基于逆向工程的增材制造材料成型模锻模具教具

张亚豪，王洪亮，孙长灏，韩竺珊，李永华

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

传统的模具教具是以金属为主体进行制造的，尤其是对于复杂模具不仅制造困难，且模具重量较大。对于模具教具来说，此类教具显然不便于用来模具拆装等教学工作。因此，利用新的锻模教具代替传统的锻模教具势在必行。

逆向工程是一种通过增材制造技术获得所需或所构想的结构制件。通常利用三维扫描仪对现有产品进行扫描，生成点云（Point Cloud），而后生成该产品的三维造型[1-4]。目前逆向工程已经成功用于教学过程[5-6]

如今兴起的3D打印技术刚好满足这一要求，3D打印又称增材制造，与常规的打印最大的区别就是打印材料的不同以及3D打印是三维空间中的建模打印。

3D打印机的打印材料为金属、陶瓷、塑料等，通过逐层堆叠“打印材料”，把设想的物品或所研发的新型结构体变成实物。增材制造技术的出现可以制作轻质材料如塑料这类更轻便、更经济的教具，同时也更便于在课堂上展示模具结构[7-16]。

本文阐述将既有的钢制模具教具基于逆向工程，利用增材制造技术制作塑料模具教具代替传统的金属模具教具，不仅降低了成本和制造所需时间，更明显减少了模具的重量，使得教具便于携带。而且可以打印不同颜色的模具零件，便于学生更直观地学习模具结构。

相对于真实的模具。作为课堂演示的教学模具在原有的基础上应便于学生去观察，去了解其构造。基于实际考察及参考相关文献总结出应用于教学方面的模具应具有以下特点。

（1）真实性。教学模具应具有与工作模具相同的尺寸及零部件使学生可以对模具直接的了解。故在打印时应注意尺寸。

（2）区分度。传统钢制模具颜色单一区分度不明显，其中一些零件相似，学生不易观察其特点，而3D打印模具可以根据自己的需求将不同的零部件打印成不同的颜色，这样当拆装完，不同的零件便一目了然。

（3）安全性。传统钢制模具由于金属构成，棱角锋利，拆装并不安全，可能对学生造成伤害，而3D打印模具由塑料制成，拆装方便，且不像金属那样锋利，便于学生安全拆装。

（4）便携性。传统钢制模具过于沉重，携带十分不方便，而3D打印模具刚好克服这一缺点。便于老师上课携带。

选用锻模模具，是因为锻造工艺及模具设计作为材料成型及控制工程专业的主干专业课之一，为了便于学生去进行专业课课程设计，模具教具便是主要手段之一，让学生有直观了解，在进行设计时便可以考虑更多方面不再局限于书本上的理论知识。本次模具教具制造选用饼类锻件模具，并在模具上带有墩粗、卡压、弯曲、预锻、终锻模膛。设计流程如图1所示。

图1 设计流程图

1 基于逆向工程的模锻模具教具的3D打印

锻造模具是模锻件生产中必需的关键工艺装备之一，是某些加工企业必备使用的工具之一，尤其是在工业4.0的背景之下大力发展工业越来越靠近实体经济。传统行业借此发展，之所以选用锻模，是因为当对成型零件材料性能要求十分严格时，铸造的方法无法满足要求，只能通过成型的方式进行加工，因此就衍生了锻模这一加工方法，随着时代的发展锻造模具变得越来越重要。故本次选用钢制锻造模锻模具进行建模，进行造型的锻造模具模膛有复杂曲面，无法利用尺子等工具进行测绘，然后利用UG等软件进行直接的建模，不仅精度无法保障，而且浪费时间。故通过逆向工程这一新兴的方法，即三维扫描来造型。采用三维扫描仪扫描造型，可以保证零件的精度，最大的还原零件的特征及细节，还可以在原零件的基础之上进行二次改造并且极大节约时间和制造周期。本次逆向工程所采用的是熔融沉积成型（FDM）3D打印机打印塑料教具。

1.1 钢制模锻模具扫描造型

三维扫描仪是融合了光、机、电和计算机技术于一体的高科技产品，主要用于获取物体外表面的三维坐标及物体的三维数字化模型。由于钢制模锻模具（如图2所示）颜色较深表面对光的吸收能力强不宜采用光学三角定理进行测量，进行扫描之前要首先对被扫描模具表面进行处理，喷涂反差增强剂（如工业探伤剂）在喷涂过程中尽可能使喷层薄并且分布均匀，这样既可以加强反光效果，又可以保证测量精度避免对尺寸造成影响，之后便粘贴标志点（如图3所示）。在贴标志点时应注意以下几点。

图2 钢制锻模上模、下模图

图3 预处理后上模、下模图

（1）为了保证拼接数据的完整性，拼接过渡处的标记点应该不少于3个。

（2）贴标记点时，应呈现V字形分布。

（3）2个标记点以上尽量不要在一条直线上，否则会出现错误的拼接现象难以满足扫描的要求。

（4）标记点尽量贴在物体的表面，且标记点不能压住另一个标记点的边缘，或者标记点产生折叠，这些都会造成不完整的标记点。

（5）根据物体大小和特征选择适当的标记点尺寸，如选择不当，会出现无法识别标记点的情况，导致无法拼接的现象。

（6）在被测物体表面粘贴标记点时，应注意避开物体的特征，应粘贴在被测物体没有特征的地方，例如大平面、大曲面等。

利用Vtop三维扫描仪（如图4所示）对置物台上的现有钢制锻造模锻模具的不同面进行扫描，扫描时应注意沿同一圆周方向，保证连续性避免扫描失败，接下来便使用Vtop studio软件进行点云采集，如图5所示。

图4 Vtop三维扫描仪

图5 上模点云图

经过三维扫描仪扫描后，所获得的模型为三维数字化模型，模型由点的集合——点云构成，每个点都包含了空间中扫描件的三维坐标信息，而且一般都包含色彩信息。

为了方便扫描，一般都需要对扫描件进行表面处理或喷涂反差增强剂，所以三维数字化模型一般都是白色，并且具有光滑的曲面、平面。

将扫描所得数据利用Geomagic Design X软件进行处理以便获得符合要求的三维模型。对模具点云数据进行初步的处理，包括去除模型外多余的点集团、删除重复点、减少噪点等。然后在Geomagic Design X软件中利用“封装”命令把点云聚合，从而形成面片模型。完成面片模型造型后导出stl格式文件，进行面片模型的后续处理。后续处理时，应先进行孔的填充，将标记点所形成的孔洞以及扫描中形成的孔进行修补。然后，删去钉状物，保证模型表面平整度与扫描件一致，无突出。最后，进行去除特征、砂纸、网格医生操作。扫描处理后的上模三维造型如图6所示。

图6 上模三维造型

1.2 钢制模锻模具扫描的3D打印

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。该技术在具制造、工业设计、珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。现如今的3D打印技术主要分为光固化技术（SLA）、熔融沉积（FDM）、粉末烧结技术（SLS）、材料喷射技术（PolyJet）。

本文采用低成本的FDM打印机，如图7所示。打印材料为聚乳酸PLA。

图7 3D打印机

由于3D打印技术是通过堆叠打印材料获得所需制件，所以将前期扫描处理得到的stl文件在软件中进行切片处理，模型切割为厚度一定的片体后将模型导入3D打印机中就可以进行打印。

如图8和图9所示，基于逆向工程的增材制造塑料模锻模具教具与原金属模具教具的形状、大小基本相同，并且锻模不同部分用不同颜色进行打印以便更为直观地了解锻模的结构，以满足课堂教学工作要求。同时由于利用PLA这一材料进行打印，重量大幅度减小，使模具的携带以及课堂展示更加方便和简单，也方便学生进行拆装。

图8 钢制模锻模具零件照片

图9 基于逆向工程的3D打印模锻模具教具零件照片

2 结束语

本文主要阐述了一种利用逆向工程同时结合增材制造技术制作材料成型模锻教学模具的流程，并着重介绍涉及的三维扫描和3D打印技术。所制作的模具教具将用于课堂教学，通过这样一套模具可以让学生近距离地接触到模具，从而具体、深刻地认识并了解模具中飞边槽、钳口颈、锁扣等结构及其作用，将3D打印技术应用于课堂教学，激发学生们的学习兴趣，同时也可以使同学们熟悉3D打印技术，感受到3D打印的便捷及灵活性，进而激发同学们的兴趣。