逆向工程与3D打印在大学生开放实验中的应用

高　奇,　李卫民,　曾　红

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001)

0　引　言

大学生创新实践能力的培养是高等教育重要任务之一。实验教学是不断发现和创新科学知识的重要形式之一，开放型创新实验是一种以学生为主体的主动创新实践模式[1-3]。开放实验即由教师提出和建立项目库，学生选择开放实验项目，教师指导学生完成，最后由教师对学生项目进行评价和答辩，即充分利用现有资源，促进学生创新实践能力培养，促进和提高开放实验效果，实现创新人才培养[4-5]。

3D打印技术是通过2D成型的三维叠加来实现零部件制造的一种新型增材制造技术，产品的结构与造型设计不受传统制造工艺的限制，可以实现任意复杂结构的成型[6-8]。在全球制造业不断挑战的今天，为了实现产品迅速抢占市场，提高产品的竞争力，产品制造需要不断向智能化方向发展[9-10]。“中国制造2025”计划提出2016年初建立较为完善的增材制造智能化产业体系，随着3D打印技术在精度、速度、打印材料方面不断的进步，和现代工业智能化的发展，3D打印与信息技术、控制技术、材料技术的结合被不断的推向更高、更多的制造领域，拓宽了3D打印技术在多种产品造型设计和加工中的应用[11-12]。

1　开放实验教学模式

开放实验项目的实施首要的是建立健全高效的实验室和实验项目，为学生提供硬件设施与资源。

(1) 实验室提供用于逆向工程和3D打印的实验教学设备。包括：非接触式REVscan手持式激光扫描仪、光敏树脂为基材的SPS450B快速成型机、ZK550硅胶注型机，及后续用于检测的德国温泽XOrbit三坐标测量机。

(2) 电脑机房。公用的计算机资源专门用于三维点云数据获取、产品模型的逆向重建及创新产品的正向造型设计，和实验设备的数据预处理。

(3) 校企共建模式。实现了桌面级打印实验室的建立，企业方为学校批量定制了桌面级的3D打印机，满足校内各专业的不同需求，企业在合作过程中扩大了声誉和影响，同时为校方提供资源和学生实践能力的锻炼提供了大力支持。

(4) 多元化评价机制。开放实验项目包含的基础实验和设计实验由指导教师为学生答辩和评价，创新型实验通过参竞赛机制由专家组给出评价。

(5) 多元化项目资源。实验项目包含相关课程的验证性和设计性实验、大学生创新创业项目、学科相关的各类竞赛项目、及教师制定和学生自主设计的综合性试验。

2　开放实验实例实施过程

选用书简作为3D打印的原型。该书简制品取之于学校图书馆内的书韵雕塑，通过逆向工程技术实现制品的快速设计制作，其系统设计流程如图1所示。

图1系统设计流程图

2.1　模型重建

通过非接触式REVscan手持式激光扫描仪对书简实物进行扫描获取点云数据，由于书简形状属于展示性艺术品，尺寸精度要求相对较低，可适当提高扫描速度，模型重建采用犀牛Rhinoceros软件进行，该软件更适合曲面类软件的编辑操作，实现扫描点云数据的曲面化，在曲面化过程中容易出现较多的坏变，需将犀牛软件处理后格式为3DM的曲面数据转入实体建模软件Solidworks中进行模型修复。常见的坏边形式如图2所示。

图2　曲面坏边

解决此类坏边的方法为：曲面重叠需在实体处理软件中准确选取各多余曲面并依次删除。面体重叠可采用尝试愈合面选项功能将其与板实体组合为一体。板间缝隙需利用软件评估选项中的测量功能对缺失部分进行尺寸测量，确定缺失部分的准确尺寸后，建立修补轮廓面，经过拉伸，切除，组合等特征将该缝隙缝补成功。完成书简的实体化，该制品数字模型如图3所示。

图3　书简数字模型

2.2　3D打印

实验设备为西安交通大学研制的SPS450B快速成型机，烧结材料为进口光敏树脂。将处理好的书简模型导入系统处理软件RPdata中，进行书简实体的分层高度和点状支撑的设定，获得数据导入到成型机控制软件RPbuild中完成参数设定，其中：工艺参数为：扫面间距0.15 mm，填充扫面速度3.5 m/s，轮廓扫面速度为2.0 m/s，补偿直径0.15 mm。经过0.5 h后一个完整的书简实体被打印出来，将打印好的实体从快速成型机中取出，经过去除支撑、酒精浸泡、喷砂机光顺处理后得到实体如图4所示。

图4　3D打印书简实体

2.3　快速模具制造

传统模具制造方法通过机械加工方式获得，对于结构复杂类型腔来讲，加工工艺烦琐、生产周期较长、生产成本较高[13]。硅胶快速模具具有较好的弹性，具有无需或较少考虑产品复杂程度的特点，在模具行业得到广泛应用，由于模具寿命有限，特别适合中小批量的产品翻制[14-15]。

(1) 制作型框和固定原型。依据书简的特征尺寸确定浇注型框的尺寸，设定书简边界与型框距离1 cm以方便取模。分型面设定在书简板材下底面边界，以降低对外观影响，浇口位置设置在下底面中央位置，通过热塑材料与型框固定。

(2) 硅橡胶计量、混合并真空脱泡。上述型框尺寸为18 cm×5 cm×3 cm，硅胶密度为1.3 g/cm3，计算需浇注硅胶质量为1 240 g。由于硅胶具有粘附性，应适当高出计算质量的10%，以免不够。混合搅拌硅胶，抽真空完成硅胶脱泡。

(3) 硅胶固化。将混合脱泡硅胶注满型框，继续抽真空，去除浇注过程硅胶中产生的气泡，完成后置于注型机中一段时间防止变形。

(4) 撕裂型框、开模、翻制样件。注满硅胶型框置于干燥机中加热使其硬化后，撕裂型框去除书简原型。为保证后续翻制精度，用手术刀片沿分型面以波浪形状对硅胶模开模，取出原型，并对硅橡胶模的型腔喷涂分型剂以便于取出翻制件，向清理后的模具型腔内注入混合的AB料即可得到翻制的书简样件，如图5所示。

图5　硅胶模具及翻制的样件

3　结　语

以书简制品为开放实验项目实例，采用逆向工程和3D打印技术实现了产品的快速设计制作，阐述了完整的开放实验流程。

(1) 由学生选择和完成开放实验项目，提升了学生软件处理数据操作能力，体验了产品制造不受传统工艺限制的加工方法，激发了学生的创新设计能力。

(2) 完善的开放实验模式更有利于促进学生将理论设计与实际加工完美的结合，并应用于生产过程。

(3) 逆向工程和3D打印技术颠覆了传统的制造模式，体现先进制造技术的最新发展趋势，对于提升学生就业能力和实践能力具有积极作用。

参考文献(References)：

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