吹风机的逆向建模及3D打印*

何秀超，夏会芳

(武汉华夏理工学院 智能制造学院，湖北 武汉 430223)

0 引言

现代化工业日益进步，许多企业发展的重心都开始偏向于具有特色的产品开发与生产，传统的正向设计已不能满足现在的产品开发要求，以至于逆向设计被设计者们广泛应用[1]。

“正向设计”是依照所设计产品的功能以及产品的设计理念，利用建模软件绘制出空间三维模型的工艺过程[2]。而“逆向设计”相对于 “正向设计”而言，是利用三维扫描设备采集产品的点云数据，并对该产品进行模型重构[3]，最后利用快速成型技术生产出该产品的过程，该设计方法常用于复杂曲面及模具的重构等[4，5]。

本文以吹风机外形为研究对象，结合Geomagic一系列软件对吹风机进行逆向建模及快速成型。

1 逆向设计工作流程

逆向设计工作流程如图1所示。

图1 逆向设计工作流程

2 吹风机点云数据采集及处理

2.1 点云数据采集

模型逆向重构之前，必须获得精准的点云数据。本次扫描选取日本柯尼卡美能达三维扫描仪RANGE5对吹风机外形进行数据采集，获取吹风机外形的点云数据。扫描时，首先将托盘和吹风机贴上标记点(见图2)，软件扫描时会根据模型上粘贴的标记点对各次扫描的点云数据进行自动拼接对齐，扫描过程如图3所示。经旋转方向，多次扫描最终获取的吹风机点云数据如图4所示，最后将点云数据以asc文件格式进行保存。

图2 吹风机贴标记点

图3 扫描过程

图4 吹风机点云数据

2.2 点云数据处理

由于扫描过程中会采集到一些无关的数据(如实验台表面)，同时扫描数据量大，数据中会包含大量的噪点，所以将点云数据导入Geomagic Wrap软件中进行处理。

2.2.1 删除非连接项

将模型进行着色处理后，先对模型周围比较远的非连接项即红色点(如图5所示)进行删除。

图5 非连接项 图6 体外孤点 图7 减少噪音

2.2.2 删除体外孤点

对模型周围比较近的质量不好的非连接点即体外孤点(如图6所示)进行删除。

2.2.3 减少噪音

点击减少噪音命令进一步优化点云(如图7所示)，设置迭代值为3，偏差限制为0.2 mm。点击“应用”，然后“确定”。

2.2.4 点云封装

点击“封装”，将点云变成面片。封装完成的面片如图8所示。

图8 封装完成 图9 孔填充及光顺处理 图10 吹风机领域分割

2.2.5 填充孔及光顺处理

最后通过“孔填充”命令及光顺处理得到如图9所示面片。

3 吹风机模型重构

将处理好的吹风机面片文件导入Geomagic Design X软件进行建模。Geomagic Design X软件是一款强大的正逆向混合设计软件，这款正逆向软件不仅可以在点云面片的基础上使重构模型的曲面生成实体，也可以通过二维草图和三维草图生成实体，它把正向建模和逆向建模两种不同的建模方法有机地结合起来，完美地诠释了正向建模与逆向建模的相辅相成。

3.1 领域划分

领域组的划分是根据原始点云数据的3D特征把模型分成不同区域。根据模型特点和需要，把吹风机分为手柄和主壳两部分，主壳类似于椭圆形状，我们将它分为上下左右4个面，左右有内凹的特征，先把上下平滑的面和规则的面分割出来，这样可以更快地实现面片拟合，从而得出平滑的实体面，以缩短建模的时间，减少建模的难度；其次，将手柄特征部分分为一个领域，其余平滑地分为两个领域即可。最终划分的领域如图10所示。

3.2 对齐坐标系

对齐坐标系就是将模型的基准特征或选择的点云数据领域与世界坐标系中的坐标轴或坐标平面匹配，使模型与世界坐标系对齐。本例中先对吹风机建立两个标准的对称平面，然后利用“手动对齐”命令对齐坐标系，对齐后的坐标系如图11所示。

图11 对齐坐标系 图12 面片拟合 图13 剪切曲面

3.3 创建面片模型

对分割的领域分别进行面片拟合，并对相邻的面片依次进行拟合。面片拟合过程中需要调整拟合出面片的大小，使面片能够完全覆盖所选领域，如图12所示。两个面片相交会产生多余的部分，对于交叉多余部分点击剪切曲面，选择剪切面和被剪切面，保留需要的部分，如图13所示。

3.4 曲面填充

由于扫描过程中实物模型本身结构或人为操作等原因，吹风机外壳存在部分扫描不到的死角，在面片拟合时会出现缺失，对后续实物模型的重构造成很大的影响，故需要对孔洞进行缝合、修补。根据不同的孔洞形式，选择相应的填补方式。本例中面片拟合后缝合及曲面填充的效果如图14所示。

图14 缝合及曲面填充 图15 曲面赋厚 图16 倒圆角

3.5 曲面赋厚

利用Geomagic Design X软件中“赋予厚度”命令，对拟合的面片模型进行曲面赋厚，得到如图15所示模型。

3.6 圆角

由于面片拟合表面复杂不平整，很多面片相交的部位并不平滑，用倒圆角命令可以使面和面的相交处连接平滑。选择布尔运算命令，点击可变圆角，选取要素边线，点击自动计算各个位置的圆角半径大小，点击完成，完成倒圆角命令，如图16所示。

3.7 导出实体

点击“布尔运算”进行合并，使其成为一个整体(见图17)，进行精确度分析，偏差较小(见图18)，最后保存文件。

图17 合并整体 图18 精度分析 图19 2D比较

4 模型偏差分析

利用Geomagic Control X软件可动态观察模型的体偏差、曲率、连续性等建模情况。分别测量2D或3D中的尺寸偏差，根据色谱来判断模型不同位置的偏差，绿色为最佳，偏向红色说明检测的模型在这个位置相对于参考模型有凸起，偏向蓝色则说明检测的模型在这个位置相对于参考模型有凹陷。通过2D比较、3D比较(如图19、图20所示)对模型进行偏差对比分析检查，结果表明，所建模型对比分析偏差在允许的范围之内。

5 3D打印

将建好的模型导入Print 3D软件中进行模拟分片，调整打印位置及方向，设置填充密度及打印速度等参数，然后导出为STL文件，最后进行3D打印。打印过程如图21所示，最终打印的成品如图22所示。

图20 3D比较 图21 打印过程 图22 吹风机3D打印样品

6 结论

如果是使用传统正向建模的方法，对于吹风机复杂曲面的设计会无从下手，而利用逆向工程技术可以有效地采集三维数据，并结合逆向工程软件重构数字模型。本文对吹风机外形进行了逆向建模，结果表明，逆向设计可大大缩短产品设计开发周期。