在沒(méi)有示意圖或數(shù)字設計文件的情況下重新創(chuàng )(chuàng)建零件或產(chǎn)(chǎn)品曾經(jīng)(jīng)是一項艱巨的任務(wù)。在3D掃描技術(shù)廣泛應用之前，逆向工程是通過(guò)手工對物體進(jìn)行精確測量來(lái)制作圖紙的。

如今，這一切都發(fā)(fā)生了改變，價(jià)格實(shí)惠的3D掃描技術(shù)、更易于使用的軟件和3D打印機可以快速生產(chǎn)(chǎn)模型、原型，在許多情況下還可以生產(chǎn)(chǎn)最終零件。

圖片1：使用3D掃描對零件進(jìn)行逆向工程在全球工程公司中很常見(jiàn)

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(shí)踐上講，逆向工程是測量實(shí)物，然后將其重建為數(shù)字3D模型，然后可以3D打印或以其他方式制造。

在本文中，魔猴網(wǎng)(wǎng)將為大家逐步介紹從物理部件到最終數(shù)字模型的過(guò)程，并演示整個(gè)過(guò)程中的關(guān)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

圖片2：在一種逆向工程過(guò)程中，使用3D掃描儀捕獲全表面3D測量值，以方便鑄造廠(chǎng)進(jìn)行制模（來(lái)源：Capture3D）

重新制造不再生產(chǎn)(chǎn)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。

1、改進(jìn)舊零件和產(chǎn)(chǎn)品

如今，許多公司仍在使用幾十年前的模具來(lái)制造零件，而原始設計和設計決策已隨著(zhù)時(shí)間的流逝而消失。借助數(shù)字模型，您可以改進(jìn)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(xiàn)之前開(kāi)發(fā)(fā)的，這些軟件可以虛擬測試應力響應并使用AI提供改進(jìn)。

2、售后定制

尤其是在汽車(chē)行業(yè)(yè)，提供完美適合您的新車(chē)的產(chǎn)(chǎn)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(jìn)行適合性和組裝測試是很常見(jiàn)的。

3、將手工制作的原型數(shù)字化

藝術(shù)家、設計師和汽車(chē)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(chǎn)(chǎn)品投入生產(chǎn)(chǎn)了，從數(shù)字模型開(kāi)始。掃描和數(shù)字化后，這些模型仍然可以更改并進(jìn)行壓力模擬。

圖片3：3D掃描可用于創(chuàng )(chuàng)建雕塑模具，以復制藝術(shù)作品（來(lái)源：Shining 3D）

4、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(chǎn)(chǎn)。龐大的數(shù)字圖書(shū)館收藏著(zhù)藝術(shù)和文物的杰作，其中一些以虛擬方式在線(xiàn)展示給廣大觀(guān)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。

5、珠寶及藝術(shù)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(fā)(fā)生火災或丟失。

6、產(chǎn)(chǎn)品調(diào)查

公司經(jīng)(jīng)常對競爭對手的產(chǎn)(chǎn)品進(jìn)行逆向工程，以了解其制造過(guò)程、發(fā)(fā)現(xiàn)其優(yōu)(yōu)缺點(diǎn)并從其創(chuàng )(chuàng)新中學(xué)習。當然，重新制造產(chǎn)(chǎn)品會(huì )受到版權、商標和知識產(chǎn)(chǎn)權的限制。逆向工程還用于調(diào)查事件（例如車(chē)禍）是如何發(fā)(fā)生的，方法是對撞車(chē)進(jìn)行3D掃描，并將數(shù)字模型與新車(chē)的數(shù)字模型進(jìn)行比較。

逆向工程的3個(gè)主要步驟

圖片4：逆向工程工業(yè)(yè)零件提供了改進(jìn)和修改零件的機會(huì )（來(lái)源：Peel 3D）

逆向工程的過(guò)程遵循標準的工作流程，根據(jù)所使用的特定工具和期望的結(jié)果，該工作流程可能會(huì )略有不同。一般來(lái)說(shuō)，流程如下：

數(shù)據(jù)采集：收集尺寸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理：從3D掃描儀獲得的數(shù)據(jù)被處理成數(shù)字模型。原始3D模型通常需要進(jìn)行一些工作來(lái)糾正和細化掃描過(guò)程中可能未充分捕獲的某些區(qū)域。

模型構(gòu)建：此處采取的具體操作取決于逆向工程的預期結(jié)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(shù)字模型。

通過(guò)3D掃描獲取數(shù)據(jù)

圖片5：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(lái)測量和記錄表面（來(lái)源：Scantech）

不同類(lèi)型的3D掃描技術(shù)使用不同的方法來(lái)捕獲數(shù)據(jù)。它們的尺寸和價(jià)格差異很大，從手持設備到固定的大型系統(tǒng)。每種技術(shù)都有其優(yōu)(yōu)缺點(diǎn)，應根據(jù)掃描對象的大小和類(lèi)型進(jìn)行選擇。

逆向工程通常使用基于光學(xué)的3D掃描（使用結(jié)構(gòu)光或激光束）來(lái)完成。這些掃描儀使用光和傳感器的三角測量來(lái)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(diǎn)以形成3D掃描。3D掃描可以每秒捕獲零件上數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的精確位置，從而產(chǎn)(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。

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

有關(guān)市場(chǎng)上最好的3D掃描儀的詳細信息，請務(wù)必查看下面鏈接的指南中我們對產(chǎn)(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)的總結(jié)。

圖片6：使用照片的攝影測量3D掃描主要用于虛擬顯示的數(shù)字模型，并且通常沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向工程（來(lái)源：3DF Zephyr）

攝影測量是另一種3D掃描技術(shù)，將不同角度的照片拼接在一起形成三維物體。該技術(shù)嚴重依賴(lài)軟件，軟件負責處理數(shù)百張照片以生成3D模型。隨著(zhù)智能手機功能越來(lái)越強大，攝影測量變得越來(lái)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(shù)非常適合制作數(shù)字彩色3D模型以供在線(xiàn)查看，例如產(chǎn)(chǎn)品圖像，但您從智能手機應用程序獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)(zhì)量不足以進(jìn)行真正的逆向工程，因為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理

圖片7：林肯保護組織掃描的阿賈克斯半身像的線(xiàn)框網(wǎng)(wǎng)格，該組織使用3D掃描技術(shù)精確地數(shù)字化文物和建筑特征的表面幾何形狀（來(lái)源：林肯保護組織）

現(xiàn)在您已經(jīng)(jīng)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(guān)物理對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)；它們不會(huì )創(chuàng )(chuàng)建可直接制造的數(shù)字模型。人們普遍誤以為光學(xué)3D掃描儀輸出的是數(shù)字模型。掃描數(shù)據(jù)和可制造模型之間還有另一個(gè)軟件步驟。

事實(shí)上，流行的CAD程序（例如Autodesk的Fusion 360或Dassault Systèmes的Solidworks）無(wú)法直接從3D掃描儀讀取原始數(shù)據(jù)-必須將其轉(zhuǎn)換為這些CAD系統(tǒng)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(shù)據(jù)，不適用于逆向工程。）讓我們解釋一下。

“點(diǎn)云”（原始掃描數(shù)據(jù)）中的點(diǎn)越多，模型就越精確。（見(jiàn)下圖中的牙科掃描點(diǎn)云。）精確的掃描數(shù)據(jù)可以節(jié)省CAD步驟中的大量時(shí)間。低分辨率數(shù)據(jù)可以為您提供要追蹤的大致輪廓，但您基本上是在重新創(chuàng )(chuàng)建零件。另一方面，您的應用程序可能不需要所有這些點(diǎn)。

圖片8：Afanche3D軟件中的牙科掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)（來(lái)源：Afanche3D）

位于密歇根州波蒂奇的設備銷(xiāo)售和3D掃描服務(wù)提供商Laser Abilities的老板邁克·斯普雷(Mike Spray)表示：“總是可以通過(guò)減少掃描儀軟件中點(diǎn)之間的間距來(lái)減小點(diǎn)云的大小?！?/span>

他說(shuō)，掃描儀附帶的軟件是開(kāi)始編輯數(shù)據(jù)的第一個(gè)地方。一旦削減了點(diǎn)云，掃描儀軟件就可以將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為模型，或稱(chēng)為3D網(wǎng)(wǎng)格，它由數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的三角形或其他多邊形組成。

軟件使用算法來(lái)“解釋”點(diǎn)數(shù)據(jù)，在許多情況下，填補掃描儀未捕獲足夠物體數(shù)據(jù)的空白，例如當表面太亮并干擾掃描儀光線(xiàn)時(shí)。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(diǎn)云數(shù)據(jù)中的任何異常?？純聰旅嫻膾咼钄?shù)據(jù)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。

圖片9：掃描軟件（例如Artic Studio）使用算法和人工智能來(lái)清除異常并生成更完整的掃描模型（來(lái)源：Artec 3D）

一些3D掃描儀制造商，例如Artec、Evixscan、Faro和Zeiss，已經(jīng)(jīng)開(kāi)發(fā)(fā)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD模型方面已經(jīng)(jīng)取得了長(cháng)足進(jìn)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(wǎng)(wǎng)格開(kāi)始，你可以朝不同的方向發(fā)(fā)展。網(wǎng)(wǎng)格可以作為STL文件直接導出到3D打印機的切片軟件。網(wǎng)(wǎng)格沒(méi)有實(shí)際厚度，但可以應用于切片機?！睆倪@里，你只需點(diǎn)擊打印即可。

這種網(wǎng)(wǎng)格到切片的過(guò)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(chǎn)(chǎn)品，以測試其適合另一個(gè)組件。

然而，對于大多數(shù)逆向工程來(lái)說(shuō)，步驟更多，因為掃描的產(chǎn)(chǎn)品可能需要修復或修改才能制造。根據(jù)數(shù)據(jù)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(diào)整。

例如，為了制造一個(gè)工具，需要根據(jù)制造方法進(jìn)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(shuō)?！耙虼?，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(shù)據(jù)中不會(huì )包含這些內(nèi)容?！蓖瑯?，一些金屬3D打印方法要求你考慮制造過(guò)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(shí)，在掃描儀和CAD程序之間使用專(zhuān)門(mén)為編輯掃描數(shù)據(jù)而創(chuàng )(chuàng)建的程序，可以節(jié)省大量CAD程序時(shí)間。

3D掃描儀軟件

圖片10：FlexScan3D是支持Polyga 3D掃描儀的3D掃描軟件（來(lái)源：Polyga）

選擇3D掃描儀時(shí)，還要考慮隨掃描儀提供的兩種軟件。事實(shí)上，擁有一臺好的3D掃描儀只是成功的一半。正確捕獲物理對象的能力同樣受到掃描時(shí)用于處理掃描的軟件的影響。這是您將使用的第一種掃描軟件，它是掃描儀的功能而不是選項。它本質(zhì)(zhì)上決定了您的掃描過(guò)程的難易程度。它不僅指導您完成掃描工作流程，而且還提供有關(guān)設備移動(dòng)的實(shí)時(shí)反饋，讓您知道是否需要重新掃描某個(gè)部分。

第二種軟件通常是可選的，用于收集掃描數(shù)據(jù)后。它有助于將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型。掃描儀制造商通常會(huì )提供這種類(lèi)型的可選訂閱。

如果您喜歡的工作流程是讓掃描儀軟件通過(guò)一系列易于使用的自動(dòng)化工具完成大部分掃描數(shù)據(jù)處理，那么大多數(shù)主要掃描儀品牌都可以提供選擇，包括Artec、Faro、Shining3D、Evatronix和Zeiss。

雖然3D掃描儀軟件并非旨在取代完整的CAD系統(tǒng)，但它可以完成將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可制造模型的大部分工作。例如，它們不僅可以生成數(shù)據(jù)來(lái)修復基于相鄰區(qū)域的間隙或孔洞，而且這些程序還可以將基本幾何特征（平面、柱體、圓柱體、球體）強加到網(wǎng)(wǎng)格模型中。

如果您希望掃描儀僅輸出可在您喜歡的CAD或掃描到CAD軟件中編輯的可靠數(shù)據(jù)，那么大多數(shù)掃描儀都可以這樣做，然后您可以使用獨立產(chǎn)(chǎn)品（如Geomagic、Autodesk Meshmixer、GOM Inspect的免費版本）以及Solidworks或其他CAD程序的插件。

通過(guò)3D打印構(gòu)建模型

現(xiàn)在，您已經(jīng)(jīng)準備好最終模型，可以開(kāi)始制造了。3D打印是最快且通常最便宜的方式。您只需將數(shù)字模型上傳到魔猴網(wǎng)(wǎng)3D打印服務(wù)平臺，選擇材料后，2天后即可收到打印件，有時(shí)甚至更快。

來(lái)源：all3dp