逆向工程及快速成型技术

•1.1、逆向工程的概念•1.2、逆向工程的应用及发展趋势•1.3、逆向工程设计制造的工作流程•1.4、逆向工程的关键技术•1.5、逆向工程常用软件•、•一、逆向工程顾名思义就是反其道而行之。针对一现有样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓坐标量得，并进行CAD曲面重构，编辑修改后，传至一般的CAD/CAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CNC加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机（RP）将样品制作出来。•二、逆向工程分类•根据反求对象的不同可分为•1.实物逆向：是有产品实物的条件下，通过测绘分析，从而再创造。•2.软件逆向：通过产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、有关规范和标准等一些技术软件去分析设计。•3.影像逆向：设计者无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者需要从这些影像资料去构思设计产品。•一、逆向工程应用••逆向工程的应用相当广泛，有模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型等方面。•具体应用：•（1）在对产品外形的美学有特殊要求的领域•（2）零件没有技术文件或技术文件不完整时•（3）设计的产品需要通过实验测试才能定型时•（4）模具行业•（5）很难表达的几何形状•（6）新产品的开发•（7）文物艺术品的修复•（8）快速原型制造•鞋楦的扫描与反求汽车造型的扫描与反求•复杂曲面的反求骨骼扫描及反求牙颌的点云及反求狗头部的点云及反求人面部的点云和反求•艺术品的点云和反求•二、逆向工程的发展趋势•逆向工程技术是目前CAD/CAM领域一个十分活跃的研究方向，以下技术的发展值得期待：•（1）发展面向逆向工程的专用测量系统•（2）研究适应不同的测量方法和后续用途的离散数据后处理技术。•（3）拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑的拼接•（4）有效的特征识别和考虑约束的模型重建方法•（5）发展基于集成的逆向工程技术•逆向工程和传统的设计制造流程中的各个功能模块，在序列上被相互换位倒置。•传统的设计制造是从无到有的设计，从概念设计出发到最终形成CAD模型是一个确定明晰的过程。•逆向工程是对现有产品模型的再设计，从现在产品原型到最终形成CAD模型是一个推理、逼近的过程。一般可分为5个阶段:•(1)零件原型的三维数字化测量•(2)提取零件原型的几何特征•(3)零件原型的三维重构•(4)CAD模型的分析及改进，校验与修正•逆向工程的流程图：实物/原型数据获取反求软件设计意图理解设计意图理解原始设计参数还原CAD系统产品数字化模型产品创新设计新产品数字化模型制造与检测计算机辅助分析(CAE)新产品原型修改•逆向工程的关键技术为：•(1)数据获取•数据获取是逆向工程CAD建模的首要环节，根据测量方式的不同，数据采集方法可分为：接触式测量和非接触式测量。•(2)数据预处理•数据预处理是逆向工程CAD建模的关键环节，它的结果将直接影响后期重建模型的质量。预处理技术包括测量数据的坏点、测量误差的去除，多视图测量数据的整体拼接，冗杂数据的去除，测量数据的简化和优化。•(3)数据分块与曲面重构•数据分块是为曲面重构服务的，曲面重构也是逆向工程的关键环节，其目的是要构造出满足精度、光顺性以及相邻的曲面光滑拼接的曲面模型。•(4)CAD模型构造•目的是获得完整一致的边界表示CAD模型，即用完整的面、边、点信息来表示模型的位置和形状。•精度反映反求模型与产品实物差距的大小，其评价指标分为整体指标、局部指标、量化指标和非量化指标。精度评价是逆向工程的一项重要内容，产品性能达不到原设计的要求，其中重建模型不能还原原模型是主要原因之一。•(5)快速原型•快速原型是逆向工程的一个必要环节，快速原型机可用来快速制作实物，能实现原型的放大、缩小、修改等功能。•(6)逆向工程的接口技术•其中包括：测量数据与快速成型系统的接口(STL文件)，测量数据与CNC设备的接口(DXF、IGES、点云文件)，测量数据与CAD/CAM系统的接口(DXF、IGES、STEP文件)，以实现与现有的制造设备、CAD/CAE/CAM等软件的数据交换。•(7)实物尺寸的三维测量技术•下图是三坐标测量机---CMM•逆向工程软件能直接接收来自测量设备的产品数据，通过必要的编辑和功能处理，生成复杂的三维曲线或曲面模型，匹配上标准的数据格式后，将这些曲线、曲面数据传输到合适的CAD/CAM系统中，经过反复修改后，完成最终的产品造型。•常用的你先工程软件大致可分为三类：•(1)对测量点云后置处理后直接生成曲面，生成的曲面需要转换到其他的CAD/CAM系统中做后续处理。•(2)对测量点云后置处理后直接生成曲面，生成的曲面可采取无缝连接的方式被集成的CAD/CAM系统做后续处理。•(3)按特征构建的方式生成几何模型。•第一类逆向工程软件:主要代表有ImageWare、ICEMSurf、GeoMagic•第二类逆向工程软件：主要代表有CopyCAD•第三类逆向工程软件：主要代表有主流的CAD/CAM软件，如CATIA、PRO/E等•几款常用的逆向工程软件：•GeoMagic:美国RainDrop公司开发的，具有丰富的数据处理手段，可快速的构造连续的曲面造型，应用领域从工业设计到医疗方针等多个方面。•ImageWare：作为UG外挂的逆向工程软件包，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测等功能。•CopyCAD：英国DELCAM公司开发的系列CAD产品中的集成模块，主要处理测量数据的曲面造型。•RapidForm：韩国INUS公司开发的逆向工程软件，主要用于测量、扫描数据的曲线建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模。•市场上能见到的大部分逆向工程软件基本上都是国外产的，国内的很少见，即使有，也不具备与国外软件相竞争的实力。比如国产的QuickForm是国内逆向工程软件中比较好的一款，但是市场占有率较低，唯一有优势的地方就是价格。•2.1快速成型技术概论•2.2快速成型技术加工方法和设备•2.3快速成型技术的应用•2.4快速成型技术中的问题•2.5快速成型技术的发展前景2.1快速成型技术概述•产生的背景：•全球制造战略的变迁：•制造模式的改变：•批量小•品种多•改型快90年代：市场响应速度80年代：产品质量70年代：生产成本60年代：生产规模50年代：生产规模•快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总成。•不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有不同。•但是，基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”。•快速成型技术的工作原理•零件数据CAD模型的建立•数据转换文件的生成由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成型系统所能接受的文件。•分层切片分层切片处理是根据成型工艺要求，按照一定的离散规则将实体模型离散为一系列有序的单元按一定的厚度进行离散。•层片信息处理根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适成型参数，自动生成数控代码。•快速堆积成型快速成型系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维形体原型的制备。CAD模型数据文件分层切片层片信息处理层片制造与连接所有层片均处理完毕后续处理在计算机中进行离散处理离散过程在成型机中进行层片堆积堆积过程•快速成型技术的主要特点：•(1)可以制造任意复杂的三维实体•(2)快速性：几个小时到几十个小时就可制造出零件•(3)高度柔性：无需任何专用夹具或工具•(4)产品结构与性能的及时快速优化•(5)进行小批量生产•(6)有利于环保2.2快速成型技术加工方法和设备••目前快速成型技术的快速成型工艺方法有十多种。比较成熟的而且常用的四种成型方法有：光固化成型、分层实体制造、选择域激光粉末烧结成型、熔融沉积成型。•1.光固化法技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下，能迅速发生聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变为固态。•优点：•(1)原材料的利用率将近100%。•(2)尺寸精度高•(3)表面质量优良•(4)可以制作结构十分复杂的模型•缺点：•(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑。•(2)可使用的材料种类比较少•(3)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时具有时限性。光固化快速原型•2.分层实体制造采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。•优点：•(1)成型效率高。LOM工艺只需在片材上切割出零件界面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。•(2)无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形：•(3)无需加支撑，共建外框与界面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，因此无需加支撑。•缺点：•材料浪费严重，表面质量差。分层实体制造•3.选择域激光粉末烧结成型是用实用高效率的激光加热，把粉末融化在一起形成零件，该工艺可用于多种塑性塑料的成型，如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类等。•优点：无需支撑，成型的零件机械性能好，强度高。•缺点：粉末比较松散，烧结后精度不高，尤其是Z轴方向的精度难以控制。粉末激光烧结快速原型•4.熔融沉积成型工艺中的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。•优点：•(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。•(2)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。•(3)原材料利用率高，且材料寿命长。•缺点：•(1)成型件表面有明显的条纹。•(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱。•(3)需要支撑。熔融沉积快速成型2.3快速成型技术的应用•快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、功能试验上。设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、性能评价，借此缩短产品的开发周期、降低设计费用。经过十几年的发展，快速原型技术早已突破了其最初意义上的“原型”概念，向着快速零件、快速工具等方向发展。•目前快速成型技术已经得到了工业界的普遍关注，尤其在家用电器、汽车、玩具、轻工业产品、建筑模型、医疗器械及人造器官模型、航天器以及从事CAD的部门都得到了良好的应用。概念模型可视化功能模型熔铸模型砂型铸造直接用于型腔模具用于翻制硅胶膜连体婴儿的治疗•快速成型制造的主要用途：•(1)新产品研制开发阶段的试验验证。•(2)新产品投放市场前的调研和宣传。•(3)基于快速成型技术的快速制模技术。•(4)新材料的研究。•(5)修复医学上的应用。•(6)小批量和特殊复杂零件的直接生产。2.4快速成型技术中的问题•1.硬件问题•快速成型技术的设备昂贵成为了制约其推广和应用的主要原因，尤其是中小型企业不具备雄厚的资金。•2.软件问题•快速成型技术中的软件分为成型系统的控制软件和成型系统与CAD模型的接口软件。面对比较复杂的模型时，处理的速度和精度都不高。•3.材料问题•目前快速成型技术中的材料的成型性能大多不理想，成型件的物理性能还不能完全满足功能性、半功能性零件的要求。必须借助二次开发和后处理才能达到比较理想的结果。•4.成型工艺的问题•由于树脂的收缩在在层层堆积时所产生的层间粘接应力和未固化的残留液态树脂在固化中的收缩导致了成型过程中零件的变形。2.5快速成型技术的发展前景•快速成型技术是一种正在进一步发展和完善且已经获得了广泛应用的技术。可以预见，随着CAD技术的广泛应用，市场竞争将日趋激烈，快速成型技术将日趋完善。快速成型技术将发展成为一种能被企业普遍采用的技术手段，并将给企业带来巨大的经济效益，这引起各方面的高度重视。•目前，快速成型技术正在高速发展，在材料方面，向着多种复合成型方向发展，在工艺方面，向着低成本、高效