基于逆向工程的工艺品设计及快速成型

孙　进，朱兴龙，闫大战，陈晓波(.扬州大学机械工程学院，江苏扬州　57) (.上海交通大学计算机集成制造研究所，上海　0040)

基于逆向工程的工艺品设计及快速成型

孙进1，2，朱兴龙1，闫大战1，陈晓波2
(1.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127) (2.上海交通大学计算机集成制造研究所，上海200240)

摘要:为解决复杂工艺品的逆向建模及成型问题，以犰狳工艺品为例，应用Geomagic Studio软件和3D打印切片软件Cura进行逆向设计和快速成型，实现了模型的快速复制和创新，提高了复杂型面的产品设计开发能力，缩短了产品开发周期。

关键词:逆向工程;工艺品;设计;快速成型; Geomagic; Cura

1　逆向工程技术

逆向工程(Reverse Engineering)是一项将已有的产品零件或原型转化为CAD模型，并在此基础上进行优化设计和再创造的技术［1］。它的基本流程包括三维测量、数据预处理、曲面重构、调整或修改设计、快速成型等几个基本步骤。目前市面上存在着2种形式的逆向软件［2］，一种是以逆向模块的形式嵌入到通用的CAD/CAM软件中，如UG软件中的Quick Shape模块、Pro/E软件中的SCANTOOLS模块;另一种是专用的逆向软件，如EDS公司的Imageware、Raindrop Geomagic公司的Geomagic、DELCAM公司的CopyCAD、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEMSurf、台湾智泰科技公司的DigiSurf、AliasWaveffont公司的Surface Studio以及Materalice公司的Mimics等［3］。

逆向工程技术的应用已渗透到多个领域，主要包括新产品的仿制和改型设计［4］、模具制造［5］、文物的复原和复制［6］、医学赝复体设计［7－8］和快速原型制造［9］。运用逆向工程中的建模技术可以为快速原型提供所需的CAD模型，两者相结合可以实现新产品的快速原型开发，以便及早验证产品质量和评估市场反应，为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息。

2　基于Geomagic软件进行逆向建模

Geomagic Studio是美国Raindrop软件公司推出的逆向工程软件，使用该软件能够很方便地用扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换成NURBS曲面。该软件的逆向建模流程主要包括点云阶段(point cloud)、多边形阶段(polygons)、曲面阶段(patches)和曲面输出阶段，如图1所示。

图1　使用Geomagic进行逆向建模的流程

下面以工艺品犰狳为研究对象，利用逆向工程对犰狳实体原型进行三维重构。

1)导入点云。

如图2(a)所示，使用100%的采样比例，指定单位为millimeters。将从不同角度拍摄的犰狳模型的16幅点云视图数据导入Geomagic Studio中，然后使用套索工具、多折线工具或椭圆工具等进行杂点的手动选择，选中的点云会变成红色，按Delete进行删除。

2)手动拼合。

如图2(b)所示，点击工具栏的第1个按钮“手动注册”，出现倒品字的3个视图，在上面2个视图中分别装载要拼合的2幅点云数据，点选多对对应点，在下侧子视图中就会出现两两拼合的效果。如此反复，将所有视图点云数据初步拼接在一起。

图2　犰狳工艺品的逆向设计

3)全局拼合。

在实现了手动拼合的点云数据不同视图之间仍然存在着接缝和不对齐等现象。如图2(c)所示，点击工具栏的第2个按钮“全局注册”来减少视图之间的累积误差，进行精细拼接，更好地表现真实的物体形状。

4)封装后融合。

首先点击统一采样对话框，在输入中选择绝对间距为0.000 9mm和曲率优先原则，点击应用后确定。在保留物体原来面貌的同时减少点云数量，便于删除重叠点云和稀释点云。如图2(d)所示，进入封装对话框，直接点击确定，软件自动将点转换成三角网格。

5)创建NURBS曲面。

6)曲面输出。

在创建曲面模型后，可将该曲面数据输入到CAD或CAM系统中。支持曲面数据输出的格式有很多，如STL、IGES、STEP、VDA等。如图2(f)所示，犰狳3D模型以“STL”格式导入3D打印软件Cura中。

3　基于Cura软件进行快速成型

无需准备任何模具、刀具和工装夹具，快速成型的工序:首先将产品的CAD数据分层切片，然后有顺序地逐层叠加，最终粘结成快速产品。因此需要切片软件能将3D模型切成片状数据，并存储成3D打印机能直接读取并使用的文件格式。常用的切片软件有Kisslicer、Slic3r、Netfabb、Cura等。文中使用的Cura软件是Ultimaker公司开发的一款3D切片软件［10］，它完全使用开放源代码，可以同时支持多台打印机。使用Cura软件进行快速成型的流程如图3所示。

图3　使用Cura软件进行快速成型的流程

1)设置模型参数。

如图4(a)所示，在3D打印软件Cura中设置模型参数，该软件的打印模式包含高质量打印、正常效果打印和快速低质量打印3种，此处选择正常效果打印。常用的打印材料有PLA(聚丙交酯)和ABS(丙烯腈－丁二烯－苯乙烯树脂)，相比较ABS而言，PLA收缩率较低，适用于打印较大尺寸的模型，而且PLA熔体强度较低，打印模型更容易塑形，表面光泽性优异。考虑到打印成型模型的效果，选择PLA材料，直径设置为2.85mm，比例系数为1.0。

2)设置模型打印参数。

如图4(b)所示，单击菜单栏中的工具按钮，选择“切换到完整模式”，然后在基本参数设置栏中设置3D犰狳模型的打印参数。在质量栏中，层高设置为0.1mm，外壳厚度设置为0.8mm，开启回轴选项。在填充栏中，设置底部/顶部厚度为2mm，填充密度为20%;在速度/温度栏中，打印速度设置为50mm/s，打印温度设置为220℃;在支撑栏中，支撑类型和平台附着类型都设置为“None”;在线材栏中，线材直径设置为2.85mm，流量补偿设置为100%。

图4　犰狳工艺品的快速成型

3)设置打印机参数。

如图4(c)所示，在参数设置栏中，选择高级选项，进行3D打印机参数的设置:在机器栏中，将喷嘴尺寸设置为0.4mm;在回轴栏中，回轴速度设置为40mm/s，回轴长度设置为4.5mm;在质量栏中，初始层厚度设置为0.3mm，模型下沉设置为0.1mm，双喷头叠加量设置为0.2mm;在速度栏中，移动速度设置为150mm/s，底层打印速度设置为20mm/s;因为要打印的模型为空心的，所以内部填充打印速度设为0;在冷却栏中，每层最少时间设置为7s，并选择使用冷却风扇。

4)生成GCode代码。

如图4(d)所示，参数设置完成后，Cura软件会自动生成启动/结束GCode代码。

5)进行3D模型打印。

如图4(e)所示，连接3D打印机，单击菜单栏，选择“开始打印”，Cura软件就开始与打印机进行数据交流，并控制3D打印机参数，进行3D犰狳模型的打印。该3D打印机采用FDM熔融层积成型的3D打印技术，此模型采用的材料是PLA，最终打印产品如图5(a)和图5(b)所示。图5(c)展示的是模型内部支撑结构。

图5　犰狳工艺品的最终效果

4　结束语

本文基于Geomagic Studio软件和3D打印切片软件Cura进行犰狳工艺品的逆向设计和快速成型，为复杂工艺品的逆向建模及成型提供了一种新的解决方法，对于复杂型面的产品设计开发有一定的指导作用;但同时也存在一定的不足，例如细节部分的失真，需要在后续工作中予以改善和解决。

参考文献:

［1］Park S C，Chang M.Reverse engineering with a structured light system［J］.Computers＆Industrial Engineering，2009，57(4) : 1377－1384.

［2］孙进.非完备几何特征测量数据建模及其在颜面缺损修复中的应用研究［D］.上海:上海交通大学，2012.

［3］金涛，童水光.逆向工程技术［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［4］Ye X，Liu H，Chen L，et al.Reverse innovative design: an integrated product design methodology［J］.Computer－Aided Design，2008，40(7) :812－827.

［5］Iuliano L，Minetola P.Enhancing moulds manufacturing by means of reverse engineering［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，43(5) :551－562.

［6］Li Z，Ma L，Zhao M，et al.Digital repair research on archeological relics［J］.Technologies for E－Learning and Digital Entertainment，2006，3942:1331－1339.

［7］Sun J，Chen X B，Xi J T，et al.A CADCAM system for fabrication of facial prosthesis［J］.Rapid Prototyping Journal，2011，17(4) : 253－261.

［8］Sun J，Chen X B，Liao H H，et al.Template-based framework for nasal prosthesis fabrication［J］.Rapid Prototyping Journal 2013，19(2) :68－76.

［9］Yu Q，Gong X，Wang G M，et al.A novel technique for presurgical nasoalveolar molding using computer-aided reverse engineering and rapid prototyping［J］.Journal of Craniofacial Surgery，2011，22(1) :142－146.

［10］朱斌海.Pro/E-Cura 3D打印全流程技术研究［J］.科技展望，2014(17) :149.

The design and rapid prototyping for crafts based on reverse engineering

SUN Jin1，2，ZHU Xinglong1，YAN Dazhan1，CHEN Xiaobo2
(1.College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Jiangsu Yangzhou，225127，China) (2.Institute of Computer Integrated Manufacturing，Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200240，China)

Abstract:Aiming at reverse model and forming of the complex armadillo craft，it applies Geomagic Studio system and rapid prototyping Cure technology，combines the technique of reverse engineering and rapid prototyping technology，achieves quick replication and innovation models.The result shows that the method shortens the time for complex product design and rapid prototyping cycle.

Key words:reverse engineering; crafts; design; rapid prototyping; Geomagic; Cura

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.08.007

作者简介:孙进(1973—)，男，江苏扬州人，扬州大学讲师，博士，主要从事三维视觉医学测量建模研究。

基金项目:国家自然科学基金面上项目(51475409) ;江苏省自然科学基金面上项目(BK20141277) ;中国博士后科学基金资助项目(2013M541736) ;江苏省博士后基金资助项目(1302179C) ;扬州市－扬州大学科技合作资金资助项目(2012038－12)

收稿日期:2015－04－27

中图分类号:TP391.7

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 08－0030－04