使用3D掃描儀和軟件進行逆向工程零件

魔猴君  知識堂   5天前

在沒有示意圖或數字設計文件的情況下重新創建零件或產品曾經是一項艱巨的任務。在3D掃描技術廣泛應用之前，逆向工程是通過手工對物體進行精確測量來制作圖紙的。

如今，這一切都發生了改變，價格實惠的3D掃描技術、更易于使用的軟件和3D打印機可以快速生產模型、原型，在許多情況下還可以生產最終零件。

使用3D掃描對零件進行逆向工程在全球工程公司中很常見，例如Sulzer（左）和專業逆向工程公司，例如Aeroscan（右）。

什么是逆向工程？

從廣義上講，逆向工程是拆解物體以了解其工作原理的行為。從實踐上講，逆向工程是測量實物，然后將其重建為數字3D模型，然后可以3D打印或以其他方式制造。

在本文中，我們將逐步介紹從物理部件到最終數字模型的過程，并演示整個過程中的關鍵步驟和主要工具選項。

但首先，讓我們看看逆向工程如今有何用途。

逆向工程的應用

在一種逆向工程過程中，使用3D掃描儀捕獲全表面3D測量數據，以方便鑄造廠進行制模（來源：Capture3D）

重新制造不再生產的備件和工具是逆向工程的明顯用途，但它的用途遠不止于此。

改進舊零件和產品

如今，許多公司仍在使用幾十年前的模具來制造零件，而原始設計和設計決策已隨著時間的流逝而消失。借助數字模型，您可以改進舊零件，使其更堅固或更輕。也許原始設計是在當今復雜的模擬和生成工程軟件出現之前開發的，這些軟件可以虛擬測試應力響應并使用AI提供改進。

售后定制

尤其是在汽車行業，提供完美適合您的新車的產品和配件是一項大生意。為此，制造商需要精確的測量，而3D掃描是最快的方法。您可能并不總是制造這些模型，但3D打印原型進行適合性和組裝測試是很常見的。

將手工制作的原型數字化

藝術家、設計師和汽車制造商仍然用粘土塑造概念，但一旦樣式獲得批準，就該將這些產品投入生產，從數字模型開始。掃描和數字化后，這些模型仍然可以更改并進行壓力模擬。

3D掃描可用于創建雕塑模具，以復制藝術作品（來源：Shining 3D）

保護古跡

3D掃描儀已成為世界頂級博物館的標配設備，用于保護文化遺產。龐大的數字圖書館收藏著藝術和文物的杰作，其中一些以虛擬方式在線展示給廣大觀眾，而另一些則被精心復制以供展示，從而可以安全地保存原件。

珠寶及藝術品復制品

如今，復制傳家珠寶或紀念物品變得更容易。掃描原件并縮放到所需尺寸，或掃描到檔案中以防發生火災或丟失。

產品調查

公司經常對競爭對手的產品進行逆向工程，以了解其制造過程、發現其優缺點并從其創新中學習。當然，重新制造產品會受到版權、商標和知識產權的限制。逆向工程還用于調查事件（例如車禍）是如何發生的，方法是對撞車進行3D掃描，并將數字模型與新車的數字模型進行比較。

逆向工程的3個主要步驟

逆向工程工業零件提供了改進和修改零件的機會（來源：Peel 3D）

逆向工程的過程遵循標準的工作流程，根據所使用的特定工具和期望的結果，該工作流程可能會略有不同。一般來說，流程如下：

數據采集：收集尺寸數據的方法有很多種。目前最常用的方法是3D掃描，我們將在下文詳細介紹。

數據處理：從3D掃描儀獲得的數據被處理成數字模型。原始3D模型通常需要進行一些工作來糾正和細化掃描過程中可能未充分捕獲的某些區域。

模型構建：此處采取的具體操作取決于逆向工程的預期結果。如果目標只是復制，那么零件就可以準備制造了。如果需要修復和添加，則在計算機輔助設計軟件中處理數字模型。

通過3D掃描獲取數據

Scantech的Simscan是一款流行的手掌大小的手持式3D掃描儀，它使用激光來測量和記錄表面（來源：Scantech）

不同類型的3D掃描技術使用不同的方法來捕獲數據。它們的尺寸和價格差異很大，從手持設備到固定的大型系統。每種技術都有其優缺點，應根據掃描對象的大小和類型進行選擇。

逆向工程通常使用基于光學的3D掃描（使用結構光或激光束）來完成。這些掃描儀使用光和傳感器的三角測量來收集激光的反射角。有了掃描儀與物體之間的距離，掃描硬件就可以繪制物體表面并記錄點以形成3D掃描。3D掃描可以每秒捕獲零件上數百萬個點的精確位置，從而產生大量數據。

這些光學3D掃描儀以精確著稱，分辨率可達數十微米。但另一方面，它們的測量范圍可能僅限于幾米。

使用照片的攝影測量3D掃描主要用于虛擬顯示的數字模型，并且通常沒有足夠的數據進行逆向工程（來源：3DF Zephyr）

攝影測量是另一種3D掃描技術，將不同角度的照片拼接在一起形成三維物體。該技術嚴重依賴軟件，軟件負責處理數百張照片以生成3D模型。隨著智能手機功能越來越強大，攝影測量變得越來越流行，因為拍照和處理都可以直接在手中完成。

雖然這項新技術非常適合制作數字彩色3D模型以供在線查看，例如產品圖像，但您從智能手機應用程序獲得的數據質量不足以進行真正的逆向工程，因為數據量太小，或者您需要在CAD程序中做更多的工作。

逆向工程的數據處理

林肯保護組織掃描的阿賈克斯半身像的線框網格，該組織使用3D掃描技術精確地數字化文物和建筑特征的表面幾何形狀（來源：林肯保護組織）

現在您已經選擇了最適合您的應用和預算的掃描儀并掃描了您的物體，下一步是什么？

不幸的是，3D掃描儀收集的是有關物理對象的數據點；它們不會創建可直接制造的數字模型。人們普遍誤以為光學3D掃描儀輸出的是數字模型。掃描數據和可制造模型之間還有另一個軟件步驟。

事實上，流行的CAD程序（例如Autodesk的Fusion 360或Dassault Systèmes的Solidworks）無法直接從3D掃描儀讀取原始數據-必須將其轉換為這些CAD系統可以識別和處理的模型。（當然，Solidworks有一項名為ScanTo3D的功能，但它僅限于處理低分辨率3D掃描數據，不適用于逆向工程。）讓我們解釋一下。

“點云”（原始掃描數據）中的點越多，模型就越精確。（見下圖中的牙科掃描點云。）精確的掃描數據可以節省CAD步驟中的大量時間。低分辨率數據可以為您提供要追蹤的大致輪廓，但您基本上是在重新創建零件。另一方面，您的應用程序可能不需要所有這些點。

Afanche3D軟件中的牙科掃描點云數據（來源：Afanche3D）

位于密歇根州波蒂奇的設備銷售和3D掃描服務提供商Laser Abilities的老板邁克·斯普雷(Mike Spray)表示：“總是可以通過減少掃描儀軟件中點之間的間距來減小點云的大小。”

他說，掃描儀附帶的軟件是開始編輯數據的第一個地方。一旦削減了點云，掃描儀軟件就可以將點云轉換為模型，或稱為3D網格，它由數千到數百萬個微小的三角形或其他多邊形組成。

軟件使用算法來“解釋”點數據，在許多情況下，填補掃描儀未捕獲足夠物體數據的空白，例如當表面太亮并干擾掃描儀光線時。這就是軟件供應商吹噓其屬性算法和其他“智能”功能的強大之處，這些功能旨在修復點云數據中的任何異常。看看下面的掃描數據圖和使用3D掃描儀制造商Artec 3D的Artec Studio軟件處理的“清理”模型。

掃描軟件（例如Artic Studio）使用算法和人工智能來清除異常并生成更完整的掃描模型（來源：Artec 3D）

一些3D掃描儀制造商，例如Artec、Evixscan、Faro和Zeiss，已經開發出與其硬件配套的復雜軟件，雖然這些軟件不能完全取代CAD軟件，但在將掃描數據轉換為CAD模型方面已經取得了長足進步。其他掃描儀制造商，例如Evatronix，將解釋步驟留給第三方程序，例如流行的Geomagic。我們將在以下部分介紹所有這些程序。

Spray表示：“從完整或‘水密’網格開始，你可以朝不同的方向發展。網格可以作為STL文件直接導出到3D打印機的切片軟件。網格沒有實際厚度，但可以應用于切片機。”從這里，你只需點擊打印即可。

這種網格到切片的過程用于制作物體的精確物理副本。例如，您可以使用此方法打印用作模型的產品，以測試其適合另一個組件。

然而，對于大多數逆向工程來說，步驟更多，因為掃描的產品可能需要修復或修改才能制造。根據數據采集的順利程度或掃描儀的精確度，模型可能需要修正、清理、細化，甚至一些細微的表面調整。

例如，為了制造一個工具，需要根據制造方法進行修改。“如果你采用鑄造或注塑成型，你需要增加拔模斜度，以便零件可以脫模，”Spray說。“因此，你可能希望為零件增加三度或五度的拔模斜度。你的掃描數據中不會包含這些內容。”同樣，一些金屬3D打印方法要求你考慮制造過程中的收縮。

將逆向工程目標與軟件相匹配并不總是那么容易。通常，3D掃描儀附帶的軟件就可以了。有時，在掃描儀和CAD程序之間使用專門為編輯掃描數據而創建的程序，可以節省大量CAD程序時間。

編譯整理：ALL3DP