基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實驗課教學(xué)*

□ 彭秋霖

重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院 重慶 402160

1 三維打印概述

與傳統(tǒng)打印技術(shù)相比,三維打印技術(shù)是對打印對象的全方位立體型復(fù)制,能夠使打印出來的內(nèi)容具有一定的仿真性,突破材料、空間的界限,使實物具體化,具有可使用性。傳統(tǒng)打印將圖片、文字、符號等內(nèi)容呈現(xiàn)在紙上,比較單薄,三維打印則可以實現(xiàn)打印物體的立體化。直觀化的理解是,傳統(tǒng)打印只能在XY二維平面上進行,三維打印則是在X、Y、Z三個象限內(nèi)展開,將若干個XY二維平面打印累積成一定高度,最終展現(xiàn)出有體積、有面積、有深度的打印。三維打印的效果開拓了人們向多維空間的探索,使呈現(xiàn)的內(nèi)容多維化,易懂易學(xué)。

2 數(shù)字化逆向建模概述

采用數(shù)字化逆向建模技術(shù),將原有物體分解為基礎(chǔ)模型,將模型導(dǎo)入三維打印機,就能夠快速實現(xiàn)對三維空間立體產(chǎn)品的制作。只要有實際參考物品,就可以采用逆向建模技術(shù)還原為基本的打印模型,繼而實現(xiàn)三維打印。對三維打印和數(shù)字化逆向建模進行教學(xué),能夠使學(xué)生對所要研究的對象有直觀的了解,對結(jié)構(gòu)的認(rèn)識也不再局限于二維紙面呈現(xiàn),對于教育改革創(chuàng)新有很大推動作用。筆者對基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實驗課教學(xué)進行研究,分析逆向建模關(guān)鍵技術(shù),了解逆向建模關(guān)鍵點,討論三維打印中逆向建模的融入及數(shù)字化建模打印實驗課教學(xué),進而實現(xiàn)兩者的充分融合,提升三維打印機的綜合能力,展現(xiàn)三維技術(shù)的科技優(yōu)勢。

3 逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

在逆向建模中,最為關(guān)鍵的是點云獲取、模型優(yōu)化、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

3.1 點云獲取

主要利用三維掃描儀掃描進行點云獲取,編程系統(tǒng)將掃描結(jié)果用圖片形式保存下來。在數(shù)據(jù)庫中,可以隨時使用掃描對象的形狀。利用全自動拼接技術(shù),可以對點云中的特殊部位進行獲取和補充,缺失的部分點云也能夠根據(jù)變化規(guī)律自動補齊。一些學(xué)生動手能力不強,對產(chǎn)品形狀的認(rèn)識不到位,三維掃描儀能夠設(shè)置自動化獲取產(chǎn)品全貌功能,提供完整的點云資料,拼接的精準(zhǔn)度可以達(dá)到0.04 mm/m,滿足基本的拼接要求,同時簡化學(xué)生的煩瑣操作。簡單而言,點云獲取是對需要打印對象的形狀進行概括,通過點云掃描體現(xiàn)對象的形狀特點,同時保證在打印過程中各個零部件的拼接與組成。

3.2 模型優(yōu)化

在逆向建模的過程中,模型優(yōu)化主要是通過采用Geomagic Studio軟件進行的。這一軟件中有去除模型噪點與模型不合理曲面的功能,能夠?qū)c云的初獲取模型進行再次優(yōu)化,對模型中的點云分區(qū),消除噪聲點,并進行曲面擬合。在模型優(yōu)化中,對預(yù)模型進行特征分類,從預(yù)模型中提煉出特殊點云數(shù)據(jù),既可以實現(xiàn)采集優(yōu)化,也能夠做到模型整體優(yōu)化,使模型結(jié)構(gòu)變得自然流暢,使模型內(nèi)容更加有參考和借鑒意義。通過模型優(yōu)化,能夠避免絕大多數(shù)點云獲取錯誤,對模型的曲面進行平整調(diào)試,使模型更加接近真實形狀,存在的噪聲點模糊問題也一并實現(xiàn)消除。

3.3 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

一般而言,逆向建模的狀態(tài)受到設(shè)備精度、人為操作等多種情況影響,可能導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)處理失誤,出現(xiàn)噪點增多的情況。針對這種情況,需要對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。這樣做,能夠有針對性地對掃描點云進行再度修正,可以確保掃描的準(zhǔn)確性。

4 三維打印實驗教學(xué)

在基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實驗課教學(xué)中,要注意數(shù)據(jù)采集與模型構(gòu)建兩個方面。教師先按照實物的大小和特點進行材料選擇與準(zhǔn)確度范圍設(shè)定,為學(xué)生進行演示,使學(xué)生知曉所要打印實物的大概形狀。對于一些不規(guī)則的實物,教師可以用尺測量,然后分云區(qū)進行掃描、記錄,做到對實物的完整還原。在實物模型構(gòu)建時,要對掃描處理的界面和系統(tǒng)熟知熟用,這樣才能充分發(fā)揮軟件和數(shù)字化逆向建模的優(yōu)勢,盡可能做到對實物細(xì)節(jié)的完整還原,提高三維打印效率。

4.1 數(shù)字化測量

基于手持式三維激光掃描儀的數(shù)字化測量強調(diào)對模型的數(shù)字化處理。在對實物進行基本資料采集時,一般需要通過具有發(fā)射角度的激光束,在顯示屏上倒立成像,然后利用幾何關(guān)系還原和測量實物大小、位置、形狀及相關(guān)數(shù)據(jù)。這一方法較為簡單,不存在復(fù)雜的形狀還原或形狀設(shè)計,在對基本資料進行采集時效率也較高,沒有多余的反復(fù)操作,對一些不規(guī)則的實物表面也能夠進行數(shù)據(jù)測量。在課堂上,教師應(yīng)對手持式三維激光掃描儀的使用流程相當(dāng)熟悉,為學(xué)生展示較為完整的過程。先對點云進行區(qū)分,然后對特殊部位進行點云標(biāo)記,也可以另外上色。如果在掃描中看到反射結(jié)果比較突兀,那么展開標(biāo)記點的分析。將同一個點云掃描形狀通過變換角度、變換掃描方式進行多次掃描,選出一個比較契合原形狀的點云模型,再利用輔助設(shè)備進行模型拼接和組裝,根據(jù)不同的要求存儲或標(biāo)記。對于需要學(xué)生熟記完成的操作流程,可以選擇幾位學(xué)生重復(fù)流程,確保每一位都能熟知熟用,獨立完成手持式三維激光掃描儀的掃描測量,完成基本的數(shù)據(jù)建模。

4.2 三維計算機輔助設(shè)計實物模型重建

三維計算機輔助設(shè)計實物模型重建在編程軟件中很常見,在進行三維計算機輔助設(shè)計實物模型重建過程中,可以將實物形狀以數(shù)字形式還原,通過三維打印機再現(xiàn)實物的組成細(xì)節(jié)。三維計算機輔助設(shè)計實物模型重建主要包括點云處理與實體模型重構(gòu)兩個方面。

點云處理的目的是防止掃描結(jié)果存在太多噪點,無法還原實物。點云掃描因人為操作失誤或者設(shè)備處理原因而出現(xiàn)偏差,需要人工通過點云處理進行調(diào)整。如果掃描的數(shù)據(jù)容量超過軟件限制,或者噪點過多,會導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)效用不高,精準(zhǔn)度降低,不能夠真實還原實物的形狀。在點云處理時,要利用掃描儀對數(shù)據(jù)再次進行核對掃描,通過點云上色、點云分類、噪點處理等步驟,保證模型的真實性,同時保證模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性。點云處理的相關(guān)步驟,教師要多練、多用,反復(fù)在學(xué)生面前演示,使學(xué)生掌握核心和關(guān)鍵,便于學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶。

在實體模型重構(gòu)時,教師可以選擇軟件的草圖模式,對草圖中的表面輪廓進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)三維效果圖演示,結(jié)合演示使學(xué)生進行計算機輔助設(shè)計模型的分層處理。分層過程中,要求學(xué)生注意對實物厚度的把握,實物模型的重構(gòu)技術(shù)要充分體現(xiàn)真實性。進行三維效果圖演示后,預(yù)留三維打印機的平面軌跡圖,使學(xué)生觀察三維打印機的軌跡位置,對比實物是否有步驟偏差。做好以上步驟的核對和檢查,能夠確保打印出的實體效果與實物吻合,并且提高打印效率,防止重復(fù)打印,避免打印錯誤。傳統(tǒng)打印無法展示打印軌跡,通過三維打印能夠使學(xué)生明白建模過程中存在的錯誤,進而糾正和完善。實體模型重構(gòu)同時是對整體三維打印設(shè)計的一次回顧,學(xué)生通過重新檢查和實物對比,能夠溫習(xí)所學(xué)習(xí)的每一個步驟,了解每一步的意義,問題有則改之,在后續(xù)學(xué)習(xí)操作中特別注意。

5 結(jié)束語

筆者研究了基于數(shù)字化逆向建模的三維打印實驗課教學(xué),分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)——點云獲取、模型優(yōu)化、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用數(shù)字化逆向建模,能夠有效提升三維打印的科技含量,保證三維打印的內(nèi)容精準(zhǔn)性,提高三維打印效率,使三維打印能夠在更多行業(yè)和更多場合發(fā)揮作用。