逆向工程中的3D打印技术应用研究

逆向工程中的3D打印技术应用研究

本文顺应教育行业供给侧改革相关政策引导，结合世界目前较为先进、流行的FDM技术，决定对3D打印机在高校中的应用进行研究。此研究不仅结合扫描仪对辽宁某高校地标性建筑物进行打印研究分析，还对3D打印机本身在工作过程中遇到的堵料问题进行反复对比试验研究，找出解决方法及预防措施，为日后的3D打印加工研究奠定了基础。

标签：3D打印；逆向；故障分析

一、项目研究目标

A、掌握与3D打印有关的理论知识与FDM相关技术。

B、应用工业级打印机加工建筑物模型，探寻适应学校实践教学发展的新路径。

C、在实践过程中发现并解决3D打印过程中所出现的各种故障并進行分析，找出预防及解决方法。

（一）项目实施手段及方法

1.用双目光栅扫描仪对校园建筑进行逆向扫描，并分析其几何构造与外观数据，将搜集到的数据输入计算机内部并进行三维重建计算，在虚拟世界中创建校园建筑的数字模型，与真实建筑物进行比对分析，再将其转换格式并手工修正，输出给3D打印机。

2.通过对打印参数设置，找到最佳参数组，控制喷头以较为合理的方式将ABS Plus材

料精确地喷出。

3.观察并找出可能引发打印头喷嘴堵塞的原因，合理解决及避免。

（二）本项目拟解决以下关键问题

A、如何将大型楼宇等建筑物通过小型双目式光栅扫描仪进行扫描。

B、如何实现计算机与3D打印机数据无缝传输、数据的手动修正，寻找适合楼宇模型薄弱处强度匹配的最佳参数。

C、如何解决及预防工业级高精度3D打印机（美）FDM喷嘴被材料堵塞的问题。

（三）确定参数

通过适当实验方法，反复调节每个环节的参数以确定打印参数，使打印的图案以最佳的三维形态得以展现。

二、拟采用的研究方法及实验方案

（一）研究方法

本项目设计采用控制变量法、实验对比分析法，通过控制电流、电压、生成点云的点/线/面密度、平行面的面积及间距、打标点的集中度，来观察水晶是否出现爆裂的现象。单一改变内雕机内某一参数，找出不同类型三维图形的最佳参数标定组，实现水晶内雕实物加工的完整性。

（二）实验方案

本项目拟采用半闭环试验方案：采集楼宇的三维图像信息→编辑并建立虚拟三维模型→导入Insight软件→试验多组打印参数→将得到的3D打印模型与原始三维模型、真实楼宇进行比对→整理比对信息→反馈至参数组设定环节。试验中通过使用控制变量法得到不同的数据，分析每一个量对打印结果起到影响来确定最佳的打印数据。

三、过程中的关键点阐述

（一）数据的采集

利用双目光栅扫描仪扫描并分析预打印校内建筑物的几何构造与外观数据，将搜集到的实物雏形数据导入计算机三维制图软件进行三维重建计算。

双目光栅扫描仪的基本工作原理是利用三角形测量法，基于两摄像机所产生的视差，从而计算得到所测点的深度数据，即z坐标。扫描示意结构图如“图1”所示。

在我们所研究的双目立体扫描仪中，存在三个坐标系。其一是反映到拍得的照片上，称之为像平面坐标系，定义其中的点为P（X，Y）。其二是两个摄像机各自所在的坐标系，称之为摄像机坐标系，定义其中的点为P（x，y，z）。最后是真实物体所在的坐标系，称之为世界坐标系，定义其中的点为Pw（Xw，Yw，Zw）。其中Zw即是我们所要求的深度数据，我们的整个测量算法即是围绕如何由A、B两个摄像机拍摄的图片坐标Pa（Xa，Ya）和Pb（Xb，Yb）得到世界坐标Pw（Xw，Yw，Zw）。坐标测量示意图如“图2”所示，我们将两台摄像机呈不同角度摆放，由透镜成像原理可知，像平面位于摄像机前方，Pw（Xw，Yw，Zw）即被测点的坐标。

（二）数据的传递与零件的加工

利用计算机建模软件建模，然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如“图3”。

（三）确定各项参数进行加工

反复试验多组参数。采用控制变量法，进行逐一单一变量控制，来观察打印效果，找出最合适的条件，实现3D加工的完整性。加工出三维扫描仪预置形状的3D打印工艺品。

【参考文献】

[1]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷，

2012（9）：37-41.

[2]Pan.3D打印：产品制造的新革命[J].FEATURE，

2012（6）.

[3]左世全.3D打印机技术大潮来袭[J].中国设备，

2012（8）.