3D打印工艺

摘 要：随着现代科学技术的发展，3d打印技术已经应用到了很多的领域，比在在修复文物，工业制造方面都有着非常出色的表现。本文主要对3D打印工艺进行简单介绍（包括扫描数据，数据处理，3D打印）。

关键词：3D打印工艺；扫描；数据处理；3D打印

1 引言

3D打印工艺是近几十年来全球先进技术，他与传统切削等材料的“去除法”不同，增材技术将采用细微原材料一层一层的堆叠而生成三维立体的实体，因此被通俗的称为“3D打印”，也可以把3D打印理解为无数个2D打印平面堆叠而成的。该工艺只需在电脑上设计出模型（或者扫描实体得到数据），就可以用3D打印机打印出实物。该工艺无需传统的刀具，模具，车床以及复杂工艺，可快速地将设计生产为实物。

扫描实物得到模型数据在工程学上属于逆向工程（RE，如图1），就是通过技术手段建立实物的三维数字模型，并进一步对模型进行优化处理。在通过逆向工程得到三维数字模型之后通过3D打印机打印（有时三维数字模型数据要经过处理）。

2 扫描数据方法

数据的测量是产品三维数字化模型的关键环节，是通过专门的测量工具和测量方法获得实物表面离散点的三维坐标。只有根据这些数据才能实现实物多元化外表面的建模、评价、修改和打印。既然数据会直接影响到后期工艺的处理，所以这一步骤是非常关键的一个环节，所以测量方法的好坏会直接影响到是否真实反应了实物，因此这一过程是整个工艺的逆向工程的基础。

目前有很多种技术可以完成此工艺。不同的测量方法有着不同的测量精度、经济性、速度等等。所以我们在实际操作过程中就要选择对应的测量方法。扫描数据方法主要有如图2。

2.1 接触式测量

通过接触式仪器沿实物表面移动，在接触移动的同时检测出接触点的三维坐标。此种测量方法虽然对实物的材质和色泽没有特俗要求，可达到很高的测量精度，但是对于有着复杂内部型腔和复杂曲面有着明显的不足。该方法最大的缺点就是测量过程过分依赖测量者，需要测量者来判断和操作。

2.2 非接触式测量

非接触式测量是利用声光电磁等与实物表面发生相互作用的物理现象来获取实物的三维坐标信息。由于非接触式测量的速度快精度较高，且不用与实物接触，因而可用于对软质材质的物体进行测量。此种技术现在在市场上很受欢迎，市场潜力越来越大。随着计算机技术CCD摄像技术机器视觉技术及精密制造技术的快速发展，在逆向工程中最为常用的激光法变得尤为重要。激光法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种方法，其原理如图3。

3 数据处理

相异的数据采集方法就为逆向工程产品CAD建模提供了不同的数据来源。在很多情况下，逆向工程中测量得到的被测物的表面点数据量巨大，其中经常有很多噪声点，这个数据点被称为“点云”。需要对该数据进行处理才能构造一个曲面。

扫描得到的数据是无数个点的三维数据，我们运用计算机辅助几何设计技术，构造被测物原型的CAD模型。常用的方法就是曲面拟合，一般用插值与逼近二种方法拟合。用插值法的时候，曲面通过所有数据点，因此比较适合测量设备精度高。而逼近法，曲面不必整合所有的数据点，不过要求对数据点的总体最优的逼近程度，比较适合测量数据点多，噪声高的情况。

按照“点云”的组织方式，模型的产生过程不同，建模方法分为以下几类。

A.基于特征的建模方法。对被测物进行划分特征区域，对每个特征进行曲面拟合。就是把数据点划为多个区域，每个区域就用一种曲面表示。

B.基于截面数据（切片数据）的建模方法。这一类的数据有一个特别的分布方式，就是数据分布于一组平行的截面上。

C.基于可变行模型的建模方法。一个S型形状，为可变形模型，数据点A被S包围或S被A包围。在A与S之间建立一个目标函数F与约束，通过变化S使F达到极值，以产生数据点的近似表示。此方法难以达到实用。

D.整体的自动建模方法。以上三种方法对复杂或者大型测量物体产生的散乱数据难以精确或者自动拟合。而此方法刚好可以弥补。

几何建模是逆向工程的关键步骤，同时也是影响逆向工程速度的关键。因此，提高逆向工程几何建模的自动化程度与通用性是目前逆向工程的一个重要研究方向。

4 打印

通过以上过程我们就可以对所得到的三维数据进行打印，当然我们也可以手动对数据进行修改，以达到我们需要的形状。通过软件把数据传输到3D打印机进行打印。

5 结束语

目前3D打印是较火热的一门技术，它在实际应用中更加具有市场前景。本文简单介绍了3D打印的工艺流程以供与大家交流。

[参考文献]

[1]张会霞，朱文博，编著.《三维激光扫描》.电子工业出版社，2012.

[2]李中伟，编著.《面结构光三维测量技术》.华中科技大学出版社，2012.

[3]Hod Lipson ，Melba Kurman（美），著.《3D打印》.中信出版社，2013.

[4]Bre Pettis，Anna Kaziunas France，Jay Shergill（美），著.《爱上3D打印机》.《人民邮电出版社》，2013.