逆向工程与增材制造教学研究与实践探索

2023-02-24刘坡刘政刘运强宋小辉徐道芬

创新创业理论研究与实践 2023年21期

刘坡，刘政，刘运强，宋小辉，徐道芬

（桂林航天工业学院机电工程学院，广西桂林 541004）

逆向工程是一项产生于20 世纪90 年代的测量技术，是以现代设计的理念、方法和技巧为基石，借由现代化的数字测量方法，以模型重构为最终体现，能够对重构模型进行适当的修改与创新设计，从而达到产品更新和设计创新的目的[1]。近年来，随着测量设备及逆向软件的更新迭代，逆向工程技术在汽车、航空航天等重要领域发挥着越来越重要的作用。与产品正向开发相比，应用逆向工程技术可大大缩短产品开发周期，有效提高产品开发率，该技术已成为现代设计与制造检测不可缺少的工具。

3D 打印技术是一种非常典型的数字制造技术，它利用电脑软件把三维模型直接转换为切片轮廓信息，然后通过3D 打印设备执行每层切片代码信息，选用合适的打印材料，将分解出的数字代码进行逐层累计铺放，最后制作得到三维立体实物模型，即利用专用软件将三维模型切成薄层或截面，再通过3D 打印设备，用特殊工艺方法层层粘结叠加成三维实体，最后对三维实体进行最终处理进而得到一些零散的形状，属于狭义的增材制造技术[2]。这种特殊的叠层制造工艺，使得3D 打印技术具有巨大的应用价值，广泛应用在航空、医疗、文物修复等领域。

逆向工程与3D 打印技术均需要利用计算机进行相关的模型编辑，才能得到预期结果。现今，逆向工程与3D 打印技术结合运用，在产品原型高效率制作领域表现出了巨大的潜力。张孝彦等采用便携式测量设备对安全锤进行逆向测量和模型重构，基于安全锤使用特性加以创新优化，采用熔融沉积型打印制作出了等比例大小的实物模型[3]；袁晓东采用逆向工程与3D打印技术相结合的方式，以普通办公座椅为创新设计基础，成功设计出了一款适用于高档私人飞机的办公座椅[4]；李培基于3D 打印和逆向工程技术，成功还原了儿童玩具汽车的实物模型[5]。由此可见：逆向工程技术与3D 打印技术结合运用是分析产品设计是否合理的有效技术方法，也是快速设计和制作产品的高效方法，在工业领域具有巨大的优势。

1 逆向工程与增材制造课程教学现状

因为逆向工程技术与3D 打印技术具有非常广阔的应用前景，许多国家都将逆向工程技术及3D 打印技术列入了高等教育目录，要求教师在教学实践过程中探索计算机技术、材料成型技术的结合，培养学生工程思维和创新设计能力。逆向工程与增材制造课程是机械类专业开设的一门实践性较强的专业课，开设专业包括但不限于机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、飞行器制造工程等。

逆向工程与增材制造课程涵盖了从产品实物获得三维模型，再基于三维模型优化改进得到产品实物的一系列技术原理，涉及逆向测量设备及原理、三维逆向软件及方法、3D 打印工艺原理、3D 打印切片软件及方法、快速原型技术等知识。因此，该课程涉及的原理和软件比较多，具有很强的工程实践属性，但课程学时数相对较少，在较短的学时内完成该课程的教学面临较大的挑战。

2 教学设计改革

对于面向机械类专业开设的逆向工程与增材制造课程，教师在讲授时应注重工程性、逻辑性，注重培养学生严谨的工程思维[6-7]。通过反复研讨教学大纲，授课教师将该课程安排在材料成型及控制工程专业四年级上学期开设。该专业分为焊接方向和模具方向，采用合班授课方式。学生前期可学习计算机辅助设计、三维建模、材料成型原理及程序设计等课程。只有学生在计算机使用、模型设计、工程材料基础及材料成形理论等方面具备一定的基础才能够掌握逆向设计软件基础，深入理解多种材料增材制造原理，而且可以进一步加深其对产品创新设计的理解，进一步巩固三维设计方法、制造技术等知识，顺利过渡到毕业设计环节。该课程的重点在于“产品—模型—产品”的完整的逆向设计与3D 打印快速闭环制造，通过这些环节可以使学生搭建正向设计、逆向软件、3D 打印切片软件等知识框架。

逆向工程与增材制造课程涵盖较多的理论基础和技术原理，例如：逆向工程部分包含多种测量（接触式和非接触）原理、典型三坐标测量机结构原理、点云前处理（如精简、滤波、孔洞修补）原理及曲线曲面拟合原理等[8-10]；3D 打印部分包含熔融沉积成型、选择性激光烧结、光固化成形、叠层实体制造等。因此，授课教师要在较短时间内讲好该门课程，具有一定的难度，因此，提出如下教学设计改革措施。

一是制定明确清晰的教学目标，合理设置教学重难点并分配适宜的课时。教师编写教案时应注重积极调动学生学习的能动性和主动性。课堂上避免过多过深讲解抽象概念，例如，基于逆向测量的图像法及结构光法等原理涉及的复杂光学几何知识以及基于逆向重构的曲线（面）拟合、点云滤波、数据精简等原理，都需要学生熟练掌握高阶线性代数运算，然而，很多学生对高等数学知识掌握得不够牢固，因此，对于这些知识，教师不宜过多讲授；同时，对于抽象的概念知识，教师在教学时当尽量将其以可视化、形象化的方式展示。

二是在逆向测量、逆向重构、3D 打印等重要知识结构中引入项目案例，引导学生养成严谨的科研思维，增强学生自主学习逆向工程和3D 打印的主动性，例如，教师在讲解逆向工程概念时，通过导入问题一“请学生列举几个接触过或学过的逆向工程实例”，让学生自行回答逆向工程案例，根据回答情况引导学生判断是否属于逆向工程。紧接着提出问题二“通过游标卡尺测量简单零部件，根据尺寸进行建模设计是否属于逆向工程？”以学生使用过的游标卡尺或钢尺测量实物获取三维尺寸，再进行建模的过程，介绍逆向过程的本质和意图。引出逆向工程实质是根据已有实物测量得到尺寸，再进行逆向建模的过程。通过问题二和问题三“文物如何实现1∶1 复制还原？”的铺垫，引导学生对具体实物逆向测量和模型重构方法的思考，培养学生逆向设计重构的思维。然后，进一步解释通过简单测量工具如游标卡尺、圆角仪等已经不能获取复杂形状实物的几何尺寸，需要采用专用的逆向测量设备进行测量，引导出扫描仪，包括接触式和非接触式两种类型的扫描仪，进一步阐明逆向测量仅仅得到接触点的三维坐标，需要进一步根据测量点云进行非线性拟合成曲面，最后输出重构的模型文件。

三是该课程具有较强的工程实践性，因此，应开设相关的实践教学环节，以进一步锻炼学生逆向设计能力和动手能力。以往的教学方法是将4 学时的课内实验分成两个单独实验，分为逆向测量和3D 打印，每个实验2 学时，两实验用到的实物素材相互独立，并无紧密联系。为了加强两个实验的联系，可将实践环节设置为一个包含由实物素材到数字模型，再由数字模型到实物的综合实验，培养学生综合运用知识的能力[11]。这就要求相关教师结合现有逆向测量和3D 打印设备特点，准备合适的实物素材，指导学生运用已有的测量设备获取实物模型，简要讲解测量原理与方法。利用Geomagic 软件指导学生完成实物素材的逆向重构，导出STL 模型，配合3D打印机配套切片软件或通用切片软件Cura，指导学生进行3D 打印前的设置[12-13]，应特别注意讲解摆放方位与支撑和成形精度的关系，指导学生对模型适当缩放，以便在规定课时内完成实物制作。由于3D 打印设备台套数量有限，采用分批次分组进行综合实验，每组3～4 人，综合实验为4 学时，以学生制作的实物和实验报告为依据评判实验成绩。

根据实验成绩，可反映以下几种情况：（1）有80%以上的学生表现出浓厚的学习兴趣，乐于根据实物素材完成逆向测量、模型重构和3D 打印制作等实验过程，能够打印出质量合格的实物产品；（2）有50%以上的学生能够主动向教师请教模型重构和模型摆放及支撑等问题；（3）有30%以上的学生能够主动根据逆向模型进行小幅优化设计，添加个人想法，再进行打印制作，表现出较好的创新设计意愿。

总体来看，逆向工程与增材制造课程的确对学生综合设计与制造能力有较大的提升作用。不过，讲授好该课程对教师教学水平和理论知识储备提出了更高的要求。授课教师应该具有较强的工程研发基础能力，有较为深厚的机电控制和材料成型理论知识[14-15]。由于逆向测量技术和3D 打印技术仍在快速发展，授课教师需要紧跟技术发展前沿，实时更新课程教案和课件，为学生讲解该领域的最新动态，保证学生毕业后顺利完成从学生到技术人员的身份转变。