硅胶翻模在逆向设计中的应用

崔海龙，李进，郑金才，刘德永

（天津微深科技有限公司，天津300386）

硅胶翻模在逆向设计中的应用

崔海龙，李进，郑金才，刘德永

（天津微深科技有限公司，天津300386）

逆向设计需要对现有的物体进行测量而后设计，但我们要测的叶轮，型腔尺寸为曲面结构，因为其开口小，结构深，很难测量。在不对叶轮进行破坏的前提下，利用硅胶翻模技术，在不具备拔模角的情况下，把叶轮型腔分成两部分。通过硅胶成型后，对成型的硅胶进行三维扫描，再将扫描的两块点云通过Geomagic软件进行拟合，使其成为一个完整数据，最后根据点云成功的对叶轮的内部型腔尺寸进行逆向设计。

叶轮型腔；三维扫描；逆向设计；硅胶翻模；点云

叶轮型腔为扭曲的曲面组成的腔体，两头扁平中间粗，任意方向都不具备适宜的拔模角度。常规的方法只能对其进行切割后再测绘，但客户要求不能破坏零件本身，因为其型腔内大外小，且形状不规则，所以获取其数据变得极为困难，给逆向设计带来诸多不便。本文把硅胶翻模技术应用于逆向设计中，成功解决了叶轮型腔内部无法测绘的难题，为同类问题的解决开辟了新的道路。

1 叶轮形状分析

叶轮材质为金属，半径约40 cm.叶轮型腔为曲面封闭而成的隧道状，长且深，两头又扁又宽，中间部位扭曲过度且变粗，直接测量其完整尺寸无法实现，任意方向都不具备拔模角度。叶轮形状如图1所示。

图1 叶轮形状

2 硅胶翻模

采用硅胶[1]作为填充物，并分为上下两部分分别向叶轮型腔内灌注硅胶。硅胶具有性能稳定，操作方便的特性，脱模性良好，又有一定的弹性。首先将叶轮垂直放置，用工业油泥将边缘封堵，并在型腔内部均匀涂抹少量硅油作为脱模剂，然后将硅胶液与硬化剂以100∶3的比例快速搅拌，硬化剂的比例越大，硅胶的硬化速度越快，硫化后的硬度也越大[2]。搅拌均匀后快速倒入叶轮型腔中，到液面达到中部时停止，并将尼龙绳埋入硅胶内，绳子打几个节，防止拽出。留着绳子头，为后续脱模提供受力。

静置4 h后硅胶表面已经硬化。在上表面均匀涂上硅油，防止粘连，而后旋转叶轮，开口向上，再次倒入按同比例调好的硅胶，埋入绳索。注入硅胶后的情形如图2所示。

图2 型腔内注入硅胶

静置24 h后，硅胶内外均已充分硬化，此时用力分别把硅胶从叶轮型腔两头拔出，因为分为两部分所以极大地减少了硅胶在脱模时的形变，减少了脱模力。虽然硅胶在拔出过程中有变形，但其自身的弹性作用，在静置30 min后恢复原形，并且保持了叶轮型腔的形状尺寸。拔出的硅胶模型如图3所示。

图3 拔出的硅胶模型

3 三维扫描

硅胶静置30 min后基本不变化，然后让其保持自然状态，利用VTOP-300A三维扫描仪，分别对上下两块硅胶进行三维扫描。

首先将硅胶表面残余的硅油擦干净，用剪刀剪掉绳子和硅胶边缘毛边，因为其表面为乳白色，不必喷涂显像剂，贴上直径2 mm圆形标记点。标记点不规则贴，间距约5 cm左右，三维扫描仪幅面设为15 cm.在扫描时保证每幅点云有三个以上的搭接点。因为三维扫描仪为非接触式[3]，测量过程中不与硅胶接触，不会使被测物受力形变。三维扫描仪的测量误差为0.02～0.03 mm.多个角度扫描后获得其点云数据。同样的方法将另外一块硅胶扫描并获得点云。扫描的两部分点云如图4图、5所示。

图4 下半部分的点云

图5 上半部分的点云

4 点云的拼接

两块点云有一个共同的面，利用这个共同的面上的特征，将两个点云拼接在一起。

将两部分点云都导入到Geomagic Studio软件，在对齐模块下点击手动注册，两个点云一个选择固定，另外一个选择浮动，在重合的面上对应的分别找4个点，两个点云上的点必须一一对应。点击确定，两个点云会自动的拼接在一起。从而形成一个完整的型腔点云。将点云另存为.stl文件，以备后续调用。操作界面如图6所示。

图6Geomagic Studio软件界面截图

5 利用CATIA进行逆向设计

CATIA软件中有一个逆向设计模块名为Digitized shape editor，将点云导入后进行逆向设计[4、5]，设计误差控制在0.1 mm以内。在此不再详细论述。设计结果如图7所示。

图7 设计结果

6 结束语

对于型腔测绘的零件，充分考虑其形状特点，分多个方向进行脱模，利用硅胶弹性好且易于脱模的特性，成功地对叶轮型腔进行了翻模，再利用三维扫描仪对其进行三维扫描提取点云数据。因为是光接触测量，测量不会对硅胶产生变形，从而保证了测量的准确性。脱模虽然有多个部分，但可以对点云进行拼接，增加了设计的灵活性。此项目获得圆满成功，得到了客户的高度赞赏，并为同类产品的测绘开辟了一条新的途径。

[1]李婷婷，胡新嵩，陈静华，双组份室温硫化硅橡胶的研究进展[J].有机硅材料，2010，24（6）：391-393.

[2]李四红，网玫瑰，吴德新，等.硅胶工艺品的制作研究[J].山东化工，2013，42（2）：26-28.

[3]袁聪聪，张志毅.基于平面标靶的三维扫描与数据配准[J].计算机工程与设计，2016，37（2）：487-491.

[4]杨艳红，钟相强.工业设计中产品的逆向设计方法研究[J].机械设计，2013，30（2）：102-105.

[5]申如意.基于产品实物的逆向设计技术研究[J].机械工程与自动化，2016，197（4）：61-63.

The Application of Vulcanized Silicone Rubber Demould in Reversal Design

CUI Hai-long，LI Jin，ZHENG Jin-cai，LIU De-yong
（Tianjin Vision Sensitive Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300386，China）

Reversal design need to be done after object measurement but the impeller which we want to measure is a cavity composed of complex surface with small opening and deep structure，it is very hard for measuring.On the premise of no damage on the impeller，we use the silicone rubber demould technology to divide impeller cavity into two sections with lack of draft angle condition then do the silicone molding，we 3D scan the silicone molding，and use geomagic software to fit the two part point clouds together，and the final impeller cavity reversal design will be done.

impeller cavity；3D scan；reversal design；vulcanized silicone rubber demould；point clouds

TH132

A

1672-545X（2017）03-0248-03

2016-12-15

崔海龙（1984-），男，河北唐山人，本科，主要从事三维扫描和逆向设计工作。