使用3D掃描儀和軟件進(jìn)行逆向工程零件

魔猴君  知識(shí)堂   93天前

在沒有示意圖或數(shù)字設(shè)計(jì)文件的情況下重新創(chuàng)建零件或產(chǎn)品曾經(jīng)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在3D掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，逆向工程是通過手工對(duì)物體進(jìn)行精確測(cè)量來制作圖紙的。

如今，這一切都發(fā)生了改變，價(jià)格實(shí)惠的3D掃描技術(shù)、更易于使用的軟件和3D打印機(jī)可以快速生產(chǎn)模型、原型，在許多情況下還可以生產(chǎn)最終零件。

使用3D掃描對(duì)零件進(jìn)行逆向工程在全球工程公司中很常見，例如Sulzer（左）和專業(yè)逆向工程公司，例如Aeroscan（右）。

什么是逆向工程？

從廣義上講，逆向工程是拆解物體以了解其工作原理的行為。從實(shí)踐上講，逆向工程是測(cè)量實(shí)物，然后將其重建為數(shù)字3D模型，然后可以3D打印或以其他方式制造。

在本文中，我們將逐步介紹從物理部件到最終數(shù)字模型的過程，并演示整個(gè)過程中的關(guān)鍵步驟和主要工具選項(xiàng)。

但首先，讓我們看看逆向工程如今有何用途。

逆向工程的應(yīng)用

在一種逆向工程過程中，使用3D掃描儀捕獲全表面3D測(cè)量數(shù)據(jù)，以方便鑄造廠進(jìn)行制模（來源：Capture3D）

重新制造不再生產(chǎn)的備件和工具是逆向工程的明顯用途，但它的用途遠(yuǎn)不止于此。

改進(jìn)舊零件和產(chǎn)品

如今，許多公司仍在使用幾十年前的模具來制造零件，而原始設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)決策已隨著時(shí)間的流逝而消失。借助數(shù)字模型，您可以改進(jìn)舊零件，使其更堅(jiān)固或更輕。也許原始設(shè)計(jì)是在當(dāng)今復(fù)雜的模擬和生成工程軟件出現(xiàn)之前開發(fā)的，這些軟件可以虛擬測(cè)試應(yīng)力響應(yīng)并使用AI提供改進(jìn)。

售后定制

尤其是在汽車行業(yè)，提供完美適合您的新車的產(chǎn)品和配件是一項(xiàng)大生意。為此，制造商需要精確的測(cè)量，而3D掃描是最快的方法。您可能并不總是制造這些模型，但3D打印原型進(jìn)行適合性和組裝測(cè)試是很常見的。

將手工制作的原型數(shù)字化

藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師和汽車制造商仍然用粘土塑造概念，但一旦樣式獲得批準(zhǔn)，就該將這些產(chǎn)品投入生產(chǎn)，從數(shù)字模型開始。掃描和數(shù)字化后，這些模型仍然可以更改并進(jìn)行壓力模擬。

3D掃描可用于創(chuàng)建雕塑模具，以復(fù)制藝術(shù)作品（來源：Shining 3D）

保護(hù)古跡

3D掃描儀已成為世界頂級(jí)博物館的標(biāo)配設(shè)備，用于保護(hù)文化遺產(chǎn)。龐大的數(shù)字圖書館收藏著藝術(shù)和文物的杰作，其中一些以虛擬方式在線展示給廣大觀眾，而另一些則被精心復(fù)制以供展示，從而可以安全地保存原件。

珠寶及藝術(shù)品復(fù)制品

如今，復(fù)制傳家珠寶或紀(jì)念物品變得更容易。掃描原件并縮放到所需尺寸，或掃描到檔案中以防發(fā)生火災(zāi)或丟失。

產(chǎn)品調(diào)查

公司經(jīng)常對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品進(jìn)行逆向工程，以了解其制造過程、發(fā)現(xiàn)其優(yōu)缺點(diǎn)并從其創(chuàng)新中學(xué)習(xí)。當(dāng)然，重新制造產(chǎn)品會(huì)受到版權(quán)、商標(biāo)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的限制。逆向工程還用于調(diào)查事件（例如車禍）是如何發(fā)生的，方法是對(duì)撞車進(jìn)行3D掃描，并將數(shù)字模型與新車的數(shù)字模型進(jìn)行比較。

逆向工程的3個(gè)主要步驟

逆向工程工業(yè)零件提供了改進(jìn)和修改零件的機(jī)會(huì)（來源：Peel 3D）

逆向工程的過程遵循標(biāo)準(zhǔn)的工作流程，根據(jù)所使用的特定工具和期望的結(jié)果，該工作流程可能會(huì)略有不同。一般來說，流程如下：

數(shù)據(jù)采集：收集尺寸數(shù)據(jù)的方法有很多種。目前最常用的方法是3D掃描，我們將在下文詳細(xì)介紹。

數(shù)據(jù)處理：從3D掃描儀獲得的數(shù)據(jù)被處理成數(shù)字模型。原始3D模型通常需要進(jìn)行一些工作來糾正和細(xì)化掃描過程中可能未充分捕獲的某些區(qū)域。

模型構(gòu)建：此處采取的具體操作取決于逆向工程的預(yù)期結(jié)果。如果目標(biāo)只是復(fù)制，那么零件就可以準(zhǔn)備制造了。如果需要修復(fù)和添加，則在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中處理數(shù)字模型。

通過3D掃描獲取數(shù)據(jù)

Scantech的Simscan是一款流行的手掌大小的手持式3D掃描儀，它使用激光來測(cè)量和記錄表面（來源：Scantech）

不同類型的3D掃描技術(shù)使用不同的方法來捕獲數(shù)據(jù)。它們的尺寸和價(jià)格差異很大，從手持設(shè)備到固定的大型系統(tǒng)。每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)掃描對(duì)象的大小和類型進(jìn)行選擇。

逆向工程通常使用基于光學(xué)的3D掃描（使用結(jié)構(gòu)光或激光束）來完成。這些掃描儀使用光和傳感器的三角測(cè)量來收集激光的反射角。有了掃描儀與物體之間的距離，掃描硬件就可以繪制物體表面并記錄點(diǎn)以形成3D掃描。3D掃描可以每秒捕獲零件上數(shù)百萬個(gè)點(diǎn)的精確位置，從而產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。

這些光學(xué)3D掃描儀以精確著稱，分辨率可達(dá)數(shù)十微米。但另一方面，它們的測(cè)量范圍可能僅限于幾米。

使用照片的攝影測(cè)量3D掃描主要用于虛擬顯示的數(shù)字模型，并且通常沒有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向工程（來源：3DF Zephyr）

攝影測(cè)量是另一種3D掃描技術(shù)，將不同角度的照片拼接在一起形成三維物體。該技術(shù)嚴(yán)重依賴軟件，軟件負(fù)責(zé)處理數(shù)百?gòu)堈掌陨?D模型。隨著智能手機(jī)功能越來越強(qiáng)大，攝影測(cè)量變得越來越流行，因?yàn)榕恼蘸吞幚矶伎梢灾苯釉谑种型瓿伞?/span>

雖然這項(xiàng)新技術(shù)非常適合制作數(shù)字彩色3D模型以供在線查看，例如產(chǎn)品圖像，但您從智能手機(jī)應(yīng)用程序獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量不足以進(jìn)行真正的逆向工程，因?yàn)閿?shù)據(jù)量太小，或者您需要在CAD程序中做更多的工作。

逆向工程的數(shù)據(jù)處理

林肯保護(hù)組織掃描的阿賈克斯半身像的線框網(wǎng)格，該組織使用3D掃描技術(shù)精確地?cái)?shù)字化文物和建筑特征的表面幾何形狀（來源：林肯保護(hù)組織）

現(xiàn)在您已經(jīng)選擇了最適合您的應(yīng)用和預(yù)算的掃描儀并掃描了您的物體，下一步是什么？

不幸的是，3D掃描儀收集的是有關(guān)物理對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)；它們不會(huì)創(chuàng)建可直接制造的數(shù)字模型。人們普遍誤以為光學(xué)3D掃描儀輸出的是數(shù)字模型。掃描數(shù)據(jù)和可制造模型之間還有另一個(gè)軟件步驟。

事實(shí)上，流行的CAD程序（例如Autodesk的Fusion 360或Dassault Systèmes的Solidworks）無法直接從3D掃描儀讀取原始數(shù)據(jù)-必須將其轉(zhuǎn)換為這些CAD系統(tǒng)可以識(shí)別和處理的模型。（當(dāng)然，Solidworks有一項(xiàng)名為ScanTo3D的功能，但它僅限于處理低分辨率3D掃描數(shù)據(jù)，不適用于逆向工程。）讓我們解釋一下。

“點(diǎn)云”（原始掃描數(shù)據(jù)）中的點(diǎn)越多，模型就越精確。（見下圖中的牙科掃描點(diǎn)云。）精確的掃描數(shù)據(jù)可以節(jié)省CAD步驟中的大量時(shí)間。低分辨率數(shù)據(jù)可以為您提供要追蹤的大致輪廓，但您基本上是在重新創(chuàng)建零件。另一方面，您的應(yīng)用程序可能不需要所有這些點(diǎn)。

Afanche3D軟件中的牙科掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)（來源：Afanche3D）

位于密歇根州波蒂奇的設(shè)備銷售和3D掃描服務(wù)提供商Laser Abilities的老板邁克·斯普雷(Mike Spray)表示：“總是可以通過減少掃描儀軟件中點(diǎn)之間的間距來減小點(diǎn)云的大小。”

他說，掃描儀附帶的軟件是開始編輯數(shù)據(jù)的第一個(gè)地方。一旦削減了點(diǎn)云，掃描儀軟件就可以將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為模型，或稱為3D網(wǎng)格，它由數(shù)千到數(shù)百萬個(gè)微小的三角形或其他多邊形組成。

軟件使用算法來“解釋”點(diǎn)數(shù)據(jù)，在許多情況下，填補(bǔ)掃描儀未捕獲足夠物體數(shù)據(jù)的空白，例如當(dāng)表面太亮并干擾掃描儀光線時(shí)。這就是軟件供應(yīng)商吹噓其屬性算法和其他“智能”功能的強(qiáng)大之處，這些功能旨在修復(fù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的任何異常?？纯聪旅娴膾呙钄?shù)據(jù)圖和使用3D掃描儀制造商Artec 3D的Artec Studio軟件處理的“清理”模型。

掃描軟件（例如Artic Studio）使用算法和人工智能來清除異常并生成更完整的掃描模型（來源：Artec 3D）

一些3D掃描儀制造商，例如Artec、Evixscan、Faro和Zeiss，已經(jīng)開發(fā)出與其硬件配套的復(fù)雜軟件，雖然這些軟件不能完全取代CAD軟件，但在將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD模型方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。其他掃描儀制造商，例如Evatronix，將解釋步驟留給第三方程序，例如流行的Geomagic。我們將在以下部分介紹所有這些程序。

Spray表示：“從完整或‘水密’網(wǎng)格開始，你可以朝不同的方向發(fā)展。網(wǎng)格可以作為STL文件直接導(dǎo)出到3D打印機(jī)的切片軟件。網(wǎng)格沒有實(shí)際厚度，但可以應(yīng)用于切片機(jī)?！睆倪@里，你只需點(diǎn)擊打印即可。

這種網(wǎng)格到切片的過程用于制作物體的精確物理副本。例如，您可以使用此方法打印用作模型的產(chǎn)品，以測(cè)試其適合另一個(gè)組件。

然而，對(duì)于大多數(shù)逆向工程來說，步驟更多，因?yàn)閽呙璧漠a(chǎn)品可能需要修復(fù)或修改才能制造。根據(jù)數(shù)據(jù)采集的順利程度或掃描儀的精確度，模型可能需要修正、清理、細(xì)化，甚至一些細(xì)微的表面調(diào)整。

例如，為了制造一個(gè)工具，需要根據(jù)制造方法進(jìn)行修改。“如果你采用鑄造或注塑成型，你需要增加拔模斜度，以便零件可以脫模，”Spray說?！耙虼?，你可能希望為零件增加三度或五度的拔模斜度。你的掃描數(shù)據(jù)中不會(huì)包含這些內(nèi)容?！蓖瑯?，一些金屬3D打印方法要求你考慮制造過程中的收縮。

將逆向工程目標(biāo)與軟件相匹配并不總是那么容易。通常，3D掃描儀附帶的軟件就可以了。有時(shí)，在掃描儀和CAD程序之間使用專門為編輯掃描數(shù)據(jù)而創(chuàng)建的程序，可以節(jié)省大量CAD程序時(shí)間。

編譯整理：ALL3DP