劉海闖，趙亞忠，張澤旭，張力重

（南陽(yáng)理工學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004）

在“中國(guó)智造2025”的背景下，現(xiàn)代技術(shù)融入到傳統(tǒng)鑄造行業(yè)是實(shí)現(xiàn)鑄件智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的科學(xué)道路。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程，逆向工程愈加成熟，給零件改型和設(shè)計(jì)帶來(lái)不同選擇。增材制造的3D打印技術(shù)在追求定制化生產(chǎn)的模式下也愈加流行。因此也衍生出更加綠色、智能的生產(chǎn)方式。

1 現(xiàn)代技術(shù)下的新流程特點(diǎn)

傳統(tǒng)鑄造流程分部門進(jìn)行鑄件生產(chǎn)，主要流程為零件改型—鑄造工藝設(shè)計(jì)—鑄造工裝生產(chǎn)—鑄件生產(chǎn)，要求設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)有一定的了解，人員流動(dòng)大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。使用逆向工程和3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，可以將每個(gè)流程簡(jiǎn)化，零件模型重構(gòu)—鑄造工藝設(shè)計(jì)—砂型3D打印—澆注清理。相比傳統(tǒng)鑄造，采用逆向工程對(duì)零件模型進(jìn)行重構(gòu)的方案對(duì)丟失原始數(shù)據(jù)的模型進(jìn)行修復(fù)和改型更加友好，也加快無(wú)紙化生產(chǎn)進(jìn)程。采用砂型3D打印技術(shù)不僅省去設(shè)計(jì)和制造鑄造工裝的流程，更省去鑄造工藝設(shè)計(jì)中分型面設(shè)計(jì)、砂芯設(shè)計(jì)、拔模斜度等參數(shù)的選取，極大減少工藝設(shè)計(jì)和制造工裝的成本。由于需要專業(yè)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，所以在定制化生產(chǎn)和單件、小批量生產(chǎn)中優(yōu)勢(shì)更加凸顯。下面以端蓋生產(chǎn)為實(shí)例進(jìn)行講述。

2 模型重構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

本文通過(guò)逆向工程實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)，通過(guò)逆向設(shè)備對(duì)零件表面進(jìn)行掃描，獲得表面的點(diǎn)云文件。經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理、面片擬合和模型建立實(shí)現(xiàn)零件三維模型重構(gòu)。本文逆向時(shí)所使用的逆向設(shè)備為HandySCAN 3D掃描平臺(tái)，配備手持式3D掃描儀，采用多條激光線組成掃描區(qū)域?qū)Σ考M(jìn)行掃描，設(shè)備依靠對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的追蹤實(shí)現(xiàn)零件和掃描儀在掃描過(guò)程中相對(duì)運(yùn)動(dòng)也能自動(dòng)追蹤部件表面點(diǎn)的位置，達(dá)到實(shí)時(shí)掃描效果，掃描精度可達(dá)到0.025mm。

2.1 掃描部件的處理

對(duì)于掃描部件要求部件材料和顏色對(duì)激光的吸收較弱并且反射一致性良好。通過(guò)對(duì)端蓋噴砂清理達(dá)到要求，對(duì)色差比較嚴(yán)重或者吸收率高的表面可以噴涂反差劑來(lái)達(dá)到部件表面特性的一致。

2.2 部件掃描流程

（1）將手持掃描儀通電與電腦連接后，使用VXelements軟件創(chuàng)建掃描項(xiàng)目。

（2）根據(jù)說(shuō)明書和軟件提示進(jìn)行掃描儀校準(zhǔn)。

（3）根據(jù)測(cè)量零件特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)配置，比如本次測(cè)量零件為鑄鐵小零件，因此對(duì)掃描范圍進(jìn)行調(diào)整，快門時(shí)間保持默認(rèn)，掃描精度需要調(diào)整到0.1mm。

（4）對(duì)零件貼定標(biāo)志點(diǎn)，不同規(guī)格標(biāo)志點(diǎn)不可混用，本次零件較小，將標(biāo)志點(diǎn)貼于地面作為參考，因此只能進(jìn)行單個(gè)面并且掃描時(shí)零件不能移動(dòng)，保證與標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)位置不變。注意標(biāo)志點(diǎn)不要貼在曲率較大處，對(duì)后期修補(bǔ)模型造成誤差。

（5）掃描部件，掃描時(shí)掃描儀距離部件30cm，提示燈顯示綠色，保證每次掃描至少有6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)被正常掃描，在掃描時(shí)，可實(shí)時(shí)自由視角顯示掃描圖像，調(diào)整掃描位置。注意在掃描時(shí)可選用單條激光線對(duì)零件較深部位進(jìn)行精準(zhǔn)掃描特征，掃描過(guò)程如圖1所示。

圖1 掃描過(guò)程可視化

對(duì)于端蓋部件，首先掃描一個(gè)面，掃描結(jié)束后在同一個(gè)項(xiàng)目中創(chuàng)建掃描再對(duì)另一個(gè)面進(jìn)行掃描，之后只需要對(duì)2次掃描的點(diǎn)云文件進(jìn)行擬合就可以得到較為準(zhǔn)確的特征參數(shù)。VXelements軟件提供點(diǎn)云處理，在結(jié)束時(shí)勾選優(yōu)化體積精度、填充定位目標(biāo)、優(yōu)化邊界精度選項(xiàng)，利用已調(diào)教設(shè)備的自動(dòng)優(yōu)化命令對(duì)標(biāo)志點(diǎn)等缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，效果良好。

（6）處理點(diǎn)云文件，將點(diǎn)云文件進(jìn)行去除背景。背景包含大量特征點(diǎn)，點(diǎn)云文件不進(jìn)行去除背景會(huì)浪費(fèi)電腦資源并會(huì)導(dǎo)致軟件打開(kāi)崩潰。將點(diǎn)云文件保存后再對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理，并手動(dòng)將多余的雜點(diǎn)進(jìn)行去除。

（7）將2個(gè)點(diǎn)云文件進(jìn)行擬合，在端蓋掃描中公共點(diǎn)較少，因此采用合并掃描中的曲面最佳擬合，擬合后的效果良好，擬合面片如圖2所示。

圖2 面片模型

（8）三維模型建立。將點(diǎn)云文件用點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行面片處理。對(duì)導(dǎo)出的面片文件進(jìn)行對(duì)齊，通過(guò)手動(dòng)擬合進(jìn)行拼合，將面片文件進(jìn)行降噪、修補(bǔ)，并把多余的面片和孤立面片進(jìn)行刪除，整理好形狀特征后對(duì)其包覆處理，得到實(shí)體，對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其分解為片體特征。對(duì)照面片進(jìn)行建模，按照重構(gòu)的實(shí)體模型對(duì)建模參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終經(jīng)過(guò)軟件對(duì)比差值在誤差范圍內(nèi)得到合格的實(shí)體模型。需要注意在建模時(shí)保證基準(zhǔn)正確。最后將三維圖形轉(zhuǎn)為二維圖，并繪制零件圖。

本文由于端蓋較小，因此，將目標(biāo)點(diǎn)置于部件和地面上，當(dāng)零件較大時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)完全置于部件上可以實(shí)現(xiàn)高精度一次掃描完成，省去模型建立步驟，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)完成模型構(gòu)建。

模型構(gòu)建后進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，對(duì)于單件、小批量生產(chǎn)只需要設(shè)計(jì)出澆冒系統(tǒng)和澆注工藝參數(shù)，不需要進(jìn)行砂芯等傳統(tǒng)工藝和工裝設(shè)計(jì)。確定澆冒系統(tǒng)后根據(jù)吃砂量設(shè)計(jì)砂型。

3 砂型3D打印的特點(diǎn)及應(yīng)用

砂型3D打印主流為選擇性激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造、熔融沉積造型，本文采用選擇性激光燒結(jié)方案。選擇性激光燒結(jié)采用每層鋪砂后激光燒結(jié)所需結(jié)構(gòu)，將未燒結(jié)的散砂倒出得到砂型。砂型3D打印主要采用樹(shù)脂砂，國(guó)內(nèi)研究者針對(duì)主要參數(shù)測(cè)試分析了樹(shù)脂及黏結(jié)劑的pH值、粘度指標(biāo)，研究了原砂、黏結(jié)劑、固化劑的比例與砂型性能的關(guān)系及國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂的改性方法。不同類型設(shè)備打印出的砂型緊實(shí)度與透氣性各不相同，不少學(xué)者對(duì)砂型結(jié)構(gòu)的鏤空優(yōu)化也有研究。

砂型3D打印設(shè)備型號(hào)為EP-C7250，如圖3所示。工作方式為打印機(jī)在打印平臺(tái)鋪一層型砂，激光按軟件規(guī)劃的路徑燒結(jié)一層砂型結(jié)構(gòu)，最終得到固化的砂型。本文采用的激光燒結(jié)式打印機(jī)打印的砂型需要進(jìn)行烘干以加強(qiáng)砂型強(qiáng)度，因此對(duì)砂型結(jié)構(gòu)有不能出現(xiàn)薄壁和大面積懸空的要求。采用噴墨式的打印機(jī)則不需要烘干，可以不分型直接進(jìn)行砂型打印。

圖3 3D打印設(shè)備

主要工作步驟為：用Magics軟件對(duì)2套砂型進(jìn)行布局，布局符合快速成型要求，將部件切片為每層0.2mm。將切片模型導(dǎo)入到EPHatch軟件，軟件根據(jù)每層的結(jié)構(gòu)生成激光掃描路徑，對(duì)于需支撐的部件可以單獨(dú)設(shè)置支撐部分激光掃描路徑，最后對(duì)激光參數(shù)進(jìn)行設(shè)置完成激光掃描的設(shè)置。最后通過(guò)設(shè)備控制軟件EPlus3D設(shè)定打印設(shè)備參數(shù)并執(zhí)行打印。設(shè)備根據(jù)不同需求可以對(duì)加工前預(yù)鋪粉層數(shù)、加工后鋪粉層數(shù)、鋪粉溫度曲線、加工溫度曲線等進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)簡(jiǎn)單，主要為檢測(cè)部件連接狀態(tài)，型砂干凈無(wú)雜物和砂型濕度正常，重新篩砂，鏡頭、溫度傳感器擦凈。開(kāi)機(jī)先上砂，進(jìn)行手動(dòng)鋪砂檢查設(shè)備狀態(tài)，然后準(zhǔn)備足夠型砂用于打印。建模砂型與3D打印砂型對(duì)比如圖4所示。澆注采用QT500-7，在1400℃時(shí)澆注1s充滿型腔，最后清理后得到鑄件。

圖4 砂型合型圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文最主要的特點(diǎn)是采用了逆向工程進(jìn)行模型重構(gòu)，對(duì)于沒(méi)有數(shù)據(jù)的部件的修補(bǔ)和零件改型具有重要作用。而采用了砂型3D打印技術(shù)將單件、小批量生產(chǎn)和首批制件所需周期縮短，有效控制成本。本文所提出的方案可以分開(kāi)使用，進(jìn)行鑄造工藝上的簡(jiǎn)化，符合現(xiàn)代對(duì)節(jié)省資源、高效生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)的要求，對(duì)智能化生產(chǎn)線建設(shè)具有指導(dǎo)意義。