基于3D打印的車載吸塵器吸嘴逆向設計與再制造

李小龍，范嘉博，韋 煒

(西安文理學院機電工程創(chuàng)新研發(fā)中心，陜西 西安 710065)

車載吸塵器是車內保潔的重要工具，吸嘴是其重要部件之一，使用和存放過程中需頻繁拆裝，導致吸嘴易損壞、丟失。當出現(xiàn)吸嘴損壞或丟失的情況時，難以單獨購買到合適的吸嘴，常導致車載吸塵器無法正常使用而造成資源浪費。為解決吸嘴難以單獨購置而成套購買成本較大的問題，尋求一種經濟的吸嘴再制造方式顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的車載吸塵器吸嘴開發(fā)遵循正向工程，在設計吸嘴和吸塵器外形時參數(shù)特征相互影響，兩者都遵循從概念設計到具體模型設計的過程，吸嘴后期成型通常采用模具注塑方式。此開發(fā)方式周期長、工藝復雜、成本高，產品形態(tài)難以預見，其性能需要多次實驗來驗證[1]。模具注塑適用于車間批量生產，然而不同車載吸塵器吸嘴接口結構是不同的，且當前各類型吸嘴均是非標準件，因此正向設計與模具注塑方式均不適用于吸嘴開發(fā)。而逆向工程不僅可彌補正向工程開發(fā)周期長的問題，也可在吸嘴丟失或嚴重損壞導致產品結構特征丟失、遵循正向工程難以二次開發(fā)時，發(fā)揮其優(yōu)勢完成二次開發(fā)。逆向工程可通過對沒有原始結構數(shù)據(jù)的產品實物進行測量和工程分析，按照已有產品或部分特征來重構產品模型，通過CAD/CAM/CAE軟件分析其性能要求。此開發(fā)過程既能全面掌握產品的設計思路，促進其個性化、多樣化發(fā)展，又能結合FDM(fused deposition modeling)桌面級3D打印機進行產品成型，使產品成型更加便捷、高效。因此本文將現(xiàn)代逆向設計技術和3D打印技術相結合以此實現(xiàn)吸嘴的結構設計及再制造。

1 整體設計方案

本文首先利用光學三維測量設備對車載吸塵器吸嘴接口表面進行三維掃描從而獲得原始點云數(shù)據(jù)，并將原始點云數(shù)據(jù)導入逆向工程軟件Geomagic Studio進行點云拼接、噪聲去除、點云精簡、數(shù)據(jù)修補等處理，使接口曲面規(guī)則化。然后基于三維網格模型特征提取法[2]提取接口特征曲面，對特征曲面進行邊界優(yōu)化和數(shù)據(jù)精簡[3]，使曲面更加平滑。最后依據(jù)接口特征曲面對吸嘴結構進行重新設計，用三維建模軟件UG使模型實體化，并將重構的吸嘴三維模型以STL格式導入FDM桌面級3D打印機進行打印得到吸嘴實體。整體設計流程如圖1所示。

圖1 車載吸塵器吸嘴的逆向設計流程圖

2 點云數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 采集過程

點云數(shù)據(jù)采集就是通過掃描設備掃描實體表面獲取點云數(shù)據(jù)[4](三維坐標信息)，數(shù)據(jù)的完整性、精確性以及光順程度都會影響到后期數(shù)據(jù)處理的難易程度和重構模型的精度[5]。本文選用操作簡便、精度較高的?？怂箍礡A7320型三維激光掃描儀對車載吸塵器吸嘴接口進行掃描。在裝配調試好儀器后，將表面清理干凈的吸塵器吸嘴接口放置在儀器可掃描范圍之內，開啟設備對吸塵器接口進行全方位、多角度掃描。掃描過程中手柄應保持平穩(wěn)、緩慢移動，防止因抖動影響數(shù)據(jù)精度以及數(shù)據(jù)的完整性。由于光滑的接口表面會影響數(shù)據(jù)采集，因此需要采用多次掃描的方式來獲得接口完整的點云數(shù)據(jù)[6]。吸塵器吸嘴接口及原始點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 吸塵器吸嘴接口及原始點云數(shù)據(jù)

2.2 處理過程

由于掃描過程中存在干擾(物體表面光潔度、儀器精度、環(huán)境因素等)，經過掃描獲得的離散點云數(shù)據(jù)中存在大量非特征點云，因此需對點云數(shù)據(jù)進行預處理操作。

通過點云拼接將不同位置的點云數(shù)據(jù)(坐標位置)互換或對齊，拼接成完整的點云數(shù)據(jù)，使離散的點云數(shù)據(jù)可視化效果和特征更加明顯，便于數(shù)據(jù)處理和模型重構等操作。再對點云數(shù)據(jù)進行簡化處理，以消除雜點(非連接選項、體外孤點等)、噪聲點，使特征點云凸顯并減少冗余數(shù)據(jù)。其中的雜點，非連接選項指的是掃描到遠離主點云的離散點云數(shù)據(jù)，體外孤點為偏離掃描體表面的非特征點云，兩者都可依據(jù)與主點云間距的大小進行篩選，從而提高后續(xù)曲面的重構精度和邊界平滑度。針對噪聲點，多采用重新擬合輪廓、降低偏差[7]的方法最大程度保留特征點云，將粗糙的點云壓縮并產生平滑的多邊形對象，讓掃描后出現(xiàn)的點云分層，使點云偏離模型真實輪廓的情況得以糾正。此時需要通過點采樣[8]去除部分多余數(shù)據(jù)，在不移動任何點的情況下，通過設置曲率優(yōu)先選項來減少點的密度，有效減少點云數(shù)據(jù)，便于PC端軟件操作。經過以上處理，特征點已初步顯現(xiàn)，但由于數(shù)據(jù)殘缺造成的孔洞不夠明顯，需通過封裝[9]即在點對象上的連接點創(chuàng)建三角形面片，選擇多邊形的個數(shù)生成多邊形，凸顯孔洞以簡化補洞操作。具體數(shù)據(jù)處理流程及初步處理結果如圖3與圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 初步處理結果

3 曲面重構

3.1 接口特征提取

點云數(shù)據(jù)經預處理后生成多邊形網格，進入多邊形階段，為最大程度保證接口特征提取精度和得到平滑完整的接口曲面，需要通過減噪和補洞，進一步去除冗余數(shù)據(jù)、非特征點云和微小孔洞。此時的少量噪聲點，可利用三角面片縱橫比和估計出的曲率與整體平均值對比，進行篩選及剔除。補洞時，若孔洞周圍曲率變化較小，直接使用填充工具補洞；曲率變化較大時，需先用清除工具清除孔洞周圍點云，再用填充工具補洞。經過以上操作后，基于三維網格模型特征提取接口曲面特征，再通過數(shù)據(jù)平滑使特征提取的結果更加精確，足以確保重構模型的精度。補洞后結果和特征提取結果如圖5所示。

圖5 補洞和接口特征提取結果

3.2 吸嘴曲面造型

針對特征提取結果，經過邊界優(yōu)化、伸出邊界和平面裁剪等操作，即可得到吸嘴初步造型結果。造型完成后對數(shù)據(jù)點網格進行均勻劃分，在每個網格中提取樣本點后將其余點清除，從而再次簡化數(shù)據(jù)以減少軟件計算時間并且簡化操作過程。樣本點提取時，設置“減少到百分比”為80%效果最佳，得到的初步造型結果如圖6(a)所示。

圖6 吸嘴造型

初步造型后的曲面片存在相交路徑、較小曲面片角度、高度角點等情況，嚴重影響吸嘴的整體性能，因此需要精確和參數(shù)化曲面。通過區(qū)域分類和擬合曲面，得到的是分開的曲面片，對各個曲面片進行連接分類、擬合連接，再經過裁剪與縫合，即可得到噴嘴曲面模型。將完成造型的模型導出為IGS格式，如圖6(b)所示。

4 3D打印

將IGS格式的吸嘴造型結果導入UG建模軟件，經過加厚、曲率調整等操作使模型實體化，另存為STL格式，即可導入Cura切片軟件進行切片操作。切片時，切片方向和切片厚度都會影響打印后模型的力學性能和精度要求，需根據(jù)模型的結構特點合理選擇。如本文設計的吸嘴結構，若采用橫向分層，打印時上表面會產生沉積，引起較大體積誤差從而影響打印精度，故采用縱向分層，如圖7(a)所示。針對分層厚度，為滿足吸嘴使用性能要求，采用等厚度分層降低階梯效應[10]使體積誤差影響最小化，以此提高打印精度及整體性能。此種分層方式既能保證吸嘴使用過程中氣密性要求及吸嘴與接口配合精度要求，又可提高吸嘴內部曲面平滑度,增強其使用性能。切片完成后的模型生成G-Code代碼導入FDM型桌面級3D打印機，打印機參數(shù)設置如圖7(b)所示。

圖7 打印機參數(shù)設置和分層方向

打印時主控板控制噴頭沿著切片后的零件截面輪廓與所選擇的填充軌跡運動，熔融態(tài)的PLA(polylactice acid)經過擠出、冷卻固化與周圍材料粘結，形成一層零件截面。隨后噴頭上移一層打印，遵循此法使材料逐層累積形成完整實體，經過以上處理，得到吸嘴實體。經測試，該吸嘴可以與接口正常配合，也滿足吸塵器正常工作要求，匹配結果如圖8所示。

圖8 吸嘴裝配效果示意圖

5 結束語

基于3D打印的車載吸塵器吸嘴逆向設計，可有效解決當前車載吸塵器吸嘴難以匹配的問題。這種開發(fā)及再制造的思路，有機地將新興開發(fā)技術與新興制造方式聯(lián)系起來，在提高開發(fā)效率的同時，既能降低工藝難度和加工成本，又能對產品創(chuàng)新和改進起到促進作用。目前，3D打印已經廣泛應用于醫(yī)學、影視、工業(yè)制造等領域，可以打印人造骨骼、人物模型、發(fā)動機渦輪葉片等難以加工的產品。隨著3D打印技術和逆向工程技術的進一步發(fā)展，基于3D打印與逆向工程相結合的開發(fā)模式將向著智能化、大眾化、多元化發(fā)展，為未來制造業(yè)中復雜零部件開發(fā)與成型制造提供全新的思路和方法。