结构件修复逆向工程及3D打印技术应用

随着精密测量技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术的不断发展，基于精密测量与逆向工程技术在机电设备部件修复中的作用逐步被人们认识和采用[1]。长期以来在设备维修中往往采用提前准备易损标准件的方式进行，在汽车、家电、共享单车等大批量产品中大量应用，但对于无法适应标准件的小批量和换代产品，尤其是结构复杂的零件则无法适应，只可求助于重新设计建模后制造的方式。逆向工程技术的成熟为机电设备复杂结构件的修复带来便利，人们利用精密测量和逆向工程技术，对已损复杂结构件进行测绘，获得其三维特性，重构部件三维模型，3D打印原型实物用于完成设备结构件的修复。

1逆向工程及3D打印在复杂结构件修复中的优势

1.1摆脱对原模型的依赖性

机电设备的使用方往往并不是产品的开发设计者，当复杂结构件损坏需要修复时，必然面临无法取得原产品模型图档的问题。出于商业保密的原则，开发商一般情况下不会将原模型公开，同时对于型号较旧的产品，其原模型也容易出现保存未完好的问题。应用逆向工程可摆脱产品修复过程中对原模型的依赖性，只需要对损坏的结构件进行分析逆向便可得到该产品的模型。

1.2降低复杂结构件建模难度

针对一些结构复杂、不规则曲线曲面较多、尺寸难以测量的零部件，运用传统的CAD软件进行测绘时往往偏差太大，而逆向工程从产品的最终实物出发，用先进的点云扫描方式取代传统的测量方式，所得到的零构件数据更加准确可靠[2]。1.3减少修复时间现在人们对产品的个性化需求越来越强烈，逆向工程先获取模型的三维实体，然后根据自身的需求进行再设计，可以实现复杂产品的快速复制及现有产品的优化设计，大大缩短了新产品的开发周期。针对制造环节，应用3D打印技术能大大缩短制造的时间，3D打印技术的优势在于它不需要繁琐的加工流程，利用液态或粉末状材料不断堆叠固化的原理，只需要通过一台3D打印机就能实现整个产品的制造。

1.4降低产品修复成本

在传统制造业中，加工越复杂的部件所需要的时间和成本越高，但是随着3D打印机的普遍应用，部件的复杂度将不再与成本形成正比关系，只需要将产品的模型推入3D打印机便可实现产品的成型过程，省去了包括数控编程，刀具选择以及工装夹具的设计等复杂的工艺流程，它会使加工的成本降低。

2逆向工程及3D打印在复杂结构件修复流程

逆向工程及3D打印在复杂结构件的修复是对结构复杂的损坏零件进行逆向工程建模及将重构模型进行3D打印，并将重构件代替原损坏件，恢复产品功能的修复过程。修复流程可分为待修复件结构分析，点云数据获取，3D模型生成，产品3D打印以及修复测试五部分，如图1所示。

2.1待修复结构件分析

要实现复杂结构件的修复，首先要对其结构特点与功能进行分析，了解其设计特点，图形特征，使用材料以及工况。如使用的材料特殊无法用3D打印实现时便只能使用CNC加工的方式，或零件本身可从市场上容易采购也不适合用逆向工程的方式增加修复时间和成本。对结构件的分析是为了确认是否采用逆向工程及3D打印的方式修复。

2.2点云数据获取

要实现复杂结构件的逆向工程修复，需要对结构件的结构特征，如尺寸、形状、曲面特征，特征位置等进行点云数据的获取。根据点云数据的获取方式可分为:非接触式方法和接触式方法，如图2所示。非接触式方法多用于曲面特征的获取，利用声学、光学和电磁学的手段进行数据获取，如激光扫描;接触式方法多用于尺寸、位置等特征的获取，利用机械关节臂、三坐标测量机、机床测头等手段进行获取。近年来，出现了非接触式与接触式整合的方式，通过在三坐标测量机上安装高精度非接触式光学扫描仪，实现待测量产品的可编程特征扫描。

2.33D模型生成

将获取的点云数据导入逆向软件，通过逆向软件将点云数据拟合出实体特征并生成产品的3D模型。模型3D实体生成除了直接应用点云数据应用按点、线、面、体的传统方式还可直接应用逆向软件的模式进行，市面上存在着逆向软件主要有两类，一类是以逆向模块的形式嵌入到通用的CAD/CAM软件中，如UG软件中的QuickShape模块、Pro/E软件中的SCAN-TOOLS模块;另一类是专用的逆向软件，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、台湾智泰科技公司的DigiSurf、AliasWaveffont公司的SurfaceStudio以及Mat⁃eralice公司的Mimics等[3]。逆向软件的选择要根据需要逆向的产品的特征、点云数据的特点以及模型的后续用途要求进行。

2.4产品

3D打印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[4]。3D打印技术的应用使结构件的制造效率大大提高，同时降低了制造的难度。将3D模型导入进行STL格式转化，而后将转化好的STL文件导入3D打印机切片软件进行切片，最后进行打印并对产品进行后处理，从而得到想要的产品。其中切片的目的就是将空间三维问题转化为X和Y的平面运动问题并进行路线优化，包括有文件校核，确定摆放方位、增加支撑和设置切片参数四个过程。

2.5修复测试

3D打印生成的零件要进行测试以确保达到预定的目的，需要将零件替换到原零件的位置，先观察是否能正确地安装配合，再根据设备的使用功能进行测试，观察空载运行是否有异常，再负载运行测试是否满足功能要求，最后停止后观察零件是否有损坏。测试通过后才可结束整个设备的修复工程。

3抽油泵叶轮修复实现

此次逆向工程及3D打印在设备复杂结构件修复中以东莞市高技能公共实训中心实训设备抽油泵为例，该设备用于实训室日常金属加工油品的抽取，设备的核心部件为结构复杂的曲面叶轮，如图3所示。该叶轮由于误操作已损坏，为确保抽油泵的正常使用，需要对叶轮进行更换。

3.1复杂结构件修复分析

通过对叶轮的分析，该零件为结构复杂的曲面结构，损坏较为严重，材料为塑料，经调研市场上没有单独叶轮零件的出售，为了实现抽油泵的正常功能，需要制造一个新的叶轮以替代原有已损坏叶轮。考虑到零件材料、制造数量以及结构特点，采用3D打印的方式是一种较有效率和节省成本的方式。

3.2建模方案选择

建模方案的选择上主要是选择点云数据获取方式，根据叶轮的特点分析在非接触式和接触式方法中选择，鉴于修复前叶轮的损坏情况较为严重，根据非接触式和接触式两种方式的对比，如表1所示，此次修复适合采用接触式的方法，采用三坐标测量机对叶轮的特征点进行点云数据采样，后导入三维软件进行实体拟合。该方式能有效地避免由于特征损坏造成的扫描不清，干扰数据过多的情况。

3.3叶轮模型逆向工程

(1)逆向工程设备，叶轮点云数据获取采用海克斯康GLOBALperformance桥式三坐标测量，使用精密快速台钳夹具夹紧方式，如图4所示。测量头采用红宝石探针，具有高硬度、低密度、质量小等优势，做成的测头磨损量控制在最小，同时也可以避免机器运动或振动造成的测头误触。当测量头的机械装置发生位移时，将产生信号触发并采集一个测量数据。(2)点云数据获取，人工使用操作手柄驱动测头缓慢移动到叶轮的表面上，把测量探针伸进叶轮的底部，从叶轮的底部靠着叶轮的扇叶逐点往上测量，采用的是竖直的测量方法，这样有利于把测量的点规律性地反应出来，以便于在形成点云图时，更好地把扇叶上的点连接成为线，同时避开已损坏的部位，以便减少误差。通过海克斯康PC-DMIS三坐标控制软件可显示获取点云数据的信息，生成叶轮点云数据，如图5所示。(3)拟合点云成实体，应用PRO/E软件将获取的点云数据通过从点到线、线到面、面到实体的过程，生成叶轮的完整模型，如图6所示。该方式从三坐标实测的测量点出发，位置和尺寸精度高，能高度还原叶轮的各种特征，减少尺寸及装配误差。

3.4叶轮

3D打印(1)打印设备及材料，叶轮打印采用的是联泰RSPro-4503D打印机，打印方式为立体光固化成型法(SLA)，分层厚度0.03~0.25mm，打印精度±0.07mm/150mm，采用高效稳定的振镜扫描方式，可以同时固化二维平面X-Y轴上的光固化树脂，光固化树脂选用型号为C-UVBESTY，该树脂具有黏度低、固化收缩小、固化速率快、溶胀小、光敏感性高的特性。(2)模型文件切片，采用MagicRP20.0数据处理软件进行切片处理，切片过程包括四个步骤:第一是文件校核，确定文件模型没有裂缝、空洞、重叠面、交叉面等，以免切片分层后出现不封闭环;第二是确定摆放方位，切片之前要确定摆放方位，即成型方向，成型方向不同，成型时间、成型表面质量以及添加支撑方式都会不一样;第三是增加支撑，模型的独立轮廓与悬臂结构是不能在没有支撑条件下成型的，因此在打印模型时需要额外添加支撑，制作成型后拆除;第四是设置切片参数，设置的参数包括层高、壁厚、填充密度、打印速度等，然后系统根据设置进行切片。经过上述四个步骤后，叶轮模型可生成的切片分层图如图7所示。(3)打印及后处理，当数据导进3D打印机后，其激光光束通过数控装置控制的扫描器，按照设计的扫描路径照射到液态光固化树脂表面，是其树脂固化形成一层截面，然后升降台下降，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层树脂固化，反复叠加生成工件叶轮，如图8所示。打印完的工件需要进行后处理，经过酒精清洗、去除支撑材料以及紫外线光固箱上进行二次固化的过程，使工件的机械性能满足要求。(4)综合测试，将3D打印的叶轮装入抽油泵中，观察装配情况，再进行通电测试，测试结果达到设备的功能要求，如图9所示。通过逆向工程及3D打印在设备复杂结构件修复可行。

4结束语

通过逆向工程及3D打印的方式进行设备修复具有节省成本、提高效率等优势，在机设备修复中具有推广的前景，尤其是贵重小批量设备中的应用。现阶段，由于受3D打印材料性能和品种的约束，对材料要求较高或特殊工况的设备仍然无法适合，但随着3D打印技术的不断发展，材料性能不断提升，品种日益丰富以及打印效率进一步提升，逆向工程及3D打印技术将越来越多地应用到设备修复中。

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