CN110853132A - 用于3d打印的复杂曲面零件的三维建模方法 - Google Patents

用于3d打印的复杂曲面零件的三维建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，主要包括数据采集、数据处理、曲线、曲面拟合、CAD模型重构、打印等步骤。本发明通过传统的建模工艺与逆向工程相结合，大大缩短建模时间，提高建模精度，不仅可以获得复杂曲面零件的CAD模型，在此基础上还可以对零件进行结构改进，提高打印后零件的质量。

Description

用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法。
背景技术
增材制造技术，又称3D打印，出现在上世纪末，是一种基于离散及堆积成型思想的新型制造技术。该技术突破了传统制造技术的复杂度极限，解耦了复杂度、小批量定制化与成本的关系，被称为“第三次工业革命”的重要工具。3D打印机的原理是先将打印件的三维数字模型进行分层处理，生成打印每一层所需的“扫描”路径，然后通过激光选择性熔化粉末材料、电热喷头熔融挤出线材、紫外光投射打印图像等方法逐层“堆积”成型，随后打印平台下降一个层厚的高度，有的3D打印方法还需要进行铺粉一类的工序在已成型表面之上新置一层未经处理的材料，接着循环往复的进行逐层“堆积”成型的过程，最后即可将三维数字模型打印为立体实物。
目前市场上3D打印机的建模方法主要有三种：第一种，也是最常用的建模方法，是使用专业的图形设计软件，采样交互的方法进行几何建模；第二种，是使用三维数字化扫描仪进行几何建模；第三种，是使用一些现有的图形库中的基本几何模型来创建物体形状。建立的模型的精度直接影响零件打印后的质量。现有的建模方法建立出来的模型精度较低，特别是针对复杂曲面零件，达不到预想的效果。基于此，如何设计一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，包括以下步骤：
Ⅰ数据采集：通过扫描获取零件的点云数据；
Ⅱ数据处理：将零件的点云数据导入Geomagic Design X软件中，对获得的点云进行处理，然后通过面片优化处理；
Ⅲ曲线、曲面拟合：把处理好的面片零件进行领域切割，得到不同特征的领域划分，便于造型，特征面的选取首先要依据点云数据特征，确定曲面生成方式和特征面***位置；
ⅣCAD模型重构：选择合适基准面，进入草绘阶段，通过基准面截取零件部分轮廓线，退出草绘，通过拉伸获得零件该部分实体，最后通过“3D草图”指令来建草图，以拉伸获得的零件部分实体为基础，画其余部分的曲线，利用“扫描”的指令，扫描出其余部分并将连接处进行相应的倒角，转化成自由曲面；
Ⅴ打印：以“STP”实体格式导出文件，然后进行3D打印。
优选的，步骤(Ⅰ)中扫描的具体方法为，对于表面能够反光的零件，在零件的表面均匀贴附标记点，然后通过扫描仪对零件进行扫描；对于表面不能够反光的零件，在零件表面涂上反光粉，然后在零件的表面均匀贴附标记点，最后通过扫描仪对零件进行扫描。
优选的，步骤(Ⅱ)中点云处理具体包括：通过面片修复功能填充一些标志扫描不出的点，并剔除噪音和冗余点。
优选的，步骤(Ⅲ)中特征面的选取要观察模型曲面之间的衔接位置，如边界由直线变为曲线的拐点位置，通过对零件模型的特征分析，界面的选取，获得特征面的点云数据，对特征曲线重建时，既要满足与原始点云数据的逼近精度要求，同时还要满足互相之间的各种几何约束和工程约束，通过Geomagic Design X对提取的特征数据进行全局优化及拟合质量检测，可得到高精度特征面曲线。
本发明的优点在于：本发明通过传统的建模工艺与逆向工程相结合，大大缩短建模时间，提高建模精度，不仅可以获得复杂曲面零件的CAD模型，在此基础上还可以对零件进行结构改进，提高打印后零件的质量。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，包括以下步骤：
Ⅰ数据采集：通过扫描获取零件的点云数据；
Ⅱ数据处理：将零件的点云数据导入Geomagic Design X软件中，对获得的点云进行处理，然后通过面片优化处理；
Ⅲ曲线、曲面拟合：把处理好的面片零件进行领域切割，得到不同特征的领域划分，便于造型，特征面的选取首先要依据点云数据特征，确定曲面生成方式和特征面***位置；
ⅣCAD模型重构：选择合适基准面，进入草绘阶段，通过基准面截取零件部分轮廓线，退出草绘，通过拉伸获得零件该部分实体，最后通过“3D草图”指令来建草图，以拉伸获得的零件部分实体为基础，画其余部分的曲线，利用“扫描”的指令，扫描出其余部分并将连接处进行相应的倒角，转化成自由曲面；
Ⅴ打印：以“STP”实体格式导出文件，然后进行3D打印。
本发明通过传统的建模工艺与逆向工程相结合，大大缩短建模时间，提高建模精度，不仅可以获得复杂曲面零件的CAD模型，在此基础上还可以对零件进行结构改进，提高打印后零件的质量。
优选的，步骤(Ⅰ)中扫描的具体方法为，对于表面能够反光的零件，在零件的表面均匀贴附标记点，然后通过扫描仪对零件进行扫描；对于表面不能够反光的零件，在零件表面涂上反光粉，然后在零件的表面均匀贴附标记点，最后通过扫描仪对零件进行扫描。
由于扫描仪器是运用光栅的原理来扫描成像的，对于表面不能反光的零件，通过在零件表面涂上反光粉，可提高扫描效果，进而保证获得足够的点云数据，在零件表面均匀贴附标记点，便于扫描软件的自动合成。
优选的，步骤(Ⅱ)中点云处理具体包括：通过面片修复功能填充一些标志扫描不出的点，并剔除噪音和冗余点。
通过填充一些标志扫描不出的点，剔除噪音和冗余点，使点云数据更精确，提高建模精度。
优选的，步骤(Ⅲ)中特征面的选取要观察模型曲面之间的衔接位置，如边界由直线变为曲线的拐点位置，通过对零件模型的特征分析，界面的选取，获得特征面的点云数据，对特征曲线重建时，既要满足与原始点云数据的逼近精度要求，同时还要满足互相之间的各种几何约束和工程约束，通过Geomagic Design X对提取的特征数据进行全局优化及拟合质量检测，可得到高精度特征面曲线。
通过对零件模型的特征分析、特征数据全局优化以及拟合质量检测，提高特征面曲线的精度，进一步提高建模精度。
需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
Ⅰ数据采集：通过扫描获取零件的点云数据；
Ⅱ数据处理：将零件的点云数据导入Geomagic Design X软件中，对获得的点云进行处理，然后通过面片优化处理；
Ⅲ曲线、曲面拟合：把处理好的面片零件进行领域切割，得到不同特征的领域划分，便于造型，特征面的选取首先要依据点云数据特征，确定曲面生成方式和特征面***位置；
ⅣCAD模型重构：选择合适基准面，进入草绘阶段，通过基准面截取零件部分轮廓线，退出草绘，通过拉伸获得零件该部分实体，最后通过“3D草图”指令来建草图，以拉伸获得的零件部分实体为基础，画其余部分的曲线，利用“扫描”的指令，扫描出其余部分并将连接处进行相应的倒角，转化成自由曲面；
Ⅴ打印：以“STP”实体格式导出文件，然后进行3D打印。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，其特征在于：步骤(Ⅰ)中扫描的具体方法为，对于表面能够反光的零件，在零件的表面均匀贴附标记点，然后通过扫描仪对零件进行扫描；对于表面不能够反光的零件，在零件表面涂上反光粉，然后在零件的表面均匀贴附标记点，最后通过扫描仪对零件进行扫描。
3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，其特征在于：步骤(Ⅱ)中点云处理具体包括：通过面片修复功能填充一些标志扫描不出的点，并剔除噪音和冗余点。
4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的复杂曲面零件的三维建模方法，其特征在于：步骤(Ⅲ)中特征面的选取要观察模型曲面之间的衔接位置，如边界由直线变为曲线的拐点位置，通过对零件模型的特征分析，界面的选取，获得特征面的点云数据，对特征曲线重建时，既要满足与原始点云数据的逼近精度要求，同时还要满足互相之间的各种几何约束和工程约束，通过Geomagic Design X对提取的特征数据进行全局优化及拟合质量检测，可得到高精度特征面曲线。
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