逆向工程与快速成型技术_教案_龚海军

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逆向工程及快速成型技术资料

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•一、逆向工程应用
• • 逆向工程的应用相当广泛，有模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学
工程及产品造型等方面。
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• 具体应用：
• （1）在对产品外形的美学有特殊要求的领域 • （2）零件没有技术文件或技术文件不完整时 • （3）设计的产品需要通过实验测试才能定型时 • （4）模具行业 • （5）很难表达的几何形状 • （6）新产品的开发 • （7）文物艺术品的修复 • （8）快速原型制造
• (2)无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形：
• (3)无需加支撑，共建外框与界面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，因此无需加支撑。
• 缺点：
• 材料浪费严重，表面质量差。第30页/共50页
分层实体制造
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• 3. 选择域激光粉末烧结成型是用实用高效率的激光加热，把粉末融化在一起形成零件，该工艺可用于多种塑性塑料的成型，如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类等。
• 优点： • (1)原材料的利用率将近100%。 • (2)尺寸精度高 • (3)表面质量优良 • (4)可以制作结构十分复杂的模型
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• 缺点： • (1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑。 • (2)可使用的材料种类比较少 • (3)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，
• 优点： • (1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成
本低，系统运行安全。 • (2)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形
小。
• (3)原材料利用率高，且材料寿命长。 • 缺点： • (1)成型件表面有明显的条纹。

逆向工程技术第4章快速成型技术的原理和工艺

膜、板材层合：原材料是固态的板或膜，通过粘结把各片簿层板粘结在一起，或者是利用塑料膜的光聚合作用而把各融沉积制造 (FDM)
三维印刷 (3DP)
光固化成型（SLA）
Basic RP Technologies
分层实体制造 (LOM)
选择性激光烧结 (SLS)
层面信息处理层面加工与粘接
层层堆积
计
分
算
解
机
过
中
程
信
息
处
理
成
形
机
组中合堆过积程成
形
快速成形过程
(1) CAD模型
快速成形必须有STL格式的三维数字模型，CATIA、UG、PRO/E、三维扫描设备、逆向工程软件都均能产生
快速成形要求三维数字模型具有水密性，实体模型和封闭的表面可用于快速成形
3DP工艺与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。
用一组一定间隔的水平截面，截切三维的STL模型，得到三维模型的不同截面的一系列轮廓线
每一层的内部轮廓线必须是封闭的
快速成形过程
(4) 支撑与加工路径生成
悬空结构或表面需外加支撑结构在层间轮廓线内的生成扫描路径
快速成形过程
(5) 后处理
去除支撑去除支撑零件清理表面抛光处理
4.1.3 快速成型技术的特点
用 SLA成型的零件
零件支撑平板
2.分层实体制造(LOM)
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

“逆向工程与快速成型技术应用”课程教学改革与实践

收稿日期： 2016 － 09 － 08 基金项目：广州市青少年科技教育项目（ 2016 － 449）作者简介：诸进才（ 1982—），男，广东东源人，广州铁路职业技术学院讲师，硕士，研究方向为机械 CAD / CAE 技术。
胡艳娥（ 1981—），女，广东顺德人，广州铁路职业技术学院助理实验师，研究方向为机械制图与 CAD。
第6 期
诸进才，胡艳娥： “逆向工程与快速成型技术应用” 课程教学改革与实践
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图 4 现有鞋油瓶
图 3 设计的教学情景
三、融创新理念于教学过程的具体实施案例
工作任务叙述：一家专门生产高级液体鞋油的公司所用的油瓶由一家塑胶模具厂外包制作。由于经营不善，该塑胶模具厂突然倒闭拍卖，如图 4a 所示的现有鞋油瓶的设计数据资料丢失。前期有客户在使用该款鞋油时反馈，鞋油的盖子过于光滑，不易扭开。鉴于此，公司决定在已有瓶身的基础上，重新设计瓶盖，开发新款鞋油瓶。
排为例，首先通过点播课程相关新工艺、新技术应用的新闻激发学生对课程的兴趣，紧接着设计
了基于创新理念和工作过程的学习任务，并着重于探索在高职教学过程中如何培养职业院校学生
的创新意识。最后以一个典型的教学案例说明创新导向的课程教学改革过程。实践证明该模式下
培养的学生在创新创业活动方面取得了较为可喜的成绩。
关键词：创新教育；高职院校；教学改革；逆向工程；快速成型
中图分类号： G712 文献标志码： A
文章编号： 2095 － 073X （ 2016） 06 － 0043 － 05
在全面实施素质教育的过程中，为迎接知识经济时代的挑战，民族创新能力的重要性被提到了前所未有的高度。创新教育的提出，是现代社会的要求，是弘扬人的创新本性的需要，是深化教育改革、推进素质教育的必然要求［1］。在国家大力提倡创新教育的大环境下，高职教育面临着新的机遇与挑战，创新教育也必将成为高职教学的主体模式［2 － 3］。专业教育的实施依据是专业人才培养方案，而专业人才培养方案主要以不同性质的课程体系作为支撑［4］。因此，要想切实将创新创业教育融入人才培养的全过程，那就不是简单地在人才培养方案中增加几门创新创业课程的问题，而是要在现有人才培养方案的各个环节和各类课程体系中融入创新创业教育理念，在专业教育的基础上，转变教育思想，更新教育观念，深化人才培养模式和教育教学改革，不仅培养学生的专业知识和技能，更以提升学生的社会责任感、

《逆向工程及快速成型技术》课程标准

《逆向工程与快速成型技术》课程标准一、基本信息1．课程地位：逆向工程与快速成型技术是“模具设计与制造专业”的一门专业选修课程，通过本课程学习，学生应掌握逆向工程的基本概念和技术体系，了解学科发展趋势；掌握面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术；培养学生建立面向机电产品的逆向工程方法论，初步掌握一种支持逆向工程的应用软件工具。

2．课程任务：本课程教学任务是使学生认识逆向工程与正向设计的关系，掌握逆向工程的设计思路；掌握几种快速原型制造工艺，具备面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术的能力。

3．课程衔接：《数控加工工艺与编程》、《UG设计基础》、《CAD制图》、《三维扫描与逆向建模》等课程。

三、课程目标本课程目的是使学生掌握逆向工程的基本概念和技术体系，了解学科发展趋势；掌握面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术；培养学生建立面向机械产品的逆向工程方法论，初步掌握一种支持逆向工程的应用软件工具。

四、课程理念1．课程设计原则：围绕专业知识、能力与素质矩阵，根据本课程教学内容，结合后续课程及工程技术岗位的需要，优化课程教学内容，分解课程知识与能力模块，以实施理论与实践双融合教学为理念，借助课堂精讲（或精品课程平台、工厂实际操作视频），完成课程理论知识的教学，以实验设计和生产问题解决形式（课内训练、课外作业）实现动手能力训练。

通过“教、学、做、评一体化”完成该课程教学。

2．课程内容结构：（1）课程项目学习安排：课内以项目讨论学习为主，过课堂教学和应用实践等多个环节，使学生掌握快速成型与快速制模的理论原理、技术方法和工程应用，为今后从事相关领域的科学技术研究，解决工程实际问题奠定坚实的基础。

通过实验，了解逆向工程中原始数据的采集方法和应注意的问题；掌握三维结构光扫描装置的基本操作和相关知识元；掌握Geomagic软件的基本操作。

了解快速成型的原理及其与传统加工工艺的区别；了解不同快速成型方式的优点、缺陷和应用范围。

逆向工程与快速成型技术

1984年美国，Charles Hull获得SLA专利，创办 3D systems公司。
1987年美国，3D systems公司首次推出商业化的快速原型制造设备。
3D systems公司的快速原型制造系统在国际市场上占有60％的份额。
二原理
1、基本原理液态光敏树脂在紫外光的照射下能迅速发生光聚
二成形方式分类
（1）去除成形
把一部分材料有序地从基体上分离出去而成形的方法。（2）堆积成形运用合并与连接的方法，把材料(气、液、固相)有序地合并堆积起来的成形方法。（3）压力成形
（4）生长成形
三快速成型过程
CAD模型
计
分算
解机
过 Z向离散化（分层）程
中信
息
处
层面信息处理
理成
层面加工与粘接
三扫描方式的选择
1、连续扫描法
（1）需要光开关（2）每条扫描线的收缩应力方向一致，增大翘曲。
2、分片区域扫描法省去光开关，收缩也有所减小。
3、环形扫描法省去光开关，收缩也有所减小。
4、三角剖分扫描法
四扫描方式的影响
1、CAD模型表面固化收缩冷却收缩
1986年，Charles W Hull在申请的专利：提出用激光照射液态光敏树脂，从而分层制作三维物体的现代快速成形机的方案。
美国的3D Systems公司据此专利，于1988年生产出了世界上第一台现代快速成形机——SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成形机），开创了快速成形技术发展的新纪元。
(5)所用二氧化碳激光器寿命达20000小时； (6)构形材料价格便宜(50元/kg)
缺点： (1) 不能直接制作塑料件； (2) 表面粗糙度较高，工件表面有明显的台阶纹，

逆向工程与快速成型技术-教案-龚海军

逆向工程技术与快速成型技术课程教案主讲教师：***机电与汽车工程学院机械系2014.09逆向工程与快速成型技术课程教案(4)CAD模型的分析及改进，校验与修正快速成型技术概论、快速成型技术加工方法和设备、快速成型技术的应用、快速成型技术中的问题、快速成型技术的发展前景。

快速成型技术的工作原理零件数据CAD模型的建立数据转换文件的生成由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成型系统所能接受的文件。

分层切片分层切片处理是根据成型工艺要求，按照一定的离散规则将实体模型离散为一系列有序的单元按一定的厚度进行离散。

层片信息处理根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适成型参数，自动生成数控代码。

快速堆积成型快速成型系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维形体原型的制备。

1. 硬件问题快速成型技术的设备昂贵成为了制约其推广和应用的主要原因，尤其是中小型企业不具备雄厚的资金。

2. 软件问题快速成型技术中的软件分为成型系统的控制软件和成型系统与CAD模型的接口软件。

面对比较复杂的模型时，处理的速度和精度都不高。

3. 材料问题目前快速成型技术中的材料的成型性能大多不理想，成型件的物理性能还不能完全满足功能性、半功能性零件的要求。

必须借助二次开发和后处理才能达到比较理想的结果。

4. 成型工艺的问题由于树脂的收缩在在层层堆积时所产生的层间粘接应力和未固化的残留液态树脂在固化中的收缩导致了成型过程中零件的变形。

三．布置本周学生学习和创作任务，提出具体的作品要求1．尽快消化本周所讲的技术。

2．预习下次课的内容。

逆向工程及快速成型技术

• 1.1 、逆向工程的概念 • 1.2 、逆向工程的应用及发展趋势 • 1.3 、逆向工程设计制造的工作流程 • 1.4 、逆向工程的关键技术 • 1.5 、逆向工程常用软件 •、
• 一、逆向工程顾名思义就是反其道而行之。针对一现有样品，利用3D数字化测量仪器
准确、快速地将其轮廓坐标量得，并进行 CAD曲面重构，编辑修改后，传至一般的 CAD/CAM系统，再由CAM产生刀具的NC 加工路径送至CNC加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机（RP）将样品制作出来。
堆积过程
离散过程
在成型机中进行层片堆积
在计算机中进行离散处理
• 快速成型技术的主要特点： • (1)可以制造任意复杂的三维实体 • (2)快速性：几个小时到几十个小时就可制
造出零件
• (3)高度柔性：无需任何专用夹具或工具 • (4)产品结构与性能的及时快速优化 • (5)进行小批量生产 • (6)有利于环保
2.3快速成型技术的应用
• 快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、功能试验上。设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、性能评价，借此缩短产品的开发周期、降低设计费用。经过十几年的发展，快速原型技术早已突破了其最初意义上的“原型”概念，向着快速零件、快速工具等方向发展。
• 第二类逆向工程软件：主要代表有 CopyCAD
• 第三类逆向工程软件：主要代表有主流的 CAD/CAM软件，如CATIA、PRO/E等
• 几款常用的逆向工程软件： • GeoMagic:美国RainDrop公司开发的，具有丰富
的数据处理手段，可快速的构造连续的曲面造型，应用领域从工业设计到医疗方针等多个方面。 • ImageWare：作为UG外挂的逆向工程软件包，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测等功能。 • CopyCAD：英国DELCAM公司开发的系列CAD 产品中的集成模块，主要处理测量数据的曲面造型。 • RapidForm：韩国INUS公司开发的逆向工程软件，主要用于测量、扫描数据的曲线建模以及基于CT 数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模。

逆向工程及快速成型技术教学大纲

逆向工程及快速成型技术一、课程说明课程编号：080606Z10课程名称：逆向工程及快速成型技术/ Reverse Engineering and Rapid Prototyping Technology课程类别：专业教育学时/学分：24/1.5先修课程：先进制造技术导论、CAD/CAM适用专业：机械设计制造及其自动化教材、教学参考书：1、陈雪芳,孙春华主编逆向工程与快速成型技术应用机械工业出版社2009.92、刘伟军,孙玉文主编逆向工程原理方法及应用机械工业出版社2009.1二、课程设置的目的意义逆向工程与快速成型技术是机械设计制造及其自动化专业的一门专业选修课程。

逆向工程也称反求工程、反向工程，其思想最初来源于从油泥模型到产品实物的设计过程。

快速成型技术是一种将计算机辅助设计（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的高新技术，可以快速地将设计思想物化为具有结构和功能的原型或直接制造零部件。

逆向工程与快速成型技术集成为一个产品快速开发系统，比由新概念设计输入到柔性制造系统输出的正向系统路径短，快捷方便，对市场的响应能力更强，目前已经成为现代制造企业新产品开发的重要支撑技术。

通过本课程的教学，可以让学生掌握先进制造技术的前沿知识，为学生在今后的工作中能应用所学知识，解决具体技术问题，实现逆向工程打下基础。

三、课程的基本要求知识：掌握逆向工程的定义、应用、工作流程及其与产品创新的关系，逆向工程系统的组成及目前存在的技术问题，逆向工程数据测量与处理方法，曲面重构方法和过程，网格化实体模型的重构，模型精度评价及量化指标，快速成型技术的原理与典型工艺，快速成型的数据结构与分层数据处理方法，集成逆向工程系统框架组成及其实现方法等知识，从而形成产品实物外形数字化测量－数据处理—CAD三维模型重构—快速成型制造的基本知识结构。

能力：掌握面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术，学会一种支持逆向工程的CAD模型重构软件和快速成型软件，提升解决工程实际问题、快速研发新产品的实践能力和创新意识。

逆向工程与快速成形技术

逆向设计
逆向设计指测绘后对关键问题的分析和反设计问题。测绘完以后要将被测对象变成完整图纸或模型，还需根据对零件工作特性的分析（必要时需要通过试验测试）进行各种标注和提出技术要求。对于特殊形状的曲线应通过优化设计逆向其科学依据。对于箱体等结构复杂件应采用有限元法去逆向其强度和刚度等。
逆向设计中重建具有复杂曲面零件原型的CAD模型是一件困难的工作。
逆向工程与快速成形技术
2021/7/19
9.1 逆向工程
逆向工程的出现和发展
20世纪60 年代，日本为了恢复和振兴经济，提出科技兴国和大力发展制造业的方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，并对机床、汽车、电子、光学设备和家电等行业的发展给予优惠政策。日本政府和企业普遍认为对别国先进产品和先进技术的引进、消化、吸收、改进和挖潜，是自身发展的一条捷径。观点很快被事实验证，由此引发了逆向设计（Reverse Design）的概念。
1.快速成形技术概述
1.2.快速成形技术过程
快速成形的工艺过程一般包括以下几个步骤： • （1）产品三维建模 • （2）三维模型的近似处理 • （3）三维模型的分层切片和生产加工路径 • （4）成型加工 • （5）成形零件的后处理
1.快速成形技术概述
1.2.快速成形技术特点
快速成形的技术特点： • （1）简易性 • （2）快速性 • （3）高度柔性 • （4）技术的高度集成性 • （5）应用领域广泛
• 由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。
1.快速成形技术概述
1.1.快速成形技术概念
• 与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、建筑、玩具、工艺品等很多领域得到了广泛应用。