逆向工程在增材制造领域的应用技术研究

基于增材制造的建模逆向工程技术是指在没有设计图纸以及三维模型的情况下，用一定的手段获得实体产品的点云数据，然后根据测量数据采用三维几何建模方法重构实物三维模型的过程，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造结果，最终生成适用于增材制造的标准模板库（STL）数据，据此进行3D打印成形。基于增材制造的成分逆向工程技术是指在不清楚合金成分的情况下，用一定的检测手段获得零件的成分范围，然后进行成分比对，最终确定合金牌号的过程。

基于增材制造的逆向设计过程中有3大关键技术：其一是实体模型的数据采集与噪点消除技术；其二是模型重建优化技术；其三是成分反推技术。以燃气轮机某型导向叶片为例，阐述了利用逆向工程技术对造型复杂的零件进行模型重建的步骤和方法：采用蓝光扫描对零件外表面进行数据采集，采用工业CT对零件内部复杂结构进行数据采集，同时利用三坐标测量配合实体造型软件获得反求不规则曲面的点云数据，最后利用Geomagic Studio软件完成对点云数据的处理和三维模型的重建，生成三维实体。综合利用因特网内容提供商（ICP）、搜索引擎营销（SEM）与能谱仪（EDS）等分析手段，获得导向叶片不同部位的合金成分信息。最终采用SLM280激光3D打印机打印出实体模型，对试验得到的数据与打印模型进行对比，测试数据误差在0.1mm内，达到燃气轮机的装机使用要求。

一、设计思路

1.工业蓝光扫描测量

采用非接触式测量方式，用工业级蓝光三维扫描仪对导向叶片表面复杂的自由曲面进行点云数据处理分析。采用的工业级蓝光三维扫描仪单面精度达到2～5μm，可生成高密度点云数据，工件表面精细部位清晰，系统具备对测量产生的噪点进行修剪、剔除等功能，确保测量精度。与白光扫描相比，蓝标扫描抗干扰性更强，扫描精度更高。

采用蓝光扫描获得的导向叶片表面模型如图1所示。从图1中可以发现，采用工业蓝光扫描测试能够获得表面复杂的点云数据，进而形成初步的三维模型轮廓，但是对于某些光路“死角”的地方，存在较多的噪声点，故而在这些地方无法实现高精度测量，需后期进行修复处理，处理完成后的表面可能仍存在较大的偏差或者出现无法修复的情况，因此需要另选其他方法进行“丢失”数据的补充。

2.工业CT扫描测量

燃气轮机导向叶片由中腔、前腔、后腔、导流板、前后腔隔板等组成，内部结构十分复杂，在无图纸的前提下，确定其尺寸极其困难。目前，测量导向叶片内部结构的测量方式有以下4种。超声测量法从使用上来说是一种较为便捷的方式，检测零件内部结构也能达到较高的精度和效率，但是对于复杂型腔，特别是有特殊回路的结构检测存在一定的局限性，其原因在于复杂结构的各向异性造成超声波波速的各向异性，从而导致入射波在复杂型腔内壁经过多次发射，不能通过简单的追踪发射波得到实际声波的传播路径，造成一定的测量误差；电磁霍尔效应法可以利用材料形状不同引起的磁场变化来表征构件的几何特征，但是该方法的重复定位性较差，难以得到精确的测量结果；涡流扫描测试法是一种基于电涡流效应的无损、非接触式的检测方法，该方法不需要借助机械式探头扫描即可实现大范围的高速测量，能够达到较高的测量精度和分辨率，但是检测过程比较复杂。

工业CT扫描测量法是一种通过射线形成物体横截面图像的无损检测方法。该方法不受工件材料种类、形状结构及表面状况等限制，可对工件内外部所有结构尺寸全面的高精密测量，并能够精确的测量出零件的几何结构，且成像直观、目标特征不受周围细节的遮挡，同时可实现工件材质的缺陷分析。这些优势正好弥补了其他方式测量导向叶片的不足，有效解决了导向叶片内部复杂结构测量困难的问题。导向叶片不同截面的CT图像如图2所示，该图很好地展示了导向叶片的内部结构，能够较精确地测得实物尺寸。

3.三坐标测量

工业CT扫描测量法仍然会带来少部分“噪声点”，导致部分尺寸無法确认。因此，需借助三坐标测量法消除“噪声点”，进一步提高测量的精度与可靠性。三坐标测量是将待测量零件置于测量腔体内，通过机器运动带动传感器精密的获得待测零件的“原点”并建立坐标系，然后采用最小二乘法等计算方法，拟合形成相关几何测量元素，最后经过数据分析得出零件的尺寸、形位公差及其他几何量数据。

三坐标测量的核心点有2个，其一是测头的校准；其二是建立坐标系。在测头校准环节，首先要评估待测零件的尺寸和形状，根据零件的几何特征选取合适的测头与测针，然后按照测量的技术标准要求进行校准、测试，直到达到测量所要求的精度为止；在启动测量零件前，需掌握零件点、线、面等基本几何要素，建立零件的坐标系，并结合待测零件的几何特征进行综合判定与分析。通过上述2步获取待测零件的点云数据，并将测试结果输出构建待测零件的三维模型。

4.点云数据处理

零件的点云数据采集是进行逆向工程的关键工作，是数据处理和模型重构的核心。采集的点云数据要求保证精度及其完整性。针对导向叶片造型复杂、曲面多的特点，分别采用工业蓝光扫描测量、工业CT扫描测量、三坐标测量等方式，在短时间内获得高质量复杂零件的点云数据。

采用上述测量方式进行点云数据采集时，由于各种因素影响，在测量过程中可能存在各种“突变”现象，这些突变点不能真实反映被测零件的原始几何特征，谓之“噪声点”。为了消除初始点云数据噪声对模型重构的影响，需将点云数据导入到逆向工程软件Geomagic Studio中进行精简、降噪、采样、修补残缺点云等处理。

二、三维模型重构

1.包络处理

采用UG软件对点云数据进行处理及三维重构。由工业蓝光扫描测量、工业CT扫描测量、三坐标测量得到的零件测量数据不一定尽善尽美，与实际的结构可能存在细微的区别，还需要再进行逆向重构。但是这种逆向重构不能背离已有的测量数据、另加的原始结构和曲面特征等。在进行逆向重构的基础上还需要对三维模型作正向处理，补齐3种测量方式没有检测到的重要特征（如进行逆向重构的人员是行业内专业性较强的业内人士，还可以在此基础上进行结构的优化设计），最后再对整体结构进行融合包络。

2.重构曲线曲面

重构导向叶片曲线曲面时，尽量不要采用直接由点云构造曲面的方式，原因在于这种生成曲面的方式与原始点云数据的关联性较差，如后期重新进行数据编辑，曲面不会跟随改变，导致重构出来的曲面无法进行后续的设计和修改。所以，笔者采用通过点云数据先构造曲线后构造曲面的方法来确定零件的最终曲面。在曲面重构过程中，根据导向叶片的外形特征筛选掉一些非关键点数据，选取可用、需细化的点云数据进行构造。构造曲面的曲线做到尽可能简单，同时保证曲线的光滑性，不能出现尖角、不平滑、交叉或重叠的现象。此外，高阶段次曲面与构造非参数化的曲面会造成后期曲面调整比较困难，因此也需要尽量避免使用高阶次曲面与构造非参数化的曲面。

3.修整处理

曲面构造完成后，对于尖角、不平滑、交叉或重叠等曲面必须进行修整处理，如圆角过渡、平滑处理、交叉及重叠曲面的修剪处理等。通过对曲面进行修整，不仅可以有效避免应力集中，提高零件强度，还可以提升零件的曲面更贴合实际。最后对修整后的曲面进行局部特征设计与优化，完成整个模型的重构。

4.最终修正

模型构件完成后，仍然会存在一些数据点云中不存在、但是多出来的很多实际面，故而需要在测量获得的数据点云基础上，根据导向叶片实物的具体形貌特征再次进行模型的特征面添加和修整，完成最终的反求过程。通过三维重构后获得的导向叶片最终三维模型如图4所示。

三、材料成分确定

综合利用ICP、SEM与EDS等分析手段，对导向叶片进行表征。通过上述分析技术，得到导向叶片不同部位的合金成分信息。首先，采用SEMEDS技术，对叶片内外环进行了合金组织观察及成分检测，叶片内外环示意图如图5所示。

由EDS结果分析可知外圈合金是一种镍基高温合金，基体中主要成分为镍（Ni）、铬（Cr）、钴（Co）及少量的钛（Ti）。经计算合金中碳化物为M〔钽（Ta）、Ti、铌（Nb）〕C型碳化物。由EDS结果可得外圈合金的具体成分如表1所示。

由EDS结果分析可知内圈合金是一种镍铬合金，基体中主要成分为Ni、Cr及一部分的Fe。经计算合金中碳化物为M（Ni、Cr）C型碳化物。由EDS结果可得外圈合金的具体成分如表2所示。

经实验分析导向叶片内外圈的合金成分及加工方式都不相同，但是考虑到内圈有冷却气流，故而可知内圈材料性能可以稍低于外圈材料性能，为了便与后续的3D打印，则可以选取性能较为优异的外圈材料进行导向叶片的3D打印制作。

为了进一步验证及确定外圈合金成分对应的具体合金牌号，采用ICP的方式进行合金成分的复检。由ICP结果可得外圈合金的具体成分如表3所示。对比表1与表3成分，从而确定最终的合金牌号。

四、3D打印实现

确定导向叶片的三维模型与具体成分后，需对设计完成的产品做首件鉴定来验证逆向工程的完整性，力求找出产品结构、功能上的设计缺陷与不足。实际生产过程中，要求首次鉴定的产品制作周期短、成本低、能够快速验证并能很快的找出产品的不足及时优化改善，为产品定型提供依据。

结合逆向工程零件的特点，采用激光选区熔化增材制造技术（SLM）对数据模型进行打印，再对零件进行支撑去除，表面喷砂、抛光等后处理，最终得到首件产品。采用金属3D打印技术优势在于能够快速对零件进行外观验证、结构验证以及功能验证。隨后再次对首件产品进行三坐标测量，根据测试结果对比与实物之间的差别，根据查找出的“异点”，对三维设计模型进行进一步的细化和修改，确定最终三维设计模型数据，打印出满足装机使用要求的导向叶片实物，测试数据误差在0.1mm内，导向叶片打印实物如图6所示。

五、结语

采用基于增材制造的逆向工程技术进行燃气轮机导向叶片等复杂产品的创新设计涉及多项关键技术、多种设备和多种软件使用。利用工业蓝光扫描测量、工业CT扫描测量、三坐标测量采集导向叶片的点云数据，在逆向工程软件Geomagic Studio中进行点云数据处理，并导入到UG软件中进行三维建模，对导向叶片进行反求设计；综合利用ICP、SEM与EDS等分析手段，获得导向叶片不同部位的合金成分信息；3D打印实践表明，采用上述方法构件的三维模型精度高、表面质量好，可实现参数化设计，便于修改。采用基于增材制造的逆向工程技术，提高了设计效率，极大地缩短了产品的开发周期，对其他航空航天复杂构件的反求工程开发具有一定的借鉴价值。

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