使用3D扫描仪和软件进行逆向工程零件

魔猴君  知识堂   417天前

在没有示意图或数字设计文件的情况下重新创建零件或产品曾经是一项艰巨的任务。在3D扫描技术广泛应用之前，逆向工程是通过手工对物体进行精确测量来制作图纸的。

如今，这一切都发生了改变，价格实惠的3D扫描技术、更易于使用的软件和3D打印机可以快速生产模型、原型，在许多情况下还可以生产最终零件。

使用3D扫描对零件进行逆向工程在全球工程公司中很常见，例如Sulzer（左）和专业逆向工程公司，例如Aeroscan（右）。

什么是逆向工程？

从广义上讲，逆向工程是拆解物体以了解其工作原理的行为。从实践上讲，逆向工程是测量实物，然后将其重建为数字3D模型，然后可以3D打印或以其他方式制造。

在本文中，我们将逐步介绍从物理部件到最终数字模型的过程，并演示整个过程中的关键步骤和主要工具选项。

但首先，让我们看看逆向工程如今有何用途。

逆向工程的应用

在一种逆向工程过程中，使用3D扫描仪捕获全表面3D测量数据，以方便铸造厂进行制模（来源：Capture3D）

重新制造不再生产的备件和工具是逆向工程的明显用途，但它的用途远不止于此。

改进旧零件和产品

如今，许多公司仍在使用几十年前的模具来制造零件，而原始设计和设计决策已随着时间的流逝而消失。借助数字模型，您可以改进旧零件，使其更坚固或更轻。也许原始设计是在当今复杂的模拟和生成工程软件出现之前开发的，这些软件可以虚拟测试应力响应并使用AI提供改进。

售后定制

尤其是在汽车行业，提供完美适合您的新车的产品和配件是一项大生意。为此，制造商需要精确的测量，而3D扫描是最快的方法。您可能并不总是制造这些模型，但3D打印原型进行适合性和组装测试是很常见的。

将手工制作的原型数字化

艺术家、设计师和汽车制造商仍然用粘土塑造概念，但一旦样式获得批准，就该将这些产品投入生产，从数字模型开始。扫描和数字化后，这些模型仍然可以更改并进行压力模拟。

3D扫描可用于创建雕塑模具，以复制艺术作品（来源：Shining 3D）

保护古迹

3D扫描仪已成为世界顶级博物馆的标配设备，用于保护文化遗产。庞大的数字图书馆收藏着艺术和文物的杰作，其中一些以虚拟方式在线展示给广大观众，而另一些则被精心复制以供展示，从而可以安全地保存原件。

珠宝及艺术品复制品

如今，复制传家珠宝或纪念物品变得更容易。扫描原件并缩放到所需尺寸，或扫描到档案中以防发生火灾或丢失。

产品调查

公司经常对竞争对手的产品进行逆向工程，以了解其制造过程、发现其优缺点并从其创新中学习。当然，重新制造产品会受到版权、商标和知识产权的限制。逆向工程还用于调查事件（例如车祸）是如何发生的，方法是对撞车进行3D扫描，并将数字模型与新车的数字模型进行比较。

逆向工程的3个主要步骤

逆向工程工业零件提供了改进和修改零件的机会（来源：Peel 3D）

逆向工程的过程遵循标准的工作流程，根据所使用的特定工具和期望的结果，该工作流程可能会略有不同。一般来说，流程如下：

数据采集：收集尺寸数据的方法有很多种。目前最常用的方法是3D扫描，我们将在下文详细介绍。

数据处理：从3D扫描仪获得的数据被处理成数字模型。原始3D模型通常需要进行一些工作来纠正和细化扫描过程中可能未充分捕获的某些区域。

模型构建：此处采取的具体操作取决于逆向工程的预期结果。如果目标只是复制，那么零件就可以准备制造了。如果需要修复和添加，则在计算机辅助设计软件中处理数字模型。

通过3D扫描获取数据

Scantech的Simscan是一款流行的手掌大小的手持式3D扫描仪，它使用激光来测量和记录表面（来源：Scantech）

不同类型的3D扫描技术使用不同的方法来捕获数据。它们的尺寸和价格差异很大，从手持设备到固定的大型系统。每种技术都有其优缺点，应根据扫描对象的大小和类型进行选择。

逆向工程通常使用基于光学的3D扫描（使用结构光或激光束）来完成。这些扫描仪使用光和传感器的三角测量来收集激光的反射角。有了扫描仪与物体之间的距离，扫描硬件就可以绘制物体表面并记录点以形成3D扫描。3D扫描可以每秒捕获零件上数百万个点的精确位置，从而产生大量数据。

这些光学3D扫描仪以精确著称，分辨率可达数十微米。但另一方面，它们的测量范围可能仅限于几米。

使用照片的摄影测量3D扫描主要用于虚拟显示的数字模型，并且通常没有足够的数据进行逆向工程（来源：3DF Zephyr）

摄影测量是另一种3D扫描技术，将不同角度的照片拼接在一起形成三维物体。该技术严重依赖软件，软件负责处理数百张照片以生成3D模型。随着智能手机功能越来越强大，摄影测量变得越来越流行，因为拍照和处理都可以直接在手中完成。

虽然这项新技术非常适合制作数字彩色3D模型以供在线查看，例如产品图像，但您从智能手机应用程序获得的数据质量不足以进行真正的逆向工程，因为数据量太小，或者您需要在CAD程序中做更多的工作。

逆向工程的数据处理

林肯保护组织扫描的阿贾克斯半身像的线框网格，该组织使用3D扫描技术精确地数字化文物和建筑特征的表面几何形状（来源：林肯保护组织）

现在您已经选择了最适合您的应用和预算的扫描仪并扫描了您的物体，下一步是什么？

不幸的是，3D扫描仪收集的是有关物理对象的数据点；它们不会创建可直接制造的数字模型。人们普遍误以为光学3D扫描仪输出的是数字模型。扫描数据和可制造模型之间还有另一个软件步骤。

事实上，流行的CAD程序（例如Autodesk的Fusion 360或Dassault Systèmes的Solidworks）无法直接从3D扫描仪读取原始数据-必须将其转换为这些CAD系统可以识别和处理的模型。（当然，Solidworks有一项名为ScanTo3D的功能，但它仅限于处理低分辨率3D扫描数据，不适用于逆向工程。）让我们解释一下。

“点云”（原始扫描数据）中的点越多，模型就越精确。（见下图中的牙科扫描点云。）精确的扫描数据可以节省CAD步骤中的大量时间。低分辨率数据可以为您提供要追踪的大致轮廓，但您基本上是在重新创建零件。另一方面，您的应用程序可能不需要所有这些点。

Afanche3D软件中的牙科扫描点云数据（来源：Afanche3D）

位于密歇根州波蒂奇的设备销售和3D扫描服务提供商Laser Abilities的老板迈克·斯普雷(Mike Spray)表示：“总是可以通过减少扫描仪软件中点之间的间距来减小点云的大小。”

他说，扫描仪附带的软件是开始编辑数据的第一个地方。一旦削减了点云，扫描仪软件就可以将点云转换为模型，或称为3D网格，它由数千到数百万个微小的三角形或其他多边形组成。

软件使用算法来“解释”点数据，在许多情况下，填补扫描仪未捕获足够物体数据的空白，例如当表面太亮并干扰扫描仪光线时。这就是软件供应商吹嘘其属性算法和其他“智能”功能的强大之处，这些功能旨在修复点云数据中的任何异常。看看下面的扫描数据图和使用3D扫描仪制造商Artec 3D的Artec Studio软件处理的“清理”模型。

扫描软件（例如Artic Studio）使用算法和人工智能来清除异常并生成更完整的扫描模型（来源：Artec 3D）

一些3D扫描仪制造商，例如Artec、Evixscan、Faro和Zeiss，已经开发出与其硬件配套的复杂软件，虽然这些软件不能完全取代CAD软件，但在将扫描数据转换为CAD模型方面已经取得了长足进步。其他扫描仪制造商，例如Evatronix，将解释步骤留给第三方程序，例如流行的Geomagic。我们将在以下部分介绍所有这些程序。

Spray表示：“从完整或‘水密’网格开始，你可以朝不同的方向发展。网格可以作为STL文件直接导出到3D打印机的切片软件。网格没有实际厚度，但可以应用于切片机。”从这里，你只需点击打印即可。

这种网格到切片的过程用于制作物体的精确物理副本。例如，您可以使用此方法打印用作模型的产品，以测试其适合另一个组件。

然而，对于大多数逆向工程来说，步骤更多，因为扫描的产品可能需要修复或修改才能制造。根据数据采集的顺利程度或扫描仪的精确度，模型可能需要修正、清理、细化，甚至一些细微的表面调整。

例如，为了制造一个工具，需要根据制造方法进行修改。“如果你采用铸造或注塑成型，你需要增加拔模斜度，以便零件可以脱模，”Spray说。“因此，你可能希望为零件增加三度或五度的拔模斜度。你的扫描数据中不会包含这些内容。”同样，一些金属3D打印方法要求你考虑制造过程中的收缩。

将逆向工程目标与软件相匹配并不总是那么容易。通常，3D扫描仪附带的软件就可以了。有时，在扫描仪和CAD程序之间使用专门为编辑扫描数据而创建的程序，可以节省大量CAD程序时间。

编译整理：ALL3DP