基于逆向工程和SLS技术的摩托车后视镜模型制作

李小城 段贤勇 罗贤国

摘 要：采用逆向工程技术获得实物产品的数据模型，然后通过软件对获得的模型进行修改、处理，再运用激光选区烧结技术在快速成型机上烧结成型，烧结产品进行后处理强化后即可获得满足使用要求的功能件。逆向工程技术和SLS技术的应用为新产品开发、试制和文物修复及复制等提供了一条有效的途径。

关键词：逆向工程；激光选区烧结；模型；后处理

中图分类号：TG7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0029-04

Abstract： The data model of physical product is obtained by reverse engineering technology， and then the obtained model is modified and processed by software， and then the laser selective sintering technology is used to sinter and shape the product on the rapid prototyping machine. After the sintering products are processed and strengthened， the functional parts that meet the requirements of use can be obtained. The application of reverse engineering technology and SLS technology provides an effective way for the development of new products， trial production， restoration and replication of cultural relics and so on.

Keywords： reverse engineering； selective laser sintering； model； post-processing

逆向工程技术（Reverse Engineering，RE）也称为反求工程，是根据已有的产品模型或者实物，反向推出产品设计数据的过程。它运用3D数字化测量仪器准确、快速的测量出产品表面数据，并在软件中进行编辑、修改和重构，构建出产品的3D模型。再通处理软件获得加工数据，最后，通过数控加工或者3D打印制作出样品。RE技术主要应用于产品仿制、工业产品设计和产品检测等三个方面，产品的设计周期和开发周期大大缩短，降低了开发成本和风险，同时也弥补了传统设计方法的不足。[1-2]激光选区烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）技术是3D打印技术（RP）中使用最广泛的一种，通过激光加热可熔融粘接的金属或非金属粉末材料根据可以直接将产品数字模型烧结成实体零件。[3-4]RE、RP的应用，为新产品的开发和试制提供了一种更加快捷、精确和经济的途径。

本文以摩托车后视镜为载体，运用逆向工程技术构建了产品的三维数字模型，用激光选区烧结技术制造出了模型实物，最后对烧结件进行强化处理，获得了满足使用的样件。

1 实物3D数据的采集

采集所使用的设备为VLS-100三维激光扫描仪，图1为摩托车后视镜实物。为了便于扫描得到完整的数据和曲面重构，在扫描前对实物做一些必要的处理，如粘贴特征标记，喷涂反差增强剂。具体采集过程包括以下几个方面：

（1）粘贴特征标记。由于一次扫描不能够获得所有实物表面数据，因此，需要进行多次测试，为了方便每次测试的点云数据对齐，需要粘贴标记，可以在特征曲面处多贴几个标记，贴在后视镜边缘处不同的位置；从被测件的形状分析需两次扫描，正、反两面各扫一次。

（2）喷涂反差增强剂。该后视镜的表面有镀层，有镜面亮度。在扫描过程中使扫描激光发生干扰反射，引起扫描数据缺失或变形。所以应采取措施降低表面的反光度，被扫描物体的理想颜色是无光白色，一般颜色越浅越好，因此，需要喷涂反差增强剂等方法改变被测物体的颜色。喷涂时要使喷嘴远离测试件大约30-50cm，这样喷涂均匀，又能保证涂层不至于太厚。

（3）固定测试件。把被测物体安放在测量平台的中心，并与测试台固定好，防止工作台在移动的过程中使得测试件偏离原来位置，导致获得的点云数据失真。

（4）确定大小。通过预览，确定扫描物体的大致扫描边界，确定被测件的左右和上下及X和Z向范围。

（5）数据采集。根据被测件的特征，采用平面扫描方式测试该件。步进为0.1mm，测试完正面后，以同样的方式再测试背面。

（6）数据保存。将扫描数据用asc格式保存。扫描得到的点云数据如图2。

2 重构曲面

2.1 点云的去噪处理

运行Imageware软件，导入扫描获得的数据文件。由于空气中的粉尘等原因干扰，扫描所得的数据周围会出现大量的噪点，所以必须去除。在软件中逐步框选噪点并删除，获得干净的点云数据。

2.2 数据对齐

根据在后视镜上所贴的特征标记，制作对齐曲面特征。将特征标记点云的外圆轮廓拟合线圆，每个点云数据拟合三个圆，接着把一个点云和所对应拟合的圆组合，然后根据逐步对齐法对齐点云。具体作法为在特征标记点云边界选择点，建立新点云数据，共建立六个，分别拟合六个圆，把正面点云数据和对齐特征建立组合，然后选擇相对应的线圆组合，把点云数据对齐，如图3。此时特征标记点云和新建的点云及拟合的圆的任务完成，全部删除，对齐后的点云见图4。

把后视镜的两组点云对齐以后，得到的点云坐标系仍然是扫描仪赋予的坐标系，这个坐标系与Imageware的全局坐标系不一致，这就导致了点云缺少合适的位置信息，处理起来十分不方便，所以再把点云坐标系和 Imageware的全局坐标系也对齐。

2.3 点云精简

在Imageware中按Modify/Data reduction/sample Uniform命令精简数据，Point Interval设置为2，数据精简一半，将重合的点云删除。

2.4 数据分割及曲面重构

最后，对点云进行数据分割和曲面重构，根据摩托车后视镜外形特点，可以把整个后视镜表面分成正面和背面两大部分去分别处理。再将正面分成五部分，编号为1、2、3、4、5，底部曲面分成五部分，编号为6、7、8、9，10如图5。把整个点云数据分割成十部分，每一部分根据外形的特点，采用不同的方法将点云拟合成与实物相符曲面。最后，将重构好的各部分曲面缝合，得到的后视镜3D模型，并以STL格式保存，图6为重构好的模型曲面。

3 SLS烧结成型

3.1 数据模型前处理

（1）Magic曲面修补

由于曲面在生成STL文件格式时会出现诸如三角面片的法向量错误、孔洞、顶点错误、孤立面、重叠面等一系列错误，首先需要对这些错误进行修补，否则在后续的模型切片或文件转化时可能出错，导致前处理或加工过程无法进行，可以在Magic软件中进行曲面修补，自动生成支撑。

首先，把文件导入到Magic软件中，查看属性时可以发现有很多错误，其中坏边3460个，坏轮廓52个。通过Fix Tool Sheet模块修补这些错误，一般情况下用自动修补命令，多数的错误都可以修补，设置迭代次数为5，缝合宽度0.5mm，运行修补后，坏边的个数为0，坏轮廓的个数为0，修补前、后的数字模型如图7和图8。

（2）添加支撑/切片

支撑的添加对于快速成型是一个非常重要的环节，虽然SLS成型过程中粉料本身可以作为支撑，但是对于一些特殊形状的制件，添加支撑可以有效的减小翘曲，防止烧结层的移位，对提高成型精度起到很大的作用。根据产品特点，现设置三个柱位和周边等四个支撑，添加的支撑如图9所示，支撑厚度0.5mm。切片厚度设置为0.2mm，切片后文件转化成CLI格式。

（3）生成加工文件

把以上得到的CLI格式文件，导入到ARPS软件中生成afi格式的加工文件，并设置一些参数和选项，如扫描间距（0.15mm）、扫描方向（X、Y方向交替）；同时，对生成文件进行加工预览，检查加工中是否有错误产生。

3.2 SLS烧结成型

SLS烧结成型是整个过程当中比较重要的一环，在开始加工前将快速成型设备打开，装好粉料，进行预热；同时，将前处理的加工文件导入到成型设备中，按表1设置其成型工艺参数。在预热温度达到110℃时开始加工，系统会自动完成产品烧结成型。

3.3 成型件的后处理

激光选区烧结制件强度比较低，而且表面粗糙，并不能满足使用的要求，需要对烧结出来的制件进行清理、打磨、修補、浸渗树脂、固化等后期处理。

其中渗树脂的目的有两方面：

（1）提高烧结件的强度。由SLS烧结的制件本身强度较低，不能满足使用要求。通过渗树脂处理可大大提高快速成型件的强度，经过强化处理的烧结件比原件强度提高近10倍。[6]

（2）提高制件表面光洁度。烧结出来的快速成型件表面粗糙，由于材料为粉末材料，表面有颗粒状浮粉，表面光洁度不够，渗树脂固化后，烧结件中的粉末颗粒间空隙被树脂填充，固化后成为一体，经过打磨可以提高表面光洁度。

渗透处理时，为了节省环氧树脂材料，可以把配制好的环氧树脂用毛刷刷到快速原型件表面上，刷的时候从一个面上刷，让树脂从一个面逐渐的渗透，环氧树脂固化后，然后用细砂纸打磨，直到表面非常光滑为止。经过后处理的SLS制件，如图10所示。

4 结束语

用摩托车后视镜为实物模型，通过扫描获得模型表面点云数据，并通过逆向工程后处理软件，对数据模型进行去噪、对齐、精简、曲面重构等处理，最后获得产品3D模型。将获得的3D数据模型再次通过SLS工艺过程的前处理、SLS成型和后处理强化，获得强度和表面精度满足使用要求的样品或功能零件。从而为逆向工程和SLS技术在产品开发、仿制和检测方面的应用探索出一个较优工艺流程。

参考文献：

[1]赵志国.激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J].航空制造技术，2014（19）：46-49.

[2]杨文建.快速成形技术在快速模具制造中的相关应用[J].湖南农机，2013，5：56-57.

[3]胡层良.快速成型和快速模具在现代工业中的应用[J].塑料工业，2006，34（2）：66-69.

[4]梁培，徐志锋.快速成形技术在铸造模具制造中的应用[J].模具工业，2010，10：72-76.

[5]任东风.基于逆向工程和快速成形的环氧树脂模具制造研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2008：23-31.

[6]李小城，王鹏程.聚苯乙烯粉SLS成型件后处理实验研究[J].鸡西大学学报，2016，16（4）：36-38.