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摘要：通過對逆向工程及3D打印在復雜結構件修復中的優勢進行分析，提出了應用逆向工程及3d打印進行結構件修復的流程，并以實訓設備抽油泵中應用實現修復為實例進行論證。重點介紹了抽油泵葉輪的逆向工程建模以及3D打印操作過程，驗證了逆向工程及3D打印在復雜結構件修復中應用的可行性及推廣前景。

關鍵詞：逆向工程；3D打印；設備修復；建模方法；制造工藝

引言

隨著精密測量技術、計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術的不斷發展，基于精密測量與逆向工程技術在機電設備部件修復中的作用逐步被人們認識和采用[1]。長期以來在設備維修中往往采用提前準備易損標準件的方式進行，在汽車、家電、共享單車等大批量產品中大量應用，但對于無法適應標準件的小批量和換代產品，尤其是結構復雜的零件則無法適應，只可求助于重新設計建模后制造的方式。逆向工程技術的成熟為機電設備復雜結構件的修復帶來便利，人們利用精密測量和逆向工程技術，對已損復雜結構件進行測繪，獲得其三維特性，重構部件三維模型，3D打印原型實物用于完成設備結構件的修復。

1逆向工程及3D打印在復雜結構件修復中的優勢

1.1擺脫對原模型的依賴性

機電設備的使用方往往并不是產品的開發設計者，當復雜結構件損壞需要修復時，必然面臨無法取得原產品模型圖檔的問題。出于商業保密的原則，開發商一般情況下不會將原模型公開，同時對于型號較舊的產品，其原模型也容易出現保存未完好的問題。應用逆向工程可擺脫產品修復過程中對原模型的依賴性，只需要對損壞的結構件進行分析逆向便可得到該產品的模型。

1.2降低復雜結構件建模難度

針對一些結構復雜、不規則曲線曲面較多、尺寸難以測量的零部件，運用傳統的CAD軟件進行測繪時往往偏差太大，而逆向工程從產品的最終實物出發，用先進的點云掃描方式取代傳統的測量方式，所得到的零構件數據更加準確可靠[2]。1.3減少修復時間現在人們對產品的個性化需求越來越強烈，逆向工程先獲取模型的三維實體，然后根據自身的需求進行再設計，可以實現復雜產品的快速復制及現有產品的優化設計，大大縮短了新產品的開發周期。針對制造環節，應用3D打印技術能大大縮短制造的時間，3D打印技術的優勢在于它不需要繁瑣的加工流程，利用液態或粉末狀材料不斷堆疊固化的原理，只需要通過一臺3D打印機就能實現整個產品的制造。

1.4降低產品修復成本

在傳統制造業中，加工越復雜的部件所需要的時間和成本越高，但是隨著3D打印機的普遍應用，部件的復雜度將不再與成本形成正比關系，只需要將產品的模型推入3D打印機便可實現產品的成型過程，省去了包括數控編程，刀具選擇以及工裝夾具的設計等復雜的工藝流程，它會使加工的成本降低。

2逆向工程及3D打印在復雜結構件修復流程

逆向工程及3D打印在復雜結構件的修復是對結構復雜的損壞零件進行逆向工程建模及將重構模型進行3D打印，并將重構件代替原損壞件，恢復產品功能的修復過程。修復流程可分為待修復件結構分析，點云數據獲取，3D模型生成，產品3D打印以及修復測試五部分，如圖1所示。

2.1待修復結構件分析

要實現復雜結構件的修復，首先要對其結構特點與功能進行分析，了解其設計特點，圖形特征，使用材料以及工況。如使用的材料特殊無法用3D打印實現時便只能使用CNC加工的方式，或零件本身可從市場上容易采購也不適合用逆向工程的方式增加修復時間和成本。對結構件的分析是為了確認是否采用逆向工程及3D打印的方式修復。

2.2點云數據獲取

要實現復雜結構件的逆向工程修復，需要對結構件的結構特征，如尺寸、形狀、曲面特征，特征位置等進行點云數據的獲取。根據點云數據的獲取方式可分為：非接觸式方法和接觸式方法，如圖2所示。非接觸式方法多用于曲面特征的獲取，利用聲學、光學和電磁學的手段進行數據獲取，如激光掃描；接觸式方法多用于尺寸、位置等特征的獲取，利用機械關節臂、三坐標測量機、機床測頭等手段進行獲取。近年來，出現了非接觸式與接觸式整合的方式，通過在三坐標測量機上安裝高精度非接觸式光學掃描儀，實現待測量產品的可編程特征掃描。

2.33D模型生成

將獲取的點云數據導入逆向軟件，通過逆向軟件將點云數據擬合出實體特征并生成產品的3D模型。模型3D實體生成除了直接應用點云數據應用按點、線、面、體的傳統方式還可直接應用逆向軟件的模式進行，市面上存在著逆向軟件主要有兩類，一類是以逆向模塊的形式嵌入到通用的CAD/CAM軟件中，如UG軟件中的QuickShape模塊、Pro/E軟件中的SCAN－TOOLS模塊；另一類是專用的逆向軟件，如EDS公司的Imageware、RaindropGeomagic公司的Geomagic、DELCAM公司的CopyCAD、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEMSurf、臺灣智泰科技公司的DigiSurf、AliasWaveffont公司的SurfaceStudio以及Mat⁃eralice公司的Mimics等[3]。逆向軟件的選擇要根據需要逆向的產品的特征、點云數據的特點以及模型的后續用途要求進行。

2.4產品

3D打印3D打印技術是通過2D成型的三維疊加來實現零部件制造的一種新型增材制造技術，產品的結構與造型設計不受傳統制造工藝的限制，可以實現任意復雜結構的成型[4]。3D打印技術的應用使結構件的制造效率大大提高，同時降低了制造的難度。將3D模型導入進行STL格式轉化，而后將轉化好的STL文件導入3D打印機切片軟件進行切片，最后進行打印并對產品進行后處理，從而得到想要的產品。其中切片的目的就是將空間三維問題轉化為X和Y的平面運動問題并進行路線優化，包括有文件校核，確定擺放方位、增加支撐和設置切片參數四個過程。

2.5修復測試

3D打印生成的零件要進行測試以確保達到預定的目的，需要將零件替換到原零件的位置，先觀察是否能正確地安裝配合，再根據設備的使用功能進行測試，觀察空載運行是否有異常，再負載運行測試是否滿足功能要求，最后停止后觀察零件是否有損壞。測試通過后才可結束整個設備的修復工程。

3抽油泵葉輪修復實現

此次逆向工程及3D打印在設備復雜結構件修復中以東莞市高技能公共實訓中心實訓設備抽油泵為例，該設備用于實訓室日常金屬加工油品的抽取，設備的核心部件為結構復雜的曲面葉輪，如圖3所示。該葉輪由于誤操作已損壞，為確保抽油泵的正常使用，需要對葉輪進行更換。

3.1復雜結構件修復分析

通過對葉輪的分析，該零件為結構復雜的曲面結構，損壞較為嚴重，材料為塑料，經調研市場上沒有單獨葉輪零件的出售，為了實現抽油泵的正常功能，需要制造一個新的葉輪以替代原有已損壞葉輪。考慮到零件材料、制造數量以及結構特點，采用3D打印的方式是一種較有效率和節省成本的方式。

3.2建模方案選擇

建模方案的選擇上主要是選擇點云數據獲取方式，根據葉輪的特點分析在非接觸式和接觸式方法中選擇，鑒于修復前葉輪的損壞情況較為嚴重，根據非接觸式和接觸式兩種方式的對比，如表1所示，此次修復適合采用接觸式的方法，采用三坐標測量機對葉輪的特征點進行點云數據采樣，后導入三維軟件進行實體擬合。該方式能有效地避免由于特征損壞造成的掃描不清，干擾數據過多的情況。

3.3葉輪模型逆向工程

（1）逆向工程設備，葉輪點云數據獲取采用海克斯康GLOBALperformance橋式三坐標測量，使用精密快速臺鉗夾具夾緊方式，如圖4所示。測量頭采用紅寶石探針，具有高硬度、低密度、質量小等優勢，做成的測頭磨損量控制在最小，同時也可以避免機器運動或振動造成的測頭誤觸。當測量頭的機械裝置發生位移時，將產生信號觸發并采集一個測量數據。（2）點云數據獲取，人工使用操作手柄驅動測頭緩慢移動到葉輪的表面上，把測量探針伸進葉輪的底部，從葉輪的底部靠著葉輪的扇葉逐點往上測量，采用的是豎直的測量方法，這樣有利于把測量的點規律性地反應出來，以便于在形成點云圖時，更好地把扇葉上的點連接成為線，同時避開已損壞的部位，以便減少誤差。通過海克斯康PC-DMIS三坐標控制軟件可顯示獲取點云數據的信息，生成葉輪點云數據，如圖5所示。（3）擬合點云成實體，應用PRO/E軟件將獲取的點云數據通過從點到線、線到面、面到實體的過程，生成葉輪的完整模型，如圖6所示。該方式從三坐標實測的測量點出發，位置和尺寸精度高，能高度還原葉輪的各種特征，減少尺寸及裝配誤差。

3.4葉輪

3D打印（1）打印設備及材料，葉輪打印采用的是聯泰RSPro-4503D打印機，打印方式為立體光固化成型法（SLA），分層厚度0.03～0.25mm，打印精度±0.07mm/150mm，采用高效穩定的振鏡掃描方式，可以同時固化二維平面X-Y軸上的光固化樹脂，光固化樹脂選用型號為C-UVBESTY，該樹脂具有黏度低、固化收縮小、固化速率快、溶脹小、光敏感性高的特性。（2）模型文件切片，采用MagicRP20.0數據處理軟件進行切片處理，切片過程包括四個步驟：第一是文件校核，確定文件模型沒有裂縫、空洞、重疊面、交叉面等，以免切片分層后出現不封閉環；第二是確定擺放方位，切片之前要確定擺放方位，即成型方向，成型方向不同，成型時間、成型表面質量以及添加支撐方式都會不一樣；第三是增加支撐，模型的獨立輪廓與懸臂結構是不能在沒有支撐條件下成型的，因此在打印模型時需要額外添加支撐，制作成型后拆除；第四是設置切片參數，設置的參數包括層高、壁厚、填充密度、打印速度等，然后系統根據設置進行切片。經過上述四個步驟后，葉輪模型可生成的切片分層圖如圖7所示。（3）打印及后處理，當數據導進3D打印機后，其激光光束通過數控裝置控制的掃描器，按照設計的掃描路徑照射到液態光固化樹脂表面，是其樹脂固化形成一層截面，然后升降臺下降，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行第二層樹脂固化，反復疊加生成工件葉輪，如圖8所示。打印完的工件需要進行后處理，經過酒精清洗、去除支撐材料以及紫外線光固箱上進行二次固化的過程，使工件的機械性能滿足要求。（4）綜合測試，將3D打印的葉輪裝入抽油泵中，觀察裝配情況，再進行通電測試，測試結果達到設備的功能要求，如圖9所示。通過逆向工程及3D打印在設備復雜結構件修復可行。

4結束語

通過逆向工程及3D打印的方式進行設備修復具有節省成本、提高效率等優勢，在機設備修復中具有推廣的前景，尤其是貴重小批量設備中的應用。現階段，由于受3D打印材料性能和品種的約束，對材料要求較高或特殊工況的設備仍然無法適合，但隨著3D打印技術的不斷發展，材料性能不斷提升，品種日益豐富以及打印效率進一步提升，逆向工程及3D打印技術將越來越多地應用到設備修復中。

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作者：黃仲庸 陳智勇 葉仲添 劉威龍 單位：東莞市高技能公共實訓中心