王 琛

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

随着智能制造技术的迅猛发展，逆向设计、3D打印技术的应用也越来越成熟[1]。逆向设计和3D打印分别是复制产品原型和制造产品原型的快捷技术[2]。面向产品创新的逆向设计是“认识原型、分析原型、重构原型、超越原型”的过程，逆向设计后的产品创新设计和快速成型制造是产品设计开发的新方向。将逆向设计技术和3D打印技术相结合，应用于中国古典家具模型的设计与开发是面向产品创新的逆向设计在家具方向的尝试[3-4]。中国古典家具模型既包含了三维数据模型，又包含了快速成型制作的实物模型[5]。中国古典家具模型的开发，有益于古典家具经典器型三维数据的复制和留样，并通过对家具经典器型的再设计，在产品原型的基础上进行改进和创新产品原型，实现对传统家具经典器型的现代传承设计，以及对传统家具文化的现代弘扬。本文以经典圈椅模型为实例，对逆向设计和3D打印技术在中国古典家具模型开发中的应用进行了探究。

1 逆向设计技术

逆向设计技术是图形处理技术、数据处理技术、测量技术和加工技术相结合的技术[6]。近年来，逆向设计技术在各类产品的设计开发中得到越来越多的应用[7]。逆向设计是将三维扫描设备获取的实物样件表面或内腔的三维点云数据，输入至封装软件和逆向设计软件中进行三维重构，复现出实物样件的三维实体数据，并可在此基础上进行原型修改和再设计的过程[8]。逆向设计流程为：①产品表面数据采集；②数据处理；③三维模型重建。

1.1 产品表面数据采集

产品表面数据采集是指通过特定的测量设备和方法，将物体表面的形状数据转化为空间坐标点，从而得到逆向建模参考数据的过程。产品表面数据采集是逆向设计的第一步，表面数据采集的质量决定了逆向设计产品的质量[9]。表面数据采集方法分为接触式和非接触式两大类，通常情况下，产品设计开发中常用的是基于激光三角测距原理的非接触式数据采集方法。

1.2 数据处理

在逆向重建产品的三维模型之前，需要对由产品表面数据采集而来的空间坐标点数据进行格式转换、噪声滤除、平滑对齐、插值补点等数据处理，用于对数据采集得到复杂点云模型进行精简[10]。将复杂点云数据进行精简后，还需对采集数据的几何属性进行分割处理，采用匹配几何特征的方法获取并重建原型件具有的设计特征和加工特征，以此完成点云数据处理过程。

1.3 三维模型重建

三维模型重建过程是在数据处理过程完成后，根据处理好的数据各面片的特征分别进行曲面拟合[11]。并在拟合后的各面片间拼接、求交和匹配，使之成为光滑连续的曲面，从而获得原型件三维模型的过程。此三维模型可以直接对接应用3D打印技术进行模型制造，共同构成逆向设计与制造一体的闭环反馈系统。

2 3D打印技术

3D打印技术又称增材制造技术，是通过加热熔融、激光烧结或紫外固化等方式将原材料分层堆积直至模型整体成型的过程[12]。主要包含以下几种工艺：光固化工艺、选择性激光烧结工艺、熔融沉积制造工艺等。其突出特点在于可以实现模型的一体化成型，完成从任意形状的三维模型到实物的制造过程。同时，3D打印可以快速、灵活、低成本生产出小批量的产品，具有很多现有制造技术无法比拟的优势。3D打印工艺流程为：①前处理过程；②快速成型过程；③后处理过程。

2.1 前处理过程

3D打印前处理过程即三维模型数据切片处理过程[13]。将逆向设计好的三维模型数据导入至3D打印切片处理软件中，进行三维模型的切片处理，生成三维模型的加工数据。切片处理过程主要包括导入模型、摆放模型、设置打印参数、导出加工数据等步骤。每个步骤的参数选择和位置调整需要依据实际工艺类型进行设置。

2.2 快速成型过程

快速成型过程为3D打印流程中自动化程度最高的过程，整个过程都由加工数据驱动3D打印设备完成[14-16]。快速成型机在加工数据的驱动下按所选特定工艺将3D打印原材料层层堆积成实体模型，此过程便为快速成型过程。快速成型过程中需要实时监测设备运行和模型打印状态，出现模型打印错误或设备运行故障时，需及时终止打印过程，重新调整并打印模型。

2.3 后处理过程

后处理过程是3D打印工艺流程的最后步骤。其目的是去除模型表面与模型粘连在一起的支撑结构。通常采用的方法有机械法、水溶法、失蜡法等。具体方法的选用需要根据3D打印工艺的不同进行选择[17]。拆除熔融沉积工艺模型表面的支撑结构选用机械拆除的方法；拆除立体光固化工艺模型表面的支撑结构根据支撑材料的不同可选用水溶法或失蜡法，当支撑材料为水溶性材料时选用水溶法，当支撑材料为石蜡时选用失蜡法。

3 逆向设计和3D打印圈椅模型实例

本文选用的逆向设计和3D打印实例为明式圈椅模型，模型是按比例(1∶8)缩小的明式圈椅摆件，材料属性为红棕色木质材料。通过对明式圈椅模型进行逆向设计和3D打印操作实践，探讨逆向设计和3D打印在中国古典家具模型开发中应用的可行性与实际效果。

3.1 逆向设计过程

(1)选用明式圈椅模型的材料属性为红棕色木质材料，在不喷粉的状态下很难进行非接触式三维扫描，所以需要在模型表面喷涂一层白色的显像剂。在喷粉时，喷粉距离约为400 mm，在满足扫描要求的前提下尽可能薄且均匀。若显像剂喷涂过多，不仅会在物体表面形成痕迹，更会造成物体表面厚度增加，影响扫描精度。

(2)在圈椅模型表面贴标识点，实现多次扫描后模型三维数据的坐标系统一。粘贴标志点时需要注意以下几点：①标志点不要粘贴在一条直线上；②过渡区域公共标志点数量至少4个；③尽量v型或w型式样粘贴标志点[18-20]。

(3)采用非接触式(手持式)激光三维扫描仪(型号：微深-400)对明式圈椅摆件进行三维扫描，扫描前需要对扫描仪进行精度校准，使用与扫描仪型号对应的标定板[21]。对扫描仪位置及参数调整后，进行圈椅模型表面数据的扫描。扫描过程中，需要及时观察扫描数据的完整性，及时调整零件摆放角度，对缺失部位的数据进行有针对的扫描，使数据尽量完整，并最终将扫描数据保存为asc文件输出。

(4)对圈椅asc点云数据进行数据处理，以圈椅模型的椅圈为例，将三维扫描仪扫描的点云数据asc文件导入到Geomagic Wrap软件里进行点云处理，去除体外孤点和杂点，表面光顺后进行封装，保存为stl文件。点云处理如图1所示，模型封装如图2所示。

图1 点云处理

图2 模型封装

(5)将封装好的椅圈stl文件导入Geoagic Design X软件进行逆向设计，主要逆向圈椅各零部件的外观造型。首先创建坐标轴和基准平面，选择基准平面继续创建多个参照平面，对每个参照平面绘制面片草图，在面片草图与参考平面相交形成的轮廓线上进行圆拟合。拟合好一系列圆后，使用模型命令下的放样功能，对封闭轮廓新建放样实体，最终完成椅圈的逆向设计，如图3所示。

图3 逆向设计

(6)逆向设计的文件同步至UG软件里进行榫卯结构设计，主要应用UG软件的实体建模和装配设计模块，如图4所示。

图4 榫卯结构设计

(7)应用上述方法，完成圈椅其余各零部件的逆向设计与结构设计，如图5所示。最终完成32个零部件设计，导出各零部件的stl文件。

图5 各零部件的逆向设计

3.2 3D打印过程

(1)将stl文件导入fotus 450快速成型设备中，导入时需要将单个构件分开导入，以便检查导入过程中模型是否出现缺陷，发现缺陷后可以重新导入模型或重新导出stl文件再导入模型。

(2)导入模型后，对模型大小进行设置。本次制作过程中，明式圈椅模型与实物的比例设置为1∶8。该比例下模型尺寸刚好适宜，不需要进行拆分，所有构件均可一次成型。如果模型和实物比例变大可能超过成型设备的工作区域时，需要通过拆分或者多次成型的方法进行调整。

(3)设置模型大小完成后，需要在工作平面内布置模型。将各模型构件均匀布置在工作平面内，遵循以下两个原则：①布置模型时应充分利用成型平台的空间，尽可能多地排布模型。因为在同一成型平面内，模型布置的数量和方向对成型时间影响很小。充分利用成型平台的空间，既可以提高成型效率，又能节省成型时间。②空间上进行模型布置时应尽量降低成型高度，增大支撑面的投影面积，做到节省成型时间的同时节省支撑用材，使成型过程更加合理。

(4)fotus 450快速成型设备中使用的是PLA材质的丝状线材。由于该种丝状线材没有与木质材料相近的颜色，本次制作中材料的颜色选取品红色。

(5)设置fotus 450快速成型设备的参数，根据正交试验一得到的最优工艺参数组合，设置加工层厚为0.1 mm，材料挤出速度为50 mm/min，该参数组合可以提高成型表面的质量。根据正交试验二得到的最优工艺参数组合，设置填充率和成型壁厚。对于有一定厚度的长方体或圆柱体，填充率设置为99%，成型壁厚设置为0.9 mm。对于长方体薄片或曲面薄片，需要针对特定模型尺寸进行设置，因为薄片模型的壁厚和填充率与自身尺寸相关，一般默认由系统进行设置。

(6)参数设置完成后，快速成型控制软件自动切片，生成代码，并开始加工。加工过程中，需要观察各模型构件是否出现变形问题，如翘曲、裂纹等。如果出现问题应立即暂停加工，解决问题后继续加工或者重新开始加工过程。

(7)模型加工完成后，需要进行后处理工艺。后处理工艺的第一步是去除支撑材料，通过手工剥离的方法，但去除支撑过程中容易产生毛刺和凹槽。优化方案为通过后续处理来提高模型的表面质量。

(8)后续处理使用的是机械方法，通过手工进行打磨抛光。打磨抛光的目的是去除模型表面的毛刺或凹槽，使模型表面达到光亮平整的效果。主要使用的工具为砂纸、纱绸布、羊绒轮等。后续处理完成后，明式圈椅模型制作完成。明式圈椅模型的零件拆卸如图6所示，装配效果如图7所示。

图6 明式圈椅模型零件拆卸

图7 明式圈椅模型装配效果

4 小结

随着智能制造技术的迅猛发展，逆向设计、3D打印技术的应用也越来越广泛。逆向设计后的产品创新设计和快速成型制造是产品设计开发的新方向。将逆向设计技术和3D打印技术相结合，应用于中国古典家具模型的设计与开发是面向产品创新逆向设计在家具方向的尝试。本文以明式圈椅模型为实例，对明式圈椅模型进行逆向设计和3D打印操作实践，探讨逆向设计和3D打印在中国古典家具模型开发中应用的可行性与实际效果，以期为逆向设计和3D打印在中国古典家具模型的开发应用提供实际操作经验和指导。中国古典家具模型的开发，有益于对中国古典家具经典器型三维数据的复制和留样，实现对传统家具经典器型的现代传承设计，以及对传统家具文化的现代弘扬。