逆向工程与快速成型关系

集成逆向工程与快速成型关系及基于FDM方式的快速成型模拟制造

摘要：逆向工程也称反求工程、反向工程，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程。快速成型技术可以快速、自动地将设计思想物化为具有结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对设计的产品进行快速评价、修改，大大的缩短了新产品开发周期，降低了开发成本，避免了产品研发失败的风险，提高了企业的竞争力。逆向工程与快速成型技术是先进制造技术中的重要组成部分，作为消化吸收先进技术和缩短产品在设计与制造周期的重要支撑技术，已成为制造业关注的热点。

关键字：逆向工程（Reverse Engineering,RE），快速成型技术（Rapid Prototyping,RP），熔融沉淀制造（FDM），快速成型模拟制造。

一、逆向工程与快速成型：

逆向工程是对产品设计过程的一种描述。是相对于现在的正向工程而言，正向工程就是我们先设计有图纸，然后按图纸加工出产品实物，而逆向工程是以目前已有的实物通过三维激光超数及逆向软件处理，还原为电脑模型，并且可以修改和改进。快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。

二、集成逆向工程糸统：

集成逆向工程糸统框架可以分为三个部分（或三个子糸统）：数字化及数据处理糸统、模型重建子糸统和产品制造子糸统。（一）、数字化及数据处理糸统的任务是测量规划、测量和数据处理转换。在进行测量规划时，主要考虑的依据仅仅是曲面的几何特性，没有进一步考虑到后续任务的要求。数字化技术：数字化测量由三维数字化仪（三坐标测量机、光学测量糸统和激光测量糸统）和测量软件生成糸统完成；数据处理的任务主要是对采集点进行测头补偿、噪声过滤、光滑、数据减少、归类、补点、多视测量数据重定位、数据分层和对称基准重建；数据转换是将测量数据点直接转换为NC代码和STL文件等。（二）、模具重构子糸统主要包括模型重建、模型分析、模型评价等模块，与目前的CAD造型软件或CAD/CAE/CAM糸统不同的是数据结构是面对集成的数据模型结构、有专用的逆向功能（曲线、曲面拟合等）和重建模型评价功能等。（三）、产品制造子糸统主要是加工制造设备，包括各种数控机床（NC）和快速成型机等，测量得到的数据经过数据处理和转换输入到加工制造糸统，最终得到产品样件、实物或模具。

三、逆向工程与快速成型的关系结论：

逆向工程与快速成型技术是现代制造技术的重要组成部分，讲着两个单元技术集成为一个产品快速开发糸统时，就得到了一个最佳的集成技术模型。

（1）逆向工程与快速成型技术的集成，是快速开发新产品的先进制造技术，它比由新概念设计输入到柔性制造糸统输出的正向糸统路径短，更快捷，因而对市场的响应能力更强，尤其对于发展中国家是一种十分重要的新产品开发手段。（2）一个与快速成型技术完全匹配的逆向工程糸统应具有以下的特点:：测量速度快，精度高；能测量内外轮廓，最好不要破坏零件；能把测量数据转换成CAD 模型；具有吧CAD模型文件转换成STL文件的功能，并能直接切片；能自动化测量，且成本低。（3）工业CT是一种无损测量方法，对于许多不能使用破坏性测量的对象，是一种理想的补充。可以期待它最终代替层切法和其他方法，实现无损坏、高精度的逆向工程测量。

四、各种快速成型：根据现代成型学的观点，物体成型的方式可分以下几类：1）去除成型：运用分离的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去而成型的方法。传统的车、铣、刨、磨、钻、电火花和激光切割等都属于去除成型，去除成型是目前最主要的成型方法。

2）受迫成型：利用材料的可成型性在特定的外界约束下成型。传统的锻造、铸造粉末冶金等都属于受迫成型。受迫成型多用于毛坯制造，但也有直接用于最终零件成型。

3）添加成型：又称堆积成型，是利用机械、物理、化学等方式通过有序地添加材料从而堆积成型的方法。

4）生成成型：利用材料的活性进行成型的方法，自然界中的生物个体发育均属于生长成型。随着活性材料、仿生学、生物化学、生命科学的发展，成长成型将会得到很大的发展。

五、快速成型技术未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：

1、材料成型和材料制备：随着科学技术的发展，材料和零件要求具有很高的性

能，要实现材料和零件设计的定量化和数字化，实现材料和零件制备的一体化和集成化。快速成型技术基于离散—堆积原理，采用多种直写技术控制单元材料状态，将传统上相互独立的材料制备和材料成型过程合一，建立了从零件成型信息及材料功能信息数字化到物理实现数字化之间的直接映射，实现了从材料和零件的设计思想到物理实现的一体化。

2、生物制造和生长成型：21世纪是生物科学的世纪，和工程科学相结合特别是

与制造科学相结合，基于对不同层次生命活动的理解，生物技术和生物医学工程学能够为人类创造财富和解决人类的健康保健问题。

3、计算机外设和网络制造：快速成型技术是全数字化德制造技术，快速成型设

备的三维成型功能和普通打印机具有共同的特性。随着信息技术的发展，网络将进入千家万户，基于网络的信息交流将更加畅通。企业提供在线个性化设计的平台，能够和用户交互的进行产品的外包装，装饰等定制。

4、快速成型与微纳米制造：目前，常用的微加工技术从加工原理上属于去除材

料而“由大到小”的去除成型工艺，难于加工三维异形微结构，并且深度比的进一步增大受到了限制。而快速成型根据离散—堆积的降维制造原理，能制造任意复杂形状的结构。

5、直写技术和信息处理：1）直写技术：直写技术对材料单元具有精确控制的能

力，是快速成型技术的核心。2）信息来源于软件：随着快速成型技术想快速制造技术转变，制造出的最终零件对精度的要求越来越高。对快速成型工艺进行建模、计算机仿真和优化，可以提高快速成型技术的精度，实现真正的净成形，常用的工具包括有限差分和有限元等。

快速成型技术是当今世界上发展迅速的先进制造技术之一。当今时代为网络时代，快速成型技术已经与其他技术结合，形成一个完整而又庞大的技术体糸。该体糸具有系统化、需求多样化、技术多样化和复杂化以及技术更新速度不断加快等特点。

六、熔融沉淀制造（FDM）：

熔融沉淀制造（FDM）也称熔融挤出成型，是继光固化快速成型和分层实体制造后的另一种应用比较广泛的快速成型方法。其原理如下：快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1 ℃左右[2 ] 。目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。

七、FDM工艺参数的设置：

1.分层设置

1）分成厚度为0.25mm。理由：常用的参数设置，加快制造的速度，缩短时间。

2）内轮廓补偿为0.2mm，外轮廓补偿为0.3mm。理由：材料收缩性的特性，需要对理论分层轮廓进行不同的补偿值的设置，以达到精度的要求。

2.支撑设置

1）优化角度为45°。理由：设置为45°能够起到更好的支撑作用。

2）实体间距为0.4mm。理由：避免支撑和实体过度粘结，影响支撑剥离。

3.轮廓填充设置

1）填充角度为45°。理由：填充方向与平台X轴线的夹角，缺省45°，所以选择填充角选为45°。

2）填充间距为0.5mm。理由：填充线之间的距离，缺省值为0.4mm，，选择比缺省值大一点为0.5mm。

3）偏移层数为2层。理由：等距偏移的层数缺省值为2层，常用值设置，对模型的成型有较好的效果；

4）偏移间距为0.4mm。理由：等距偏移线之间的距离缺省值为0.4mm，故选择其数值与之相同。

4.支撑填充设置

1）填充角度为45°。理由：填充线与平台X的夹角缺省值为0°，可供选择的范围是0~90°，取中间值45°；

2）密支撑间距为0.6mm。理由：密支撑间距的缺省值为0.5，选择的范围是0.1—0.8mm，值稍微取大点，可以节省一部分材料，和加快制造速度。

3）疏支撑间距为4mm。理由：其可供选择的范围是2~4mm，选择大一点的数可以提高速度，节省时间。

4）支撑填充补偿为0.2mm。理由：支撑填充与支撑理论边界的补偿距离缺省值为0.1，选择比缺省值大一点是为了更进一步提高支撑的强度。

5.基底设置

1）基底总层数为5层。

2）密基地层数为2层。理由：为参考值。

3）疏基底层数为3层。理由：基底层数=疏基底+密基底，所以选择的是3层。

4）填充角度为45°。理由：平行线与平台X轴的角度的缺省值为45°，故选择与之相同。

5）密基底填充间距为0.6mm。理由：对密基底进行填充时候，平行线之间的距离选择小一点为0.6mm。

6）疏基底填充间距参数为6mm。理由：参考范围为4-8mm，取较小值。八、FDM工艺附图：