逆向工程与3D打印技术在文物保护中的应用*

2022-10-09梁土珍

机电工程技术 2022年9期

梁土珍

（广州市机电技师学院，广州 510435）

0 引言

逆向工程也称为反求工程，是对模型进行三维数据获取、数据预处理、曲面重构、产品优化等整个工作过程[1]。逆向工程技术是一种非常高效率的产品设计方法，可以快速、精确地获得产品实物的三维数据及模型数据，从而为产品提供先进的开发设计及制造技术支撑，它改变了传统产品设计开发模式，大大缩短了产品开发的周期，提高产品研发的成功率。目前逆向工程技术在各个领域中发挥着非常重要作用，而且被广泛应用于航空航天、模具、医疗、家电、文物遗产等行业中。Geomagic软件和UG软件是现在做设计的主流软件，目前很多企业做产品研究、设计、加工都在用这些软件，特别是在逆向设计方面，因为软件功能强大，设计方便，大大为企业降低了设计成本。3D 打印也称增材制造，是根据设计好的三维模型数据进行加工，应用非常广泛，张晓青等[2]从三维激光扫描和建模的相关技术等方面研究了3D 打印在文物重建中的应用；3D 打印技术的优势在于成模速度快，模型还原精度高，可以和扫描无缝对接。所有说逆向工程技术与3D 打印技术是相辅相成的关系，逆向工程技术的应用可以获得3D 打印的模型，3D 打印又可以验证逆向工程技术的效果。二者是相互促进、相互协调的关系[3]。

一次“第一次全国劳动大会旧址”进行了一系列修缮工作，发现当年的照明设施灯罩出现破损现象，由于此灯罩年代已久，市面上无法购置更换，给修缮工作造成了巨大困难。文物是国家宝贵的历史财富，对历史研究、科学指导等方面具有十分重要的意义[4]，随着时间的推移，这些文物受本身、环境、人员等因素的影响，文物会出现破损或者损坏的情况。为了解决此困难，本文以破损的灯罩为例，详细介绍利用逆向工程技术修复破损的灯罩，解决了传统文物数字化信息留存、精准复原、没有数模等难题，用3D 打印技术加工灯罩来验证修复的效果，为后续加工做好铺垫。

1 基本工艺流程

利用逆向工程技术和3D 打印技术相结合的方式助力文物数字化及复原领域是发展的趋势，此步骤是使用手持式激光扫描仪采集实物数据，得到实物的三维点云数据，通过Geomagic、UG 等软件将采集完成的三维点云数据进行处理，将得到一个三维实体模型，再通过3D 打印设备进行加工。本次灯罩修复的工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

2 数据采集

数据采集是第一步，也是最基础的，其精准程度将影响后期的数据处理[5]。实物三维坐标的数据采集主要分接触式和非接触式两种采集方法[6]，本次灯罩数据采集是非接触式，非接触式测量可以获取被测物体表面数据，有效地避免了文物数字化过程中对文物造成接触式损害。使用的设备是BYSCAN750系列手持式激光扫描仪，优点是手持式激光扫描仪工作时采用多条线束激光来获取物体表面的三维点云，操作者将设备握在手上，实时调整仪器与被测物体之间的距离和角度，操作灵活方便；在扫描大体积物体时，可以配合全局摄影测量系统，消除累计误差，提高全局扫描的精度；该扫描仪可以方便携带到工业现场或者生产车间，并根据被扫描物体的大小、形状以及扫描的工况环境进行高效精确的扫描；精度最高达0.03 mm，保证获取精准的三维测量数据，被扫描物体可以移动，无需固定，具有快速扫描模式和深孔死角扫描模式，两种模式可以快速切换，其中多束交叉线激光扫描，扫描速度快，单束独立工作线激光，可扫描各种深孔和死角。

由于灯罩是白色的，没有透明高光，根据手持式激光扫描仪设备特点，不需要对灯罩喷显像剂，直接粘贴标志点就可以扫描。粘贴标志点的时候要注意贴在物体表面上的平坦区域，与曲面每边边缘的距离保持在12 mm 左右，两两相邻标志点的最小距离应保持在20～100 mm 之间，不要人为的将标志点分组排列，标志点尽量不要贴在一条直线上。图2 所示为灯罩粘贴完成的标志点。

图2 灯罩粘贴标志点

手持式激光扫描仪扫描灯罩，通过扫描仪设备和扫描软件相结合采集数据。由于灯罩是一个非常复杂的曲面，形状非常奇异，所以在扫描的时候，为了方便、快速完成灯罩的数据采集，在一个辅助台上贴上标志点，辅助台上贴上标志点的目的是为了不同角度扫描的时候更好地过渡扫描，提高扫描速度，然后再把灯罩放在上面，使用手持式激光扫描仪不同角度对灯罩进行扫描以获得完整的灯罩点云数据，如图3 所示，灯罩的现场数据采集场景。

图3 灯罩数据采集

3 数据处理

3.1 点云数据处理

点云数据的处理在逆向工程中是非常重要的环节，点云数据的处理直接影响到后面模型修复，曲面重建的质量。扫描系统在采集数据时都不可避免地存在误差，一般会存在数据过于庞大和噪点的情况[7]。首先将灯罩扫描的数据导入到Geomagic软件，由于扫描过程中不可避免地将与灯罩无关的东西扫描到，所以数据中除了有灯罩数据外还有其他杂数据，这需要用软件进行处理。通过去除体外孤点、减少噪声、统一采样、删除等操作，进行一步处理灯罩点数据，然后选择封装指令，将灯罩点云数据封装为多边形模型。

3.2 模型构建

根据灯罩点云数据处理，灯罩的数据还没达到加工要求，首先是缺陷的位置，有一个孔，根据点云数据封装的效果，还没达到要求，所以删除刚封装的缺陷孔数据，然后选择填充孔指令，填充类型要选择曲率，填充方法是填充。图4 所示为灯罩缺陷孔修复前后的效果。

图4 灯罩修复

在逆向工程中，曲面重构是逆向工程中最重要、最繁杂的一环[8]。灯罩曲面的构建：在Geomagic 软件中选择形状阶段，通过探测轮廓线、编辑轮廓线、绘制曲面片布局图、构造曲面片、松弛所有轮廓线、松弛曲面片、编辑曲面、构造格栅等指令，完成灯罩曲面的设计，选择拟合曲面指令，将灯罩所有曲面拟合在一起。然后通过3D 分析，检查Geomagic 软件完成的灯罩和原来灯罩的质量，看是否在所要求的精度范围之内，如果没有则需要对这个CAD 模型进行重构或是修改以使其最终满足精度要求[9]。如图5 所示：灯罩3D 比较分析，可知平均距离为0.011 mm，标准偏差为0.087 mm。根据3D比较图，绝大部分曲面都显示绿色，都在-0.1～+0.1 mm 范围，证明完成灯罩曲面的构建和原来灯罩非常吻合，最后导出灯罩曲面的数据。

图5 3D比较

将Geomagic 软件完成的灯罩数据导入到UG 软件中，灯罩数据还需要进一步处理，因为Geomagic 软件完成的是灯罩外曲面，没有厚度，灯罩口的大小没有规整，而且有些部位灯罩的曲面不光顺。根据灯罩数据，在UG 软件中将一些不光顺的曲面删除，依据缺口边缘线，重新绘制NURBS 曲线，有了曲线后，生成NURBS 曲面，因为NURBS 具有曲面质量好、速度相对较快、算法稳定等特点，在1991 年国际标准化组织（ISO）颁布的工业产品数据交换标准STEP 中，已将NURBS 作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法[10]。根据生成NURBS 曲面的质量，在UG 软件中使用X 成形调整曲面，使生成的曲面光顺、流畅，而且在误差范围内，使用修剪偏体、截面分析、通过曲线组、N 边曲面等指令完成灯罩外表曲面的构建；利用UG 软件中的缝合功能将曲面模型进行缝合[11]。然后根据扫描数据结合量具测量灯罩的壁厚，在UG 软件中使用加厚指令，将灯罩加厚。通过绘制曲线、修剪体、拉伸等指令，将灯罩口的位置进行规整。使用三维软件UG进行逆向建模，Geomagic 软件进行精度分析，完成的数据更加准确[12]。

4 3D打印及测试

为了降低成本，将构建完成的灯罩数据进行3D 打印，使用的是300 型三角洲打印机，此3D 打印机结构上采用了稳定的Kossel 构架，打印速度快，层精度高，易拆装好调平。该打印机在打印一些中小型工件时有不错的速度和质量。该机整合了自动调平模块，可以快速完成平台调平。其工作原理是用加热头把热熔性材料加热到临界状态，呈现半流体性质，在程序控制下，沿二维平面上运动轨迹，喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成预设形状的薄层。当一层打印完毕后，通过垂直升降系统将喷头移动至新层，这样层层堆积粘结，自下而上形成一个完整的三维实体。灯罩3D 打印步骤是利用3D 打印机配套的切片软件，将灯罩进行模型切片，在切片的时候可以对将要打印的模型进行缩放移动等处理，以及根据需要添加打印支撑；设置打印参数，包括打印机设置，切片设置，G 代码设置；对模型进行切片分层，计算打印还原轨迹，生成G 代码，本次灯罩打印需要时间为12 h，层数1 520，需要材料62 860 mm。根据灯罩的颜色，打印所选用的材料也要和原来灯罩相符合，通过SD 卡，将G 代码输入到3D 打印机中，使用SD 卡可以有效地预防了因电脑死机、卡顿所造成的困扰现象。然后调平加工平台开始加工，打印机利用喷头高温熔化原材料跟随轨迹进行逐层堆积的原理将数字化模型复原为实物，图6所示为3D打印灯罩。