逆向工程与快速成型技术应用 第3版 课件 陈雪芳 项目三 三维数模重构；项目四 快速成型技术认知

项目三数据处理及数模重构能力目标知识要点掌握GeomagicStudio逆向建模基本流程软件的工作流程、主要功能、基本操作掌握点阶段技术命令注册、合并、减少噪音、采样、封装、联合点对象、选择并删除体外孤点等掌握多边形阶段的技术命令填充孔、简化、砂纸、修复、减少噪音、创建边界、编辑边界、拟合孔、创建流形、网格医生等掌握曲面阶段的技术命令自动曲面化、探测轮廓线、细分/延伸轮廓线、构造曲面片、升级/约束轮廓线、移动面板、松弛面板、构造格栅、拟合曲面等学习目标了解GeomagicStudio2012软件处理数据的基本流程，掌握各阶段的主要功能及操作指令，完成扫描数据的处理和数模的重构。任务一了解GeomagicStudio软件任务二储蓄罐的数据处理及曲面重构任务三凸台的数据处理及曲面重构任务五

车灯灯罩的数据处理及曲面重构任务拓展

风扇的逆向造型主要内容任务四自行车挡泥板的曲面重构GeomagicStudio由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地从扫描所得的点云数据，创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件任务一了解GeomagicStudio软件工作流程扫描对齐扫描整理噪音减小采样基于曲率的孔填充多边形编辑边界修补特征构建特征识别特征线选取边界构建面片组织目标组合扫描光滑数据目标光滑曲面整理边界目标规则化形状调整3D扫描点阶段多边形阶段形状/Fashion阶段CAD/CAM/CAE三阶段法1GeomagicStudio模块简介基础模块点处理模块多边形处理模块形状模块Fashion模块参数转换模块将定义的曲面数据发送到其他CAD软件中进行参数化修改定义曲面特征类型、探测轮廓线、创建NURBS曲面拟合曲面、探测轮廓线、构建曲面片、构造栅格、松弛等表面光顺、细化、简化、加厚、抽壳、浮雕、创建边界等对导入的数据进行预处理，删除噪点、采样、合并、封装提供基础的操作环境，包括文件保存、显示控制、数据结构六大模块视图名称工具条视窗坐标轴指示器计时器时钟覆盖状态文本管理器面板菜单栏

三、GeomagicStudio基本操作MB3：子菜单

MB3

+Ctrl：旋转

MB3

+Alt：移动

MB3

+Shift：放大或缩小滚轮：缩放MB2：旋转MB2

+Ctrl：激活多个对象

MB2

+Alt：平移

MB2

+Shift+Ctrl

：移动模型MB1：选择

MB1+Ctrl：放弃选择MB1+Alt：调整光源的入射角度和亮度MB1+Shift：设置激活模型鼠标控制基本操作实例

管理器面板——模型管理器

管理器面板——显示管理器

选择工具

任务二储蓄罐的数据处理及曲面重构【任务要求】对项目二任务二提供的储蓄罐扫描数据点云进行数据处理，获得符合原模型特征的曲面模型。

【任务分析】由于储蓄罐为工艺品，外形特征较多，对其所重构模型的精度要求不高，因此，可通过GeomagicStudio软件点阶段、多边形阶段的数据处理，在获得多边形模型的基础上，通过精确曲面的自动曲面化完成模型重构即可。

对每一个单片点数据进行除噪利用选择工具手动删除选择非连接项（删除）选择体外孤点（删除）对位置不匹配的数据进行对准注册手动注册在两点云数据上选择相同的特征点进行注册全球注册把位置基本匹配的数据，进行全局性配合，适用于多点配合一、点阶段的处理目的：GeomagicStudio点阶段是从硬件设备获得点云后进行一系列的技术处理，在保留几何形状的同时，用各种取样命令来降低点数，从而得到一个完整而理想的点云数据。合并

合并多片点云，可以自动消除层差，但对于壁厚很小很薄的数据会据两片数据默认成为一片数据，如果遇到这种情况，应该先将两片点分开进行单片封装后，再进行相加。封装对单片点云进行三角面片化

合并、封装完成点云向三角面片的转化，这时就可能导出*.stl等多边形格式的文件了。但一个完好的三角面片还需要进行其它的处理工作。扫描数据（有序点云数据）注册合并1.手动注册点云【对齐】→注册模式：“1点注册”“n点注册”，注册的点可以是物体上本身的特征点，也可以是加的标记点注意：当使用“1点注册”时，接近的方位很重要，否则不能正确工作。尽量选择好的点是对齐的关键，以使他们几乎正确地在零件的相同位置。如果选的点不理想，可以单节Ctrl+Z组合键来撤销上一次选择2.全局注册对手动注册后的点云进行一次全面的、整体的位置调整【对齐】→【】全局注册对话框有两个工作模块：注册模块：用于数据全局注册时的偏差控制，对之前注册的两个或两个以上对象进行重定位分析模块：用于分析被注册对象的偏差指标3.合并数据（【点】→）该命令用于合并两个或两个以上的点云数据为一个整体，并且自动执行点云减噪、统一采样、封装、生成可视化的多边形模型，多用于注册完毕之后的多块点云之间的合并。二、多边形阶段处理技术

目的：多边形阶段是在点云数据合并或封装后进行一系列的技术处理，从而得到一个完整的理想的多边形数据模型，为多边形高级阶段的处理以及曲面的拟合打下基础。多边形阶段基本操作流程补充模型缺失的数据模型表面光顺

光滑边界拟合、提取特征修复数据模型网格医生、创建流型等命令填充孔（全部填充、部分填充）去除特征、删除钉状物、减少噪音、砂纸打磨、松弛多边形、光滑表面等命令编辑边界、松弛边界、平面截面、投影边界到平面等填充孔用于多边形阶段由于数据基本点稀疏所造成的空缺，此功能还能探测空洞、构造多边形网格、修补周边区域。孔的填充方法有三种：（1）填充完整孔：该方法用于填充由完整的封闭边界线形成的孔（2）填充边界孔：该方法用于填充部分孔（边界缺口或圆周孔的一部分）（3）生成桥填充：该方法可以通过生成跨越孔的桥梁从而将长窄孔分割成多个孔并分别填充。可以直接填充悬空部分的区域，不需指定边界，只需指定桥的两个端点或两条边即可简化多边形——该命令用于在不妨碍表面细节和颜色的前提下减少三角形数量，在数据量比较大时该命令尤为重要。注意（1）简化时选中“基于曲率优先”复选框，这样能保证简化后，模型的特征与原型保持一致，防止变形（2）简化程度不要太大，防止模型失真变形表面光顺的处理：减噪处理

(ReduceNoise)——可以使数据平滑，降低模型的这些偏差点的偏差值，更好地表现真实的物体形状“自由曲面”选项适用于模型表面比较平滑和曲率比较小的平面，如果模型的表面有棱边或者曲率急剧变化的特征，则用“棱柱形(保守)”或“棱柱形(积极)”选项。

“平滑级别”的值越大，模型表面就越平滑，但是如果平滑级别过大，模型的一些小特征就会被忽略。表面光顺的处理：砂子打磨——该命令是用重建多边形网格的方法来去除污点以及用不规则的三角形网格来使表面更加平滑，使三角形网格更加整齐去除特征——用于删除模型中不规则的三角形区域，插入一个更有秩序且与周边三角形连接更好的多边形网格。松弛多边形——用于调整选定三角形的抗皱夹角，使三角形网格更加平坦和光滑。边界处理编辑边界——用于通过重建多边形网格来使锯齿状或不规则自然边界变得平滑。通过直接输入控制点个数和张力大小来使边界变得顺滑。松弛边界——用于通过重建多边形网格来放松锯齿状或不规则自然边界，使边界变得更加平滑。通过设置迭代次数，迭代的次数越多边界越光滑平面截面——用于用构造的平面来截取不规则曲线围成的边界，从而生成规则的平面边界构建精确曲面的主要步骤曲面划分-构造轮廓线（探测曲率/轮廓线）构建四边曲面片构建格栅构建NURBS曲面三、曲面阶段——精确曲面构建三、曲面阶段

——精确曲面构建★【精确曲面】→【自动造面】【精确曲面】→【开始】→【精确曲面】在Geomagic软件有自动和手动两种做法：任务三

凸台的数据处理及曲面重构【任务要求】利用GeomagicStudio软件，对所提供的凸台扫描数据点云进行数据处理，获得符合原模型特征的曲面模型。【任务分析】本任务的原始数据是对齐的多片无序点云，有别于任务二的数据点云。本凸台是比较典型的零部件，具有比较明显的特征。因此，在每个阶段的数据处理时，要注意对特征的保留。

封装凸台点云数据凸台模型管理器一、点阶段处理选择非连接项点：该命令选择那些偏离主点云的点束，选择后，执行删除命令去除所有非连接项参数设置：【分隔】这个菜单有低、中间、高三个选项，由低到高排列，表示点束距离主点云多远并选中，一般选择为低。【大小】决定了多大点束能被选中。 例如，设置为5.0即表示所要选的云数量是点云总量的5％或更少，并分离这些点束。非连接项点容易辨别，也可以用工具栏的选择图标来选择，通过手动删除选择体外孤点体外孤点是指模型中偏离主点云距离比较大的点云数据，通常是由于扫描过程在不可避免地扫到背景物体，如桌面、墙、支撑结构等物体，必须删除。“敏感性”的值选择越大捕捉到的体外孤点就越多。封装–创建一个多边形的物体该命令将围绕点云进行封装计算，使点云数据转换为多边形模型(1)【多边形】→【修补】→【网格医生】；(2)【多边形】→【填充孔】→【填充单个孔】；(3)【多边形】→【平滑】→【删除钉状物】；(4)【多边形】→【平滑】→【减少噪音】；(5)【多边形】→【边界】→【移动】→【投影边界到平面】；(6)【多边形】→【修补】→【简化】；(7)【多边形】→【修补】→【流形】→【开流形】。二、多边形阶段处理手动构建NURBS曲面的主要步骤三、曲面阶段处理探测轮廓线延伸轮廓线构建曲面片构建格栅拟合曲面

用到的主要命令【轮廓线】——探测轮廓线【轮廓线】——细分/延伸轮廓线【曲面片】——构建曲面片【轮廓线】——升级/约束轮廓线【曲面片】——移动——面板（编辑轮廓线、重新分布曲面片）【曲面片】——松弛曲面片【曲面片】——编辑曲面片【格栅】——构建格栅【格栅】——编辑格栅【NURBS】——拟合曲面探测曲率升级/约束轮廓线构建曲面片移动面板编辑曲面片松弛曲面片轮廓线构建格栅拟合曲面

任务四自行车挡泥板曲面重构用到的主要命令【轮廓线】——探测——探测曲率【轮廓线】——升级/约束【曲面片】——构建曲面片【曲面片】——移动——面板【轮廓线】——拟合轮廓线【曲面片】——编辑曲面片【轮廓线】——松弛所有轮廓线【曲面片】——松弛曲面片——直线【格栅】——构建格栅【NURBS】——拟合曲面任务五

车灯灯罩的数据处理及曲面重构【任务要求】使用GeomagicStudio软件所提供的指令，完成灯罩扫描数据的处理。通过完成该任务，熟悉多边形阶段、曲面阶段数据处理的主要指令及流程，重点掌握轮廓线探测及编辑、区域的分类和编辑、曲面的拟合和编辑、连接部分的拟合、分类和编辑、偏差分析、修复曲面、裁剪并缝合等主要数据处理新指令。【任务分析】灯罩是比较典型的零部件，所构建的曲面不仅要求光滑，而且要满足实际生产工艺。因此，需采用参数曲面的模块指令来构建曲面，使每个曲面片都符合设计和工艺要求。用到的主要技术命令：

(1)【多边形】→【裁剪】→【用曲线裁剪】；

(2)【多边形】→【裁剪】→【用平面裁剪】；

(3)【多边形】→【去除特征】；

(4)【多边形】→【填充孔】；

(5)【多边形】→【网格医生】；

(6)【多边形】→【松弛多边形】；

(7)【多边形】→【简化】。

(8)【参数曲面】→【参数曲面】。裁剪，删除掉多余的数据填补缺失的数据处理多边形表面，使数据更光滑均匀数据减少思路一、多边形面阶段处理技术二、曲面阶段处理技术区域探测编辑，并进行区域分类主曲面拟合及编辑

连接拟合分类并编辑修复曲面、偏差分析裁剪并缝合，生成CAD格式的模型数据项目四快速成型技术的认知

任务一认识快速成型技术任务二了解快速成型的典型工艺任务三了解快速成型技术的应用任务四

了解快速成型技术的发展趋势快速成型（RapidPrototype，简称RP)又称快速原型“增材制造”（additivemanufacturing，AM)“材料累加制造”(materialincresemanufacturing)“分层制造”(layeredmanufacturing，LM)“实体自由制造”(solidfree－formfabrication)

“3D打印”(3Dprinting)等开始，3D打印本是特指一种采用喷墨打印头的快速成型技术，演变至今，3D打印成了所有快速成型技术的通俗叫法。任务一认识快速成型技术物体成型方式有四种基本去除成形受迫成形堆积成形生长成形一、

成型的分类去除成型：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、电火花加工、激光切割等都属于去除成型。是目前最主要的成型方式。受迫成型：利用材料的可成型性在特定的外界约束（边界约束或外力约束）下成型。传统的锻压、铸造、粉末冶金等成型方式。

现代的冲压成型、注塑成型等成型方式堆积成型：把材料（液、固相）有序地堆积起来的成型。快速成型属于堆积成型（先离散再堆积）近净成型工艺。生长成型：利用材料的活性进行成型的方法。自然界中的生物（植物、动物）个体发育均属于生长成型。这是最高层次的成型方法。

快速成型基于离散/堆积的思想，将一个物理实体复杂的三维加工，离散成一系列二维层片,然后逐点、逐面进行材料的堆积成型。

是一种降维制造或者称增材制造技术。二、

快速成型技术的原理CAD模型STL模型数据转换模型分层生成支撑和加工路径快速原型后处理

快速成型的过程堆积成型快速成型包括了前处理、堆积成型、后处理三个阶段前处理三、

快速成型技术的特点1）可以制造任意复杂的三维几何实体。离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加2）快速原型产品单价与原型的复杂程度和原型的数量均无关

产品单价产品单价传统方法传统方法RPRP复杂程度制造数量3）高度柔性。成型过程无需专用工具或夹具，通过对CAD模型的修改重组就可获得新零件的设计和加工信息

。4）快速性。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕，只需几十分钟至几十小时5）成形过程中信息过程和材料过程的一体化，尤其适合成形材料为非均质的原型。6）良好的经济效益。（降低小批量产品的周期、减少零件的数量）7）技术的高度集成。集成了CAD、CNC、激光、材料等技术。（对设计约束越来越小、零件制造技能低、与反求工程（RE）实现精确复制）熔融沉积制造(FDM)光固化成型（SLA）分层实体制造(LOM)三维印刷(3DP)BasicRPTechnologies选择性激光烧结(SLS)任务二了解快速成型的典型工艺

利用紫外光照射在液态的光敏树脂使其凝固的原理进行工作的。由计算机控制激光束以模型各分层截面轮廓为轨迹逐点扫描,使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成制件的一个薄层截面。每固化一层，

工作台就下降一精确的距离，在刚刚固化的树脂表面布放一层新的树脂以便进行在前一层已固化的树脂上，直到形成零件实体。

1.立体印刷成型SLA用SLA成型的零件零件支撑平板优点1)尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。2)成型过程自动化程度高。SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。3）表面质量较好。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。4）可以制作结构十分复杂的模型。5）可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。

缺点1）尺寸稳定性差。2）需要设计工件的支撑结构，否则会引起成型件变形。3）设备运转及维护成本较高。4）可使用的材料种类较少。5）液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护6）需要二次固化。7）液态树脂一般较脆、易断裂，不便进行机加工。

LOM方法采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。通过加热的滚筒纸使纸张一层层粘在一起。每粘一层由激光按照零件形状将纸切断，最后由每一层叠起来的纸张形成零件

2.分层实体制造(LOM)

用LOM成型的零件零件去除的材料切成小方格便于剥离

优点1）成型速度较快,因而常用于加工内部结构简单的大型零件。2）原型精度高，翘曲变形较小。3）制件能承受高达200°C的温度，有较高的硬度和较好的力学性能。4）可进行切削加工。5）无需后固化处理。6）无须设计和制作支撑结构。7）废料易剥离。8）可制作尺寸大的制件。9）原材料价格便宜，原型制作成本低缺点1）不能直接制作塑料工件。2）工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好。3)工件易吸湿膨胀。因此，成型后应尽快进行表面防潮处理（树脂、防潮漆涂覆等）。4)工件表面有台阶纹理，难以构建形状精细、多曲面的零件

利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

3.选择性激光烧结(SLS)

用SLS成型的零件在内腔和孔未烧结的粉末作为支撑非常容易移除优点1）可以采用多种材料（包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等）。2）过程与零件复杂程度无关，制件的强度高。3）材料利用率高，未烧结的粉末可重复使用，材料无浪费。4）无需支撑结构。5）与其他工艺相比，能生产较硬的模具。缺点1）成型件结构疏松、多孔，且有内应力，制件易变形。2）生成陶瓷、金属制件的后处理较难。3）需要预热和冷却，后处理麻烦。4）成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。5）成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境

丝材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，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。

4.熔融挤出成型（FDM/MEM）

4.熔融挤出成型（FDM/MEM）

优点1）成本低(设备费用低；原材料便宜）的3）原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。4）可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。6）用蜡成型的原型零件，可直接用于熔模铸造。

缺点1）成型件的表面有较明显的条纹。2）沿成型轴垂直方向的强度比较弱。3）需要设计与制作支撑结构。4）需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。5）支撑去除比较麻烦（如采用水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行

材料的类型及固化方式，3D可分为：粉末材料三维喷涂粘结成型熔融材料喷墨三维成型5.三维印刷(3DP)

与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。

5.三维印刷

——粉末材料三维喷涂粘结成型三维喷涂粘结成型特点1）成形速度快，成形材料价格低，适合做桌面型的快速成形设备；2）在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一；3）成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。但成形件的强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。

5.三维印刷

——喷墨式三维打印快速成型原理为：工作台做垂直运动，喷头在XY平面移动，在成型截面上根据当前层的轮廓精确位置，喷头迅速地喷射出一层极薄的光敏树脂，同时喷头架上的紫外光灯发射相应波长的紫外光，用以快速固化和硬化当前层的光敏树脂喷墨式三维打印快速特点（1）质量高：层厚16um～28um，高的分辨率可以确保获得流畅、精确而且非常完美的部件与模型。（2）精确度高：精密喷射与构建材料性能可保证细节精细与薄壁。（3）清洁：适合于办公室环境，采用非接触树脂载入/卸载，容易清除支持材料，容易更换喷射头。（4）快捷：多个喷嘴在全宽度上的高速光栅构建，可实现快速的流程，并且无需事后凝固。（5）多用途：材料品种多样

成型过程中使用2种不同的树脂材料：（1）用来制作最终完成形体结构的模型材料；（2）为易水解的支撑材料。支撑材料通过水冲洗即可与主体部分分离，后处理十分简易、便捷。可打印装配件一、概念模型的可视化、设计评价二、结构设计验证与装配效验三、功能性零件的直接制造四、破损件的修复任务三了解快速成型技术的应用应用一概念模型的可视化、设计评价工业缝纫机消费品应用二：结构设计验证与装配效验外形功能装配干涉检验设计合理性验证