1.2　3D打印建模方法

3D打印建模方法主要分為正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)和正逆向混合設(shè)計(jì)。這三種方法在具體應(yīng)用時(shí)，可以利用三維軟件建模、儀器設(shè)備測量建模或利用圖像或者視頻建模，采用其中的一種或幾種技術(shù)相結(jié)合。

1.2.1　正向設(shè)計(jì)

正向設(shè)計(jì)的方法是一個(gè)從概念設(shè)計(jì)起步到CAD模型，它是設(shè)計(jì)者在進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)主要采用的方法。正向設(shè)計(jì)的一般流程包括：首先對要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，即提出滿足功能需求、所有的原理實(shí)現(xiàn)方案，通過比較選擇合適的原理方案；然后通過分析計(jì)算得出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立產(chǎn)品模型。對于復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計(jì)過程難度系數(shù)大、周期較長、成本高、產(chǎn)品研制開發(fā)難。正向設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過程，由于設(shè)計(jì)者無法完全預(yù)估產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中會出現(xiàn)的狀況，需要不斷地修改設(shè)計(jì)方案，才能最終確定產(chǎn)品的定型結(jié)構(gòu)。

常用的正向設(shè)計(jì)軟件包括UG NX、PTC CreoParamatric、SolidWorks、CATIA等。它們的共同特點(diǎn)是利用一些基本的幾何元素（如立方體、球體等），通過一系列幾何操作（如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運(yùn)算等）來構(gòu)建復(fù)雜的幾何實(shí)體。圖1-2所示為采用正向設(shè)計(jì)方法建立的掃地車產(chǎn)品模型。

圖1-2　正向設(shè)計(jì)方法建立的掃地車產(chǎn)品模型

1.2.2　逆向設(shè)計(jì)

逆向設(shè)計(jì)又稱反求設(shè)計(jì)，是一種基于逆向推理的設(shè)計(jì)，通過對現(xiàn)有樣件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)氖侄芜M(jìn)行仿制，或按預(yù)想的效果進(jìn)行改進(jìn)，并最終超越現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。逆向設(shè)計(jì)的一般流程包括：首先對產(chǎn)品樣件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，然后通過相關(guān)軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、精簡、光順等數(shù)據(jù)處理，最后進(jìn)行模型的重構(gòu)或修改，從而得到產(chǎn)品的三維模型。常用的逆向設(shè)計(jì)軟件包括Imageware、Geomagic Studio等。

1.2.3　正逆向混合設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以正向設(shè)計(jì)為主，但并不能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，將正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來已成為設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的一種趨勢。逆向設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)方法各有所長，逆向設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的強(qiáng)大處理功能和復(fù)雜自由曲面的設(shè)計(jì)，一般逆向軟件都提供了對自由曲面的重構(gòu)、編輯修改等功能；正向設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于特征造型和實(shí)體造型，對零件特征的編輯修改比較方便。復(fù)雜產(chǎn)品外殼常常既帶有復(fù)雜曲面，又包含一些簡單特征，要通過單一的逆向設(shè)計(jì)或正向設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。為此，需要把逆向設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢結(jié)合起來，即采用正逆向混合建模技術(shù)，對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行第二次創(chuàng)新。

混合設(shè)計(jì)是從測量數(shù)據(jù)中提取出可以重新進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的特征及設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)行再設(shè)計(jì)，完成CAD 模型。混合建模方法可以分為三種：基于特征與自由形狀的反求建模方法混合；基于截面線與基于面的曲面重建方法混合；幾何形狀創(chuàng)建過程中曲線曲面的特征形式表達(dá)與NURBS 形式表達(dá)混合。混合建模結(jié)合了正向建模與逆向建模的優(yōu)勢，將產(chǎn)品經(jīng)過三維掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對工件進(jìn)行對齊、封裝、修復(fù)、填充等處理建立網(wǎng)格面模型，然后經(jīng)過特征提取、草圖設(shè)計(jì)和定位對齊等來正向設(shè)計(jì)，以此獲得CAD 模型，如圖1-3所示。正逆向混合建模軟件包括Geomagic Design Direct等。

圖1-3　正逆向混合建模