基于逆向工程及3D 打印技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

劉樂

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是“從無到有”，通常從概念化設(shè)計(jì)——設(shè)計(jì)建?！a(chǎn)品制造，稱為正向工程；而逆向工程設(shè)計(jì)則是“從有到無”，即以已有產(chǎn)品為藍(lán)本，利用專業(yè)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備和軟件重新構(gòu)造實(shí)物數(shù)字化模型的過程。逆向工程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不易獲取的情況，可以通過分析現(xiàn)有產(chǎn)品，逆推出其設(shè)計(jì)原理，從而加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品研發(fā)效率，降低企業(yè)成本。

3D 打印又名增材制造（Material Additive Manufacturing），是快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）的一種。3D 打印以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，通過CAD 軟件將模型沿預(yù)定義方向做切片處理，得到多個(gè)薄片堆疊的模型文件；借助數(shù)控成型設(shè)備，將3D 打印專用材料按照燒結(jié)、熔融、擠壓、噴射、光固化等方式逐層堆疊成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品[1]。

1 逆向工程設(shè)計(jì)的流程

逆向工程設(shè)計(jì)首先通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或者三維掃描儀獲得產(chǎn)品信息，然后利用CAD/CAM 技術(shù)創(chuàng)建實(shí)體三維數(shù)字化模型，應(yīng)用工程分析，數(shù)控加工出產(chǎn)品模型，最后制成產(chǎn)品，完成從實(shí)物或模具——數(shù)字化設(shè)計(jì)——模型重構(gòu)——新產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)流程[2]。逆向工程流程圖如圖1 所示。

圖1 逆向工程流程圖

機(jī)械產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)過程基本包含以下幾步：

（1）產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)研究

①對(duì)機(jī)械零部件產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

②對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即數(shù)據(jù)多視對(duì)齊、平滑、精簡(jiǎn)和分塊等操作。

③應(yīng)用逆向工程軟件對(duì)處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維CAD 模型重構(gòu)。

（2）產(chǎn)品快速成型研究

①利用快速成型設(shè)備對(duì)處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接進(jìn)行3D 打印，得到模型的打印樣件。完成從數(shù)據(jù)獲取——數(shù)據(jù)預(yù)處理——模型重建——3D 打印的完整實(shí)驗(yàn)過程，并對(duì)比分析打印件尺寸與虛擬模型的尺寸誤差。

②為保證3D 打印精度，要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，合理選擇打印位置和產(chǎn)品成型方向；控制加工參數(shù)，包括打印速度、打印溫度、噴嘴直徑等，保證在合理適配范圍內(nèi)；選擇恰當(dāng)?shù)姆謱雍穸?、噴頭溫度、填充速度和擠出速度，降低數(shù)字化模型離散化過程中的精度損失；后處理過程中，通過對(duì)外表面進(jìn)行拋光、修補(bǔ)，上色等工序獲得更高的外觀質(zhì)量[3]。

（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)研究

對(duì)打印件和原有產(chǎn)品樣進(jìn)行比較、分析，進(jìn)行產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2 基于Solidworks 的產(chǎn)品逆向工程設(shè)計(jì)

千斤頂是一種通過頂部托座或底部托爪在行程范圍內(nèi)頂升、支撐重物的小型起重設(shè)備。其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固輕巧、可靠靈活。下面以“千斤頂”為例說明SolidWorks 軟件在逆向工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。某千斤頂如圖2 所示，拆卸后，用工具測(cè)量各零件，得到各部分尺寸數(shù)據(jù)，通過分析，對(duì)個(gè)別零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)，應(yīng)用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和生成工程圖等設(shè)計(jì)[4]。

圖2 千斤頂實(shí)物

2.1 應(yīng)用SolidWorks 軟件進(jìn)行零件三維建模

優(yōu)化原有產(chǎn)品的零件結(jié)構(gòu)，在底座上增加筋板，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度；頂蓋上增加凹槽，提高摩擦系數(shù)，保證機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性。應(yīng)用SolidWorks 的草圖繪制和實(shí)體建模功能分別創(chuàng)建出底座、起重螺桿、螺釘、旋轉(zhuǎn)桿、頂蓋的三維模型。如圖3(a)、(b)、(c) 、(d) 、(e)所示。

圖3 千斤頂各零件三維模型

2.2 對(duì)各部分零件模型進(jìn)行裝配，檢查運(yùn)動(dòng)干涉

按照底座——起重螺桿——旋轉(zhuǎn)桿——頂蓋——螺釘?shù)捻樞蜻M(jìn)行裝配，通過軟件的“評(píng)估”選項(xiàng)進(jìn)行“干涉檢查”。單擊設(shè)計(jì)樹左側(cè)的“計(jì)算”按鈕，軟件開始對(duì)千斤頂裝配體進(jìn)行干涉計(jì)算，按順序依次點(diǎn)擊“干涉1”，“干涉2”，系統(tǒng)自動(dòng)在干涉的地方用紅色表示出來[5]。干涉檢查結(jié)果如圖4 所示。修改螺釘直徑尺寸，重新進(jìn)行零件裝配和干涉檢查，直至干涉檢查結(jié)果顯示為零。得到千斤頂裝配圖如圖5 所示。

圖4 千斤頂裝配干涉檢查

圖5 千斤頂虛擬裝配圖

3 創(chuàng)新產(chǎn)品的快速成型

使用SolidWorks 軟件完成的千斤頂產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過3D 打印方式得到樣品，并與原產(chǎn)品對(duì)照檢查，綜合評(píng)估并改進(jìn)其性能和結(jié)構(gòu)。把產(chǎn)品的三維模型另存為.stl 格式，導(dǎo)入3D 打印機(jī)，得到各零件[6]。如圖6 所示。

圖6 千斤頂零件3D 打印模型

將底座、起重螺桿、旋轉(zhuǎn)桿、頂蓋、螺釘按順序依次組裝到一起，得到千斤頂3D 模型裝配圖，如圖7 所示。

圖7 千斤頂3D 模型裝配圖

4 結(jié)論

本文以千斤頂為例，分析了逆向工程與3D 打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過對(duì)原始產(chǎn)品進(jìn)行拆卸和測(cè)量，得到產(chǎn)品各組成零件的三維數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)。應(yīng)用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和干涉檢查，并通過3D 打印方式生成新產(chǎn)品的樣品，探索了相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品快速開發(fā)的新模式。