逆向工程與增材制造教學(xué)研究與實踐探索

劉坡，劉政，劉運強，宋小輝，徐道芬

（桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

逆向工程是一項產(chǎn)生于20 世紀(jì)90 年代的測量技術(shù)，是以現(xiàn)代設(shè)計的理念、方法和技巧為基石，借由現(xiàn)代化的數(shù)字測量方法，以模型重構(gòu)為最終體現(xiàn)，能夠?qū)χ貥?gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷呐c創(chuàng)新設(shè)計，從而達(dá)到產(chǎn)品更新和設(shè)計創(chuàng)新的目的[1]。近年來，隨著測量設(shè)備及逆向軟件的更新迭代，逆向工程技術(shù)在汽車、航空航天等重要領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。與產(chǎn)品正向開發(fā)相比，應(yīng)用逆向工程技術(shù)可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，有效提高產(chǎn)品開發(fā)率，該技術(shù)已成為現(xiàn)代設(shè)計與制造檢測不可缺少的工具。

3D 打印技術(shù)是一種非常典型的數(shù)字制造技術(shù)，它利用電腦軟件把三維模型直接轉(zhuǎn)換為切片輪廓信息，然后通過3D 打印設(shè)備執(zhí)行每層切片代碼信息，選用合適的打印材料，將分解出的數(shù)字代碼進(jìn)行逐層累計鋪放，最后制作得到三維立體實物模型，即利用專用軟件將三維模型切成薄層或截面，再通過3D 打印設(shè)備，用特殊工藝方法層層粘結(jié)疊加成三維實體，最后對三維實體進(jìn)行最終處理進(jìn)而得到一些零散的形狀，屬于狹義的增材制造技術(shù)[2]。這種特殊的疊層制造工藝，使得3D 打印技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價值，廣泛應(yīng)用在航空、醫(yī)療、文物修復(fù)等領(lǐng)域。

逆向工程與3D 打印技術(shù)均需要利用計算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的模型編輯，才能得到預(yù)期結(jié)果?，F(xiàn)今，逆向工程與3D 打印技術(shù)結(jié)合運用，在產(chǎn)品原型高效率制作領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的潛力。張孝彥等采用便攜式測量設(shè)備對安全錘進(jìn)行逆向測量和模型重構(gòu)，基于安全錘使用特性加以創(chuàng)新優(yōu)化，采用熔融沉積型打印制作出了等比例大小的實物模型[3]；袁曉東采用逆向工程與3D打印技術(shù)相結(jié)合的方式，以普通辦公座椅為創(chuàng)新設(shè)計基礎(chǔ)，成功設(shè)計出了一款適用于高檔私人飛機(jī)的辦公座椅[4]；李培基于3D 打印和逆向工程技術(shù)，成功還原了兒童玩具汽車的實物模型[5]。由此可見：逆向工程技術(shù)與3D 打印技術(shù)結(jié)合運用是分析產(chǎn)品設(shè)計是否合理的有效技術(shù)方法，也是快速設(shè)計和制作產(chǎn)品的高效方法，在工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。

1 逆向工程與增材制造課程教學(xué)現(xiàn)狀

因為逆向工程技術(shù)與3D 打印技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，許多國家都將逆向工程技術(shù)及3D 打印技術(shù)列入了高等教育目錄，要求教師在教學(xué)實踐過程中探索計算機(jī)技術(shù)、材料成型技術(shù)的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新設(shè)計能力。逆向工程與增材制造課程是機(jī)械類專業(yè)開設(shè)的一門實踐性較強的專業(yè)課，開設(shè)專業(yè)包括但不限于機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、材料成型及控制工程、飛行器制造工程等。

逆向工程與增材制造課程涵蓋了從產(chǎn)品實物獲得三維模型，再基于三維模型優(yōu)化改進(jìn)得到產(chǎn)品實物的一系列技術(shù)原理，涉及逆向測量設(shè)備及原理、三維逆向軟件及方法、3D 打印工藝原理、3D 打印切片軟件及方法、快速原型技術(shù)等知識。因此，該課程涉及的原理和軟件比較多，具有很強的工程實踐屬性，但課程學(xué)時數(shù)相對較少，在較短的學(xué)時內(nèi)完成該課程的教學(xué)面臨較大的挑戰(zhàn)。

2 教學(xué)設(shè)計改革

對于面向機(jī)械類專業(yè)開設(shè)的逆向工程與增材制造課程，教師在講授時應(yīng)注重工程性、邏輯性，注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S[6-7]。通過反復(fù)研討教學(xué)大綱，授課教師將該課程安排在材料成型及控制工程專業(yè)四年級上學(xué)期開設(shè)。該專業(yè)分為焊接方向和模具方向，采用合班授課方式。學(xué)生前期可學(xué)習(xí)計算機(jī)輔助設(shè)計、三維建模、材料成型原理及程序設(shè)計等課程。只有學(xué)生在計算機(jī)使用、模型設(shè)計、工程材料基礎(chǔ)及材料成形理論等方面具備一定的基礎(chǔ)才能夠掌握逆向設(shè)計軟件基礎(chǔ)，深入理解多種材料增材制造原理，而且可以進(jìn)一步加深其對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的理解，進(jìn)一步鞏固三維設(shè)計方法、制造技術(shù)等知識，順利過渡到畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)。該課程的重點在于“產(chǎn)品—模型—產(chǎn)品”的完整的逆向設(shè)計與3D 打印快速閉環(huán)制造，通過這些環(huán)節(jié)可以使學(xué)生搭建正向設(shè)計、逆向軟件、3D 打印切片軟件等知識框架。

逆向工程與增材制造課程涵蓋較多的理論基礎(chǔ)和技術(shù)原理，例如：逆向工程部分包含多種測量（接觸式和非接觸）原理、典型三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)原理、點云前處理（如精簡、濾波、孔洞修補）原理及曲線曲面擬合原理等[8-10]；3D 打印部分包含熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、光固化成形、疊層實體制造等。因此，授課教師要在較短時間內(nèi)講好該門課程，具有一定的難度，因此，提出如下教學(xué)設(shè)計改革措施。

一是制定明確清晰的教學(xué)目標(biāo)，合理設(shè)置教學(xué)重難點并分配適宜的課時。教師編寫教案時應(yīng)注重積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性和主動性。課堂上避免過多過深講解抽象概念，例如，基于逆向測量的圖像法及結(jié)構(gòu)光法等原理涉及的復(fù)雜光學(xué)幾何知識以及基于逆向重構(gòu)的曲線（面）擬合、點云濾波、數(shù)據(jù)精簡等原理，都需要學(xué)生熟練掌握高階線性代數(shù)運算，然而，很多學(xué)生對高等數(shù)學(xué)知識掌握得不夠牢固，因此，對于這些知識，教師不宜過多講授；同時，對于抽象的概念知識，教師在教學(xué)時當(dāng)盡量將其以可視化、形象化的方式展示。

二是在逆向測量、逆向重構(gòu)、3D 打印等重要知識結(jié)構(gòu)中引入項目案例，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)逆向工程和3D 打印的主動性，例如，教師在講解逆向工程概念時，通過導(dǎo)入問題一“請學(xué)生列舉幾個接觸過或?qū)W過的逆向工程實例”，讓學(xué)生自行回答逆向工程案例，根據(jù)回答情況引導(dǎo)學(xué)生判斷是否屬于逆向工程。緊接著提出問題二“通過游標(biāo)卡尺測量簡單零部件，根據(jù)尺寸進(jìn)行建模設(shè)計是否屬于逆向工程？”以學(xué)生使用過的游標(biāo)卡尺或鋼尺測量實物獲取三維尺寸，再進(jìn)行建模的過程，介紹逆向過程的本質(zhì)和意圖。引出逆向工程實質(zhì)是根據(jù)已有實物測量得到尺寸，再進(jìn)行逆向建模的過程。通過問題二和問題三“文物如何實現(xiàn)1∶1 復(fù)制還原？”的鋪墊，引導(dǎo)學(xué)生對具體實物逆向測量和模型重構(gòu)方法的思考，培養(yǎng)學(xué)生逆向設(shè)計重構(gòu)的思維。然后，進(jìn)一步解釋通過簡單測量工具如游標(biāo)卡尺、圓角儀等已經(jīng)不能獲取復(fù)雜形狀實物的幾何尺寸，需要采用專用的逆向測量設(shè)備進(jìn)行測量，引導(dǎo)出掃描儀，包括接觸式和非接觸式兩種類型的掃描儀，進(jìn)一步闡明逆向測量僅僅得到接觸點的三維坐標(biāo)，需要進(jìn)一步根據(jù)測量點云進(jìn)行非線性擬合成曲面，最后輸出重構(gòu)的模型文件。

三是該課程具有較強的工程實踐性，因此，應(yīng)開設(shè)相關(guān)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步鍛煉學(xué)生逆向設(shè)計能力和動手能力。以往的教學(xué)方法是將4 學(xué)時的課內(nèi)實驗分成兩個單獨實驗，分為逆向測量和3D 打印，每個實驗2 學(xué)時，兩實驗用到的實物素材相互獨立，并無緊密聯(lián)系。為了加強兩個實驗的聯(lián)系，可將實踐環(huán)節(jié)設(shè)置為一個包含由實物素材到數(shù)字模型，再由數(shù)字模型到實物的綜合實驗，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力[11]。這就要求相關(guān)教師結(jié)合現(xiàn)有逆向測量和3D 打印設(shè)備特點，準(zhǔn)備合適的實物素材，指導(dǎo)學(xué)生運用已有的測量設(shè)備獲取實物模型，簡要講解測量原理與方法。利用Geomagic 軟件指導(dǎo)學(xué)生完成實物素材的逆向重構(gòu)，導(dǎo)出STL 模型，配合3D打印機(jī)配套切片軟件或通用切片軟件Cura，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行3D 打印前的設(shè)置[12-13]，應(yīng)特別注意講解擺放方位與支撐和成形精度的關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生對模型適當(dāng)縮放，以便在規(guī)定課時內(nèi)完成實物制作。由于3D 打印設(shè)備臺套數(shù)量有限，采用分批次分組進(jìn)行綜合實驗，每組3～4 人，綜合實驗為4 學(xué)時，以學(xué)生制作的實物和實驗報告為依據(jù)評判實驗成績。

根據(jù)實驗成績，可反映以下幾種情況：（1）有80%以上的學(xué)生表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣，樂于根據(jù)實物素材完成逆向測量、模型重構(gòu)和3D 打印制作等實驗過程，能夠打印出質(zhì)量合格的實物產(chǎn)品；（2）有50%以上的學(xué)生能夠主動向教師請教模型重構(gòu)和模型擺放及支撐等問題；（3）有30%以上的學(xué)生能夠主動根據(jù)逆向模型進(jìn)行小幅優(yōu)化設(shè)計，添加個人想法，再進(jìn)行打印制作，表現(xiàn)出較好的創(chuàng)新設(shè)計意愿。

總體來看，逆向工程與增材制造課程的確對學(xué)生綜合設(shè)計與制造能力有較大的提升作用。不過，講授好該課程對教師教學(xué)水平和理論知識儲備提出了更高的要求。授課教師應(yīng)該具有較強的工程研發(fā)基礎(chǔ)能力，有較為深厚的機(jī)電控制和材料成型理論知識[14-15]。由于逆向測量技術(shù)和3D 打印技術(shù)仍在快速發(fā)展，授課教師需要緊跟技術(shù)發(fā)展前沿，實時更新課程教案和課件，為學(xué)生講解該領(lǐng)域的最新動態(tài)，保證學(xué)生畢業(yè)后順利完成從學(xué)生到技術(shù)人員的身份轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

逆向工程與增材制造課程符合應(yīng)用型高校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)定位，也順應(yīng)智能制造發(fā)展潮流，可更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

逆向工程與增材制造相關(guān)課程不宜過多講授抽象概念和理論，可多采用工程案例式、可視化方法引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)理論知識。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重鍛煉學(xué)生完整的“實物→模型→實物”閉環(huán)制作能力。

授課教師應(yīng)具有深厚的自動控制、（正）逆向設(shè)計軟件和材料成型等理論知識，而且應(yīng)密切關(guān)注逆向工程和3D 打印科技前沿，持續(xù)更新課程教案及課件。