述概念。計算機的掃描在這個過程中發(fā)揮著非常重要的作用，可以運動反向思維的方式實現(xiàn)模型的創(chuàng)建、修改和精度的提升，直至創(chuàng)建出符合要求的產(chǎn)品[4]。

3 3D打印技術(shù)的重要意義

普通的計算機打印技術(shù)可以打印出一些平面的實物，圖紙或者照片等等。3D打印技術(shù)的打印原理與普通打印的原理基本相同，不過可以打印出來的作品是立體的，是具體的實物。另外，3D打印技術(shù)與普通打印技術(shù)的原材料也是不一樣的，普通打印所需要的原材料可能是墨粉等，而3D打印技術(shù)需要一些符合粘合劑等。3D打印技術(shù)很大程度上提高了產(chǎn)品的成型速度，并且產(chǎn)品的精度也比較高，表面的水平也非常好，適合用在一些對材料的標準不是很高的產(chǎn)品生產(chǎn)上。

4 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛，涉及醫(yī)學(xué)、航天、海事等非常多的領(lǐng)域。

4.1 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

目前在日本已經(jīng)可以實現(xiàn)利用3D打印的技術(shù)制作出人體肝臟的立體模型，通過模型可以清楚的看清肝臟內(nèi)的結(jié)構(gòu)和血管的走向，這項技術(shù)可以用很低的成本制作出每位患者的肝臟模型，當醫(yī)生給患者治病時，可以更精準的摸清患者的肝臟情況，有助于治療過程的順利進行，也有助于向患者形象的闡述病灶及治療原理。并且模型的簡歷是基于患者的一些其他的檢查結(jié)果而建立的，整體的形狀線條表述出患者肝臟的整體構(gòu)造，也可以形象地表述出肝臟內(nèi)部的細節(jié)。另外，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上還可以用在打印頭蓋骨、打印脊椎植入人體、打印手掌治療殘疾、打印心臟治療先天性心臟病的人群、打印制藥、打印胸腔、打印血管等眾多的方面[5]。

4.2 在建筑行業(yè)的應(yīng)用

用3D打印的形式建造房屋早已經(jīng)不再是神話，早在2014年，中國的上海已經(jīng)實現(xiàn)了打印房屋的交付，10幢房屋僅僅用了24個小時就完成了，速度真的讓人驚嘆。在打印之前，先用計算機設(shè)計出房子的圖紙和結(jié)構(gòu)，然后就可以用一臺龐大的打印機去完成。還有在2015年在西安利用3D打印技術(shù)打造出的別墅，僅僅用了三個小時就可以做到放好家具可以隨時入住的狀態(tài)。不得不說，3D打印技術(shù)的速度在傳統(tǒng)的建造行業(yè)里是想都不敢想的，傳統(tǒng)的建筑行業(yè)建造一個小區(qū)的住宅樓通常需要幾年的時間去完成，且需要花費大量的人力、物力和財力。3D打印完美地解決了這些問題，你和朋友吃個飯聊聊天的時間也許一所房子就建成了。

4.3 在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用不是單純的指用3D的技術(shù)直接打印出來一臺汽車，更多的是應(yīng)用在汽車零部件的打印上，這會在很大程度上降低零部件生產(chǎn)的成本，提高生產(chǎn)的效率。目前，3D打印應(yīng)用比較多的兩個方面一個是試驗原件的模型和產(chǎn)品功能的原型。相對于原來的非常復(fù)雜的模型設(shè)計流程，3D打印技術(shù)直接可以從計算機中錄入進去相關(guān)的信息參數(shù)，直接可以得到所要求的原件。所以說，3D打印技術(shù)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下最大程度的節(jié)約了生產(chǎn)的時間，降低了生產(chǎn)的成本[6]。

4.4 傳統(tǒng)制造行業(yè)

在原有的制造產(chǎn)業(yè)方面，也有很多的地方可以用3D打印技術(shù)來替代原有的生產(chǎn)方式，畢竟這種先進的生產(chǎn)形式無論是在降低企業(yè)成本或者是提高企業(yè)效率方面都起到顯著的成效。并且3D打印技術(shù)較之前的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式更加的精確。在傳統(tǒng)制造行業(yè)，3D打印技術(shù)適合規(guī)模比較大的產(chǎn)品的生產(chǎn)，所以企業(yè)這項技術(shù)的應(yīng)用對企業(yè)來說是一個重大的福音，對企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量也是一個重要的保證。

4.5 在文物保護領(lǐng)域的應(yīng)用

文物的單一性決定了文物保護這項工作的意義非常的重大，有關(guān)于文物保護的問題一直是考古領(lǐng)域里面的難題，因為文物是歷史遺留下來的物品，不可能做到再生。如果文物受到損壞的話將再也不會有第二件存在。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，將給文物考古領(lǐng)域以新的思路，對考古行業(yè)意義非常的重大，利用3D打印技術(shù)可以精確的還原出文物的樣貌，幫助人類去記憶歷史中發(fā)生的變遷。比如非常之著名的文物秦兵馬俑，剛剛被挖掘出來時色澤非常的漂亮，可是經(jīng)過空氣的氧化色澤就變得非常的暗淡，喪失了原有的風(fēng)采。

5 結(jié)論

逆向工程及3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對于制造行業(yè)來說意義非常的重大，對于一些外觀比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計來說更是降低了開發(fā)的難度，很大程度上實現(xiàn)了為企業(yè)的節(jié)本增效。設(shè)計人員可以輕易的去進行產(chǎn)品模型的修改和升級，更有利于將時間精力用在產(chǎn)品的功能設(shè)計上面，可謂是一舉多得。但由于目前的狀態(tài)下，這兩項技術(shù)在很多的領(lǐng)域發(fā)展的還不是非常的完善，技術(shù)方面也存在一些缺陷，需要廣大的科研工作者共同努力促進逆向工程和3D打印技術(shù)的廣泛運用。