基于逆向工程的增材制造材料成型模鍛模具教具

張亞豪，王洪亮，孫長灝，韓竺珊，李永華

（沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

傳統(tǒng)的模具教具是以金屬為主體進行制造的，尤其是對于復雜模具不僅制造困難，且模具重量較大。對于模具教具來說，此類教具顯然不便于用來模具拆裝等教學工作。因此，利用新的鍛模教具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍛模教具勢在必行。

逆向工程是一種通過增材制造技術(shù)獲得所需或所構(gòu)想的結(jié)構(gòu)制件。通常利用三維掃描儀對現(xiàn)有產(chǎn)品進行掃描，生成點云（Point Cloud），而后生成該產(chǎn)品的三維造型[1-4]。目前逆向工程已經(jīng)成功用于教學過程[5-6]

如今興起的3D打印技術(shù)剛好滿足這一要求，3D打印又稱增材制造，與常規(guī)的打印最大的區(qū)別就是打印材料的不同以及3D打印是三維空間中的建模打印。

3D打印機的打印材料為金屬、陶瓷、塑料等，通過逐層堆疊“打印材料”，把設想的物品或所研發(fā)的新型結(jié)構(gòu)體變成實物。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)可以制作輕質(zhì)材料如塑料這類更輕便、更經(jīng)濟的教具，同時也更便于在課堂上展示模具結(jié)構(gòu)[7-16]。

本文闡述將既有的鋼制模具教具基于逆向工程，利用增材制造技術(shù)制作塑料模具教具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬模具教具，不僅降低了成本和制造所需時間，更明顯減少了模具的重量，使得教具便于攜帶。而且可以打印不同顏色的模具零件，便于學生更直觀地學習模具結(jié)構(gòu)。

相對于真實的模具。作為課堂演示的教學模具在原有的基礎上應便于學生去觀察，去了解其構(gòu)造?；趯嶋H考察及參考相關(guān)文獻總結(jié)出應用于教學方面的模具應具有以下特點。

（1）真實性。教學模具應具有與工作模具相同的尺寸及零部件使學生可以對模具直接的了解。故在打印時應注意尺寸。

（2）區(qū)分度。傳統(tǒng)鋼制模具顏色單一區(qū)分度不明顯，其中一些零件相似，學生不易觀察其特點，而3D打印模具可以根據(jù)自己的需求將不同的零部件打印成不同的顏色，這樣當拆裝完，不同的零件便一目了然。

（3）安全性。傳統(tǒng)鋼制模具由于金屬構(gòu)成，棱角鋒利，拆裝并不安全，可能對學生造成傷害，而3D打印模具由塑料制成，拆裝方便，且不像金屬那樣鋒利，便于學生安全拆裝。

（4）便攜性。傳統(tǒng)鋼制模具過于沉重，攜帶十分不方便，而3D打印模具剛好克服這一缺點。便于老師上課攜帶。

選用鍛模模具，是因為鍛造工藝及模具設計作為材料成型及控制工程專業(yè)的主干專業(yè)課之一，為了便于學生去進行專業(yè)課課程設計，模具教具便是主要手段之一，讓學生有直觀了解，在進行設計時便可以考慮更多方面不再局限于書本上的理論知識。本次模具教具制造選用餅類鍛件模具，并在模具上帶有墩粗、卡壓、彎曲、預鍛、終鍛模膛。設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

1 基于逆向工程的模鍛模具教具的3D打印

鍛造模具是模鍛件生產(chǎn)中必需的關(guān)鍵工藝裝備之一，是某些加工企業(yè)必備使用的工具之一，尤其是在工業(yè)4.0的背景之下大力發(fā)展工業(yè)越來越靠近實體經(jīng)濟。傳統(tǒng)行業(yè)借此發(fā)展，之所以選用鍛模，是因為當對成型零件材料性能要求十分嚴格時，鑄造的方法無法滿足要求，只能通過成型的方式進行加工，因此就衍生了鍛模這一加工方法，隨著時代的發(fā)展鍛造模具變得越來越重要。故本次選用鋼制鍛造模鍛模具進行建模，進行造型的鍛造模具模膛有復雜曲面，無法利用尺子等工具進行測繪，然后利用UG等軟件進行直接的建模，不僅精度無法保障，而且浪費時間。故通過逆向工程這一新興的方法，即三維掃描來造型。采用三維掃描儀掃描造型，可以保證零件的精度，最大的還原零件的特征及細節(jié)，還可以在原零件的基礎之上進行二次改造并且極大節(jié)約時間和制造周期。本次逆向工程所采用的是熔融沉積成型（FDM）3D打印機打印塑料教具。

1.1 鋼制模鍛模具掃描造型

三維掃描儀是融合了光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，主要用于獲取物體外表面的三維坐標及物體的三維數(shù)字化模型。由于鋼制模鍛模具（如圖2所示）顏色較深表面對光的吸收能力強不宜采用光學三角定理進行測量，進行掃描之前要首先對被掃描模具表面進行處理，噴涂反差增強劑（如工業(yè)探傷劑）在噴涂過程中盡可能使噴層薄并且分布均勻，這樣既可以加強反光效果，又可以保證測量精度避免對尺寸造成影響，之后便粘貼標志點（如圖3所示）。在貼標志點時應注意以下幾點。

圖2 鋼制鍛模上模、下模圖

圖3 預處理后上模、下模圖

（1）為了保證拼接數(shù)據(jù)的完整性，拼接過渡處的標記點應該不少于3個。

（2）貼標記點時，應呈現(xiàn)V字形分布。

（3）2個標記點以上盡量不要在一條直線上，否則會出現(xiàn)錯誤的拼接現(xiàn)象難以滿足掃描的要求。

（4）標記點盡量貼在物體的表面，且標記點不能壓住另一個標記點的邊緣，或者標記點產(chǎn)生折疊，這些都會造成不完整的標記點。

（5）根據(jù)物體大小和特征選擇適當?shù)臉擞淈c尺寸，如選擇不當，會出現(xiàn)無法識別標記點的情況，導致無法拼接的現(xiàn)象。

（6）在被測物體表面粘貼標記點時，應注意避開物體的特征，應粘貼在被測物體沒有特征的地方，例如大平面、大曲面等。

利用Vtop三維掃描儀（如圖4所示）對置物臺上的現(xiàn)有鋼制鍛造模鍛模具的不同面進行掃描，掃描時應注意沿同一圓周方向，保證連續(xù)性避免掃描失敗，接下來便使用Vtop studio軟件進行點云采集，如圖5所示。

圖4 Vtop三維掃描儀

圖5 上模點云圖

經(jīng)過三維掃描儀掃描后，所獲得的模型為三維數(shù)字化模型，模型由點的集合——點云構(gòu)成，每個點都包含了空間中掃描件的三維坐標信息，而且一般都包含色彩信息。

為了方便掃描，一般都需要對掃描件進行表面處理或噴涂反差增強劑，所以三維數(shù)字化模型一般都是白色，并且具有光滑的曲面、平面。

將掃描所得數(shù)據(jù)利用Geomagic Design X軟件進行處理以便獲得符合要求的三維模型。對模具點云數(shù)據(jù)進行初步的處理，包括去除模型外多余的點集團、刪除重復點、減少噪點等。然后在Geomagic Design X軟件中利用“封裝”命令把點云聚合，從而形成面片模型。完成面片模型造型后導出stl格式文件，進行面片模型的后續(xù)處理。后續(xù)處理時，應先進行孔的填充，將標記點所形成的孔洞以及掃描中形成的孔進行修補。然后，刪去釘狀物，保證模型表面平整度與掃描件一致，無突出。最后，進行去除特征、砂紙、網(wǎng)格醫(yī)生操作。掃描處理后的上模三維造型如圖6所示。

圖6 上模三維造型

1.2 鋼制模鍛模具掃描的3D打印

3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。該技術(shù)在具制造、工業(yè)設計、珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應用?，F(xiàn)如今的3D打印技術(shù)主要分為光固化技術(shù)（SLA）、熔融沉積（FDM）、粉末燒結(jié)技術(shù)（SLS）、材料噴射技術(shù)（PolyJet）。

本文采用低成本的FDM打印機，如圖7所示。打印材料為聚乳酸PLA。

圖7 3D打印機

由于3D打印技術(shù)是通過堆疊打印材料獲得所需制件，所以將前期掃描處理得到的stl文件在軟件中進行切片處理，模型切割為厚度一定的片體后將模型導入3D打印機中就可以進行打印。

如圖8和圖9所示，基于逆向工程的增材制造塑料模鍛模具教具與原金屬模具教具的形狀、大小基本相同，并且鍛模不同部分用不同顏色進行打印以便更為直觀地了解鍛模的結(jié)構(gòu)，以滿足課堂教學工作要求。同時由于利用PLA這一材料進行打印，重量大幅度減小，使模具的攜帶以及課堂展示更加方便和簡單，也方便學生進行拆裝。

圖8 鋼制模鍛模具零件照片

圖9 基于逆向工程的3D打印模鍛模具教具零件照片

2 結(jié)束語

本文主要闡述了一種利用逆向工程同時結(jié)合增材制造技術(shù)制作材料成型模鍛教學模具的流程，并著重介紹涉及的三維掃描和3D打印技術(shù)。所制作的模具教具將用于課堂教學，通過這樣一套模具可以讓學生近距離地接觸到模具，從而具體、深刻地認識并了解模具中飛邊槽、鉗口頸、鎖扣等結(jié)構(gòu)及其作用，將3D打印技術(shù)應用于課堂教學，激發(fā)學生們的學習興趣，同時也可以使同學們熟悉3D打印技術(shù)，感受到3D打印的便捷及靈活性，進而激發(fā)同學們的興趣。