逆向工程及3D打印技术在微车发动机风扇开发中的集成应用

【摘要】在概述了逆向工程设计及3D打印制造技术的一般概念和原理的基础上，通过微车发动机风扇的开发设计作为实践，阐述了逆向工程及3D打印技术在新产品开发设计中的集成应用，以实现产品快速设计、快速制造的过程和方法，最后强调该技术的应用对企业乃至国家产品创新开发产生的意义与影响。

【关键词】逆向工程；3D打印；发动机风扇；集成应用

1、概述

1.1 逆向工程的概念

逆向工程，又称反求工程，英文是Reverse Engineering，是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，通过数字化技术和设备及CAD/CAE软件构造曲面或实体得到一个三维数据模型（即CAD模型）的过程。是消化、吸收先进产品和技术进而创造和开发各种新产品的重要手段和方法。

逆向工程被广泛地应用到汽车、机械、家电、医疗等新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测领域。

1.2 3D打印的概念

3D打印制造技术实际上是一系列快速成型（原型）制造技术的统称。其基本原理都是叠层制造，通过接收计算机上的CAD数字模型，由快速成型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。在汽车工业领域应用的快速成型技术主要有SLA立体平版印刷技术、FDM熔融层积成型技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术等。

以下本文将以SLA立体平版印刷技术为例，介绍3D打印制造技术的应用实践。

SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术集成计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件三维CAD模型的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，再次扫描固化。依此不断循环，层层叠加，直至得到三维实体模型。

该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度较高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。工作原理如图（一）示。

2、逆向工程与3D打印的集成应用

逆向工程与3D打印制造技术集成应用，是指在产品的反求和制造时，采用先进的设备与方法以实现产品的快速设计与快速成型加工的一体化过程。

2.1 逆向工程与3D打印的集成流程

如图（二）示。

2.2 产品特征分析

风扇样件来自于客户提供的零件。原发动机风扇是当前装机产品，参考样机风扇是某进口机型的风扇。通过对零件的特征比对，有以下特点：

2.3 风扇逆向工程设计方法

2.3.1 扫描获取数据

逆向设计首先需要实物数据。数据的采集通过德国GOM ATOSII三维流动式光学扫描仪对参考样机风扇进行全部特征扫描。如图（三）示。

ATOS II流动式光学扫描仪性能特点：

最大扫描尺寸：8m；整体精度：<0.1mm/m；单幅照片精度：±0.03mm

照片规格：100×80mm；350×280mm；800×640mm

扫描数据获取过程：

（1）建立项目project，取名并生成*.amp；

（2）项目参数project parameter设定。点的过滤设为2：8（Raster 2：8）；

（3）拍照。调整光强度，调整参考点光强，设定参考点误差0.1 pixel 像素，拼合误差0.1 mm；

（4）数据处理计算。Processing wizard 包括：Smoth mesh 点光顺＼Thin mesh点细化＼Save mesh存点；

（5）计算生成*.g3d文件；

（6）*.g3d转换输出STL文件。

2.3.2 扫描数据处理和文件输出

扫描数据是一组点云。原始的点云会有一些瑕疵，需要过滤、修补，去除离散的奇异点，修整残缺点云，达到优化目的。如图（四）示。

通过Atos Version 5.1.1软件，计算点云数据，输出STL文件。

2.3.3 曲面重构

风扇结构主要由叶片和安装面两部分组成，分别需要曲面重构和结构重构。

Imageware V12曲面重构方法包括：点云的平顺化，点云的提取与合并，点云匹配为曲线，曲线的编辑，曲线与点云间差异的比较等等。

Imageware的曲面处理流程，其中包括多种曲面的生成方式，曲面间的连接，曲面的修剪，曲面质量分析，曲面间连续性的分析。主要过程和方法如下：

（1）坐标系的建立，World axis、Object axis、Orient axis。（2）点的处理，Point process。（3）点云的对齐，Alignment。（4）坐标系的对齐，axis Alignment。（5）曲线的拟合，Construct.Uniform curve。（6）曲面的构造，Surface preparation＼Surface generation。

曲面的生成方法：Loft构造曲面或Boundary构造曲面。

曲面的类型： Nurbs非均匀有理B样条曲面、Bezier 贝齐尔曲面

2.3.4 结构重构

结构重构和细节设计在UG NX3完成。结构重构和细节包括风扇的安装结构设计、加强筋设计、拔模角设计等。

曲面重构和结构重构组合后，形成的新风扇CAD模型，如图（五）示。

2.3.5 风扇造型结构分析

如图（六）示，对风扇做光顺性、曲率、拔模等分析。

风扇叶面的光顺性分析。要求斑马线光顺，流线不打折。

风扇叶面的曲率分析。曲率的变化平滑，曲率的方向一致。

风扇拔模分析。要求拔模角度=2～3度，避免出现直角甚至负角，影响零件出模。

2.4 风扇3D打印制造

风扇造型结构通过分析，达到满足产品设计要求后，设计数据通过网络传输到3D打印制造设备。3D打印制造设备配置了打印程序设计软件，即设计成型加工的方法，包括支撑设计、成型摆放角度、成型零件数量等。

该风扇的3D打印设备，是西安交大SPS-600激光快速成型机，采用SLA激光立体光刻技术（Stereolithography）。该机输出功率450～480毫瓦，到达液面功率360毫瓦。加工层厚0.1～0.4mm，最小扫描速度20mm/S，最大扫描速度15000mm/S。最大成形尺寸为：600mm×600mm×500mm。精度：±0.1mm。如图（七）示。

2.4.1 3D打印制造过程

（1）数据准备。包括CAD三维模型的设计、STL数据的转换、制作方向的选择、分层切片以及支撑编辑，完成制造数据的准备。

（2）快速成型制作。快速成型制作是将制造数据传输到成型机中，快速成型出零件的过程，它是快速成型技术的核心。如图（八）示。

（3）后处理。将整个成型后的零件从成型机取出后，进行清洗、支撑去除、后固化、修补、打磨、表面喷漆等，以便获得一个表面质量与机械性能更优的零件。如图（九）示。

2.4.2 SLA 快速成型加工工艺参数设定

2.4.3 快速成型技术与传统切削方法比较

2.4.4 3D打印制造质量控制关键点

（1）控制变形。成型零件的变形一般发生在零件的悬臂区域、基础底面。通过优化制作方向，使原型制作时易发生变形的面积最小，可有效地消除制作过程中的零件收缩变形。还可以在制作过程中，给零件易发生变形的悬臂区域、基础底面添加支撑数量，可以约束收缩引起的变形，提高成型精度。

（2）降低阶梯效应。产生阶梯效应（又称“锯齿现象”）的因素有模型面片的倾角与层片高度。在模型数据处理时，首先应优化制作方向，使模型的各面片在该方向的台阶效应的面积和为最小。

（3）优化分层厚度。分层厚度对成型件表面质量的影响较大，分层厚度越大，成型过程产生的“锯齿现象”越严重，误差也越大，减小分层厚度可以提高成型表面质量。但是，如果继续减小分层厚度，则表面质量又开始下降。因此，必须在保证成型件必要强度的前提下，选择适合的分层厚度，使成型件的表面质量达到最佳。

3、结束语

逆向工程与3D打印制造技术的集成应用，通过系列硬件设备和应用软件构建了一个快速产品开发系统。这种快速设计系统缩短了产品的设计开发周期，加快了产品的造型和系列化的设计，降低了新产品开发的成本与风险，很适合单件、小批量的零件制造。可以预见，随着数字化设计和制造技术的不断发展，逆向工程与3D打印制造技术将愈加成熟，应用将愈加广泛，对一个企业乃至一个国家的产品开发与创新能力的提升将产生更加深远的影响。