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3D打印与逆向工程在产品设计中的运用

2017/11/6    来源:互联网    作者:朱长永  沈九美      
关键字:逆向工程设计  产品设计  产品创新  
伴随着经济的快速发展以及3D打印、新材料、新技术的广泛运用,产品的更新换代更加频繁,品种增多批量变小,对于中小企业来讲能够缩短产品的研发周期,降低生产成本,提高产品的质量将会有更大的发展优势,因此逆向工程设计被广大企业所追捧;逆向工程设计不是简单的复制和模仿,而是运用相关手段对产品进行分析再设计的创新处理,从而使产品表现出更加优良的性能。

1.产品正向工程设计与产品逆向工程设计概念

    产品的正向工程设计是指:在进行产品设计时首先要进行市场调研与分析提出产品设计的构思与创意,然后通过计算机软件CAD建模、数控编程与数控加工制造,最后出现一个具备功能的产品,最终投放市场供消费者使用。

    其流程如下:市场分析一概念设计一CAD建模/ 数控编程(CAM系统)一产品制造一形成新的产品一市场投放过程。正向工程设计的特点:难度系数大、制作周期较长、生产成本高、不利于产品的研制与开发。

    产品逆向设计工程又称反求设计,是综合应用现代工业设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识,进行系统地分析研究已存在的产品,通过各种测量手段及三维几何建模方法,将原有实物(产品原型或油泥模型)转化为计算机上的三维数字模型,并加以创新,通过3D打印的技术手段快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。

    逆向设计的流程示意:产品样件-数据采集-数据处理CAD/CAE/CAM系统-模型重构-制造系统-新产品。逆向工程设计的特点:难度系数高、制作周期较短、生产成本低、有利于产品的研制与开发。

2.逆向工程中三维数据的获得与处理

    在产品逆向设计过程中,数据采集、数据处理以及模型重构是逆向设计的最重要的三个因素。其中数据采集是最关键的一步,所谓的数据采集就是将物理样件,通过激光三维扫描仪将实体转化为数字化的点云数据,数据采集的准确性决定了产品设计的质量。扫描得到的产品数据会不可避免地存在误差,所以要对原始点云数据进行预处理,通常要经过以下步骤:(1 ) 去噪音点;(2)数据插补;(3)数据平滑;(4)数据光顺;(5)点云的重定位整合。通过对点云数据进行识别、修剪、密度修改、优化(包括数据调整、数据光顺和尖角保留)等操作,最后得到很精确的点云数据。得到产品的数据后,转换为CAD数据、进行NC加工或RP制作。

    一般而言数据采集可由接触式与非接触式两种来实现。接触式方法由于对物体的表面的颜色和光照没有要求,因此物体边界的测量相对精确,但对软质材料适应差且速度慢;而非接触式方式(以激光为媒介的非接触三维表面数据采集法)在采集实物模型的表面资料时,采集速度快,可形成“点云”资料,缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。

3.逆向工程设计的基本流程

    逆向工程是以一个物理岑件或模型作为开始,进而决定下游工程。

    (1) 物理样件或者模型转换为三维数字模型。

    运用三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确高速的扫描,得到点云数据。

    (2) 三维数据的处理

    扫描生成的数据多为点云数据,对点云数据进行处理,删除、修补、拼合以及精简点云数据。

    (3) 运用逆向工程软件通过提取特征,进行曲面的重构。

    在曲面重构过程中,可以根据特征提取构造曲面,例如某些产品是轴对称图形,可以通过已知曲面进而重构另外一曲面,也可以通过对周围点云数据的判断创建曲面。

    (4) 扫描数据与CAD数据模型进行对比

    Geomagic软件提供了CAD数据模型与扫描数据之间的对比,可以快速的将两个模型之间存在的差别以颜色的模式显示出来,同时形成将对比形成数据报告供客户决断。(如图1)

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    图1 原始数据与扫描数据之间的差异

    (5) 生成IGES或STL数据

    据此就能进行快速成型或CNC数控加工.IGES数据可导入一般的CAD三维处理软件中(如:UG,PRO-E 等),将iges格式转化为三维实体模型,再进行进一步的修改和再设计。另外,也可传给一些CAM系(如:UG,MASTERCAM,SMART-CAM等),做刀具路径设定,产生NC代码,由数控机床将实体直接加工出来。

4.逆向工程设计的应用范围以及发展趋势

    (1) 损坏或磨损零件的还原:当零件损坏或磨损时,可以直接采用逆向工程的方法重构出CAD模型,对损坏的零件表面进行还原和修补。由于被测零件表面的磨损,损坏等因素,会造成测量误差,这就要求逆向工程系统具有推理和判断能力。例如,对称性、标准尺寸、平面间的平行和垂直等特性。最后,加工出零件。

    (2) 数字化模型检测:对加工后的零件进行扫描测量,再利用逆向工程法构造出CAD模型,通过将该模型与原始设计的CAD模型在计算机上进行数据比较,可以检测制造误差,提高检测精度。

    (3) 逆向工程设计正在被广泛的应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。以航天航空应用为例因为在这个领域对空气动力学性能要求很高,在产品开发的开始阶段就要认真考虑空气动力性。常规的设计流程首先根据工业造型需要设计出结构,制作出油泥模型之后将其送到风洞实验室去测量空气动力学性能,然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结果为止,如此所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。如何将油泥模型的外形精确地输入计算机成为电子模型,这就需要采用逆向工程软件。

    怎样才能让鼠标器的手感最好,而且经过长时间使用也不易产生疲劳感却是生产厂商需要认真考虑的问题。因此微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型并交给使用者评估,然后根据评估意见对模型直接进行修改,直至修改到大家都满意为止,最后再将模型数据利用逆向工程软件Imageware生成CAD数据。当产品推向市场后,由于外观<新颖、曲线流畅,再加上手感也很好,符合人体工程学原理,因而迅速获得用户的广泛认可,产品的市场占有率大幅度上升。

责任编辑:张纯子
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