3D打印与逆向工程实验在先进制造技术课程中的应用*

（武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 430081）

0.引言

随着科技的发展，先进制造技术也有了很大的发展，作为国内众多高校机械类学生的一门专业课,旨在向学生传授国内外先进的制造技术。3D打印技术是先进制造技术和生产方式变革的产物，该技术以数字化、人工智能及新型材料应用为特征，被喻为第三次工业革命核心技术之一[1]。为了更好地培养先进制造技术相关人才，除了需要加强理论教学，还要制定完善的实验教学体系。通过3D打印与逆向工程相结合的综合性实验，帮助学生更好的理解先进制造技术的优势，掌握相关的实践技能，提高学生的综合能力。

实验教学是高校教学的重要环节之一，在应用性和创新性的人才培养体系中有着重要的意义[2]。由于3D打印技术的诸多特点，在先进制造技术的教学过程中引入3D打印和逆向工程实验，可使学生学到三维软件知识、计算机辅助制造技术以及数据采集等相关知识，并通过3D打印与逆向工程，使学生深入了解利用高科技手段进行工程设计的概念[3]。

1.先进制造技术课程现状

目前，国内许多高校都把先进制造技术这门课作为工业工程、机械制造及其自动化等专业的必修课，但在先进制造技术的讲授过程中，仍然存在一些问题[4-5]：先进制造技术课程内容较为繁杂，所涉及到的各种先进制造工艺、概念较多，很多先进制造技术，如增材制造技术、激光、电火花加工等都已广泛应用，而教师在教学时一般只是纯理论讲解，缺乏相应的实验环节，这在一定程度上影响了学生的学习。

针对以上问题，在结合个人教学体会和他人教学经验的基础上，以培养技术理论和实践相结合的复合型人才为目标，提出理论授课和实验课程相结合的教学模式，将3D打印技术与逆向工程实验相结合，形成新的综合性创新实验，提高学生创新思维能力。

2.3D打印与逆向工程综合性实验课程

2.1 3D打印的工作原理

3D打印技术是近30年来全球先进制造领域兴起的一项集光/机/电、计算机及新材料等学科于一体的先进制造技术。与切削等材料“去除法”不同，该技术通过将粉末、液体及片状等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体。

增材制造的主要工艺有4种：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法[6]。结合高校的教学实验需求及价格等因素，高校通常会选购桌面级3D打印机作为教学设备，使用的材料大多为ABS、PLA、聚乙烯等，打印出的零件强度与注塑模具相当，但粗糙度与成品有一定的差距，还需进行后期处理。

2.2 逆向建模的工作原理

在逆向建模的实验教学中，首先使用三维扫描仪对物体结构进行测量，通过逆向设计软件实现其CAD实体模型重建，并通过打印机实现模型的快速成型制造。

三维扫描仪是采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。测量时光栅投影装置投影特定编码的光栅条纹到待测物体上，两个摄像头同步采集相应图像，然后通过计算机对于图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出摄像机与投影仪公共视区内像素点的三维坐标，最后通过三维软件实时观测相机图像以及生成三维点云数据，系统框架如图1所示。

图1 三维扫描仪系统框图

2.3 实验软硬件配置

本文提出的理论与实验相结合的授课方式，其目的是使学生更直观地理解先进制造技术，通过3D打印与逆向工程的综合性实验激发学生的学习兴趣，提高先进制造技术的教学效果。

3D打印教学实验需要若干台桌面级3D打印机，以及与之配套的PC机；逆向工程教学实验需要若干台三维扫描仪、高精度标定板、三脚架与云台等。在软件方面需要用到三维扫描处理软件3Dscan，数据处理软件Geomagic Studio，格式转化软件MakerWare以及与打印机配套的数据处理软件Replicator G等。

2.4 逆向工程实验

逆向工程的关键技术是数据采集和模型重建[7]，在进行实验时，首先采用激光扫描仪对物体模型的表面进行数据采集，待扫描后可得如图2所示的扫描数据，红色圈内是扫描获得的8张模型在不同位置的数据。

图2 扫描的点云数据

而后需要将扫描后的数据导入Geomagic Studio等预处理软件中，生成初步的扫描模型；最后再对图形进行减噪、填孔、联合点对象、合并、封装等后处理操作，生成完整的三维模型，图3是通过点云数据预处理完成前和完成后的模型示意图。

图3 预处理前后模型图

2.5 3D打印实验

在进行3D打印之前需要对扫描的三维模型进行分层，生成二维几何信息，控制喷嘴的移动。进丝装置将ABS/PLA等材料加热至熔化状态，同时，出丝喷嘴将处于熔化状态的材料挤压出喷头，按加工路径均匀的喷涂在打印机工作台上，再通过升降系统完成接下来的新薄层打印，反复这一过程直至零件打印完成。

一般来说，通常将3D打印过程分为建模、分层、成型和后期处理4个部分[8]。而在3D打印过程中普遍采用的是STL格式的文件，当模型输入电脑以后，需要通过相应的软件来进一步分层处理，通过该软件可以对打印模型的相关参数进行设置，例如模型的大小、方向、比例、切片的厚度等，切片处理后的模型在软件中显示如图4所示。

图4 后处理模型图

3D打印是基于材料累加原理的快速成型操作过程，将计算机中的三维模型通过分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术。具有不受零件复杂程度限制、完全数字化控制等特点。在实际应用中利用逆向工程与3D打印技术的结合，可大幅缩小新产品的研发周期，降低新产品的研发成本，更能满足市场个性化定制产品的需求。利用3D打印技术打印出的模型如图5所示。

图5 模型打印图

3.结论

本文重点阐述了利用3D 打印机及三维扫描仪制作三维模型的实验过程，给出了从物体点云数据的获取到三维模型的重建，最后实现3D打印的全过程，建立了3D打印与逆向工程相结合的综合性实验方法。

文中对在先进制造技术课程中开设3D 打印与逆向工程实验的可行性做了阐述，并对开设该实验所应具备的软硬件提出了相应要求。在实验教学中，将3D打印机和三维扫描仪等先进设备运用到先进制造技术课程的讲授过程中，使学生脑中的抽象模型转化为真实的物体，极大增强了学生主动学习的积极性，对于提高学生的动手和创新能力都有积极的推动作用。通过理论与实践相结合的教学方式，可以进一步完善先进制造技术这门课的内容。