工程技术与3D打印技术相结合是测试产品设计是否合理的最佳和最快的方法，解决了当前产品设计进阶或部分变化的问题，是产品创新设计的主要方法。基于此，本文首先分析逆向工程技术和工业设计的特点，然后探讨逆向工程技术在工业品设计中的优势，最后阐述逆向工程和3D打印技术在工业设计中的应用。
关键词：逆向工程；工业设计；3D打印技术
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0025-03
Application of Reverse Engineering and 3D Printing
Technology in Industrial Design
WU Bing LI Yun YANG Yanbo
（Shaanxi Industrial Vocational College， Xianyang Shaanxi 712000）
Abstract： The combination of reverse engineering technology and 3D printing technology is the best and fastest way to test the rationality of product design. It solves the problem of product design improvement or partial change and is the main method of product innovation design. Based on this， this paper first analyzed the characteristics of reverse engineering technology and industrial design， then discussed the advantages of reverse engineering technology in industrial design， and finally described the application of reverse engineering and 3D printing technology in industrial design.
Keywords： reverse engineering；industrial design；3D printing technology
Reverse Engineering（RE）是一种新的计算机辅助设计技术，被称为逆向工程。其包含了一系列分析方法和应用技术。从广义上讲，逆向工程包括许多方面，如形状（几何）逆向、工艺逆向和材料逆向，是一项复杂的系统工程，具有许多先进的技术。现在，逆向工程的大量研究主要集中在形式的逆转上，即利用现有的物理对象原型，利用三维数字测量设备，快速准确地得到原型的三维空间数据，也就是点云。在优化点云、曲面构造、编辑之后，可以使用精确的CAD模型进行生产。根据传统制造工艺生产原型产品，也可用于快速技术生产准确的产品样品或原型。Reverse Engineering目前的應用范围主要是产品模仿和改变。工业设计过程是从最初产品萌芽、创意开始到计划设计，包括物理模型的手工生产，计划的修改，精确的CAD模型建立，生产和营销的整个过程。在这个流程中，创新是产品的核心。逆向工程技术在产品开发中的应用将加速产品设计，缩短开发周期，使工业设计的技术手段多样化，工业设计的创新变得普遍。
1 逆向工程技术的原理和方法
1.1 逆向工程技术的概念
逆向工程技术就是将现实的零件或模型转换为工程概念和数字模型的技术。基于物理模型的产品建模方法已成为CAD/CAM中一个独立的方法和技术。逆向工程技术是一系列分析方法和应用技术的结合，用于消化和吸收先进技术。其采用先进的产品设备，以软件或图像作为研究对象，运用现代设计方法论、生产工程学、材料科学及相关专业知识原理，系统地进行分析研究，探索并掌握关键技术，以开发更高级的同类产品。逆向工程实际上能实现产品复制或产品再现，也可以改进和创新产品，这一点和工业设计的创新是一致的。三维数据测量、数据处理和三维重建是逆向工程的关键技术。
1.2 逆向工程技术的特点
逆向工程在新产品开发和产品改造设计、产品模仿、质量分析和测试等领域使用较为普遍。逆向工程业务范围主要是单件、小批量的零件制造，逆向工程技术的利用可以加快产品换代，加快产品和系列产品的设计，缩短产品设计和开发周期，降低开发新产品的成本，提高抗风险能力。
1.3 逆向工程的实施
快速、准确和全面地获取物理原型的3D数据是逆向工程中的重要环节，其中数据质量是逆向工程的关键点。数据采集主要是利用测量方法和设备来测量物理对象表面多个点的几何坐标数据，数据采集可以通过多种方法完成。根据与被测物体表面的接触形式，数据采集可分为接触测量和不接触测量两种。
2 工业设计的特点
在现代工业革命时代，工业设计在市场经济的发展中应运而生，是科技与艺术的融合，主要是为了适应市场和提高社会效益，以创建更合理的生活方式为原则，采用人性化的造型设计，推出新产品。在满足消费者需求的情况下，能取得不错的市场地位和经济效益。工业设计以产品创新为准则，在产品创意的初期阶段，为了协助设计的实现，将会制作产品模型或粗略的数字原型来分析产品的形状和特征，以此来评估方案的可行性。这在工业设计过程中的作用非同小可：第一，可以直观地看到产品的三维空间情况；第二，能查看产品结构是否合理。工业设计中的物理模型包括粗模型、精细模型和结构模型三种。
在明确设计方案后，工程师必须建造精度高的CAD数字模型。从设计到制作转变，逆向工程在工业设计中的应用可以作为产品设计师和机械设计师之间沟通的纽带和桥梁，从而确保产品质量，并缩短产品设计的开发周期。借助逆向工程技术，设计人员可以在较短时间内完成概念设计到产品实现。
3 逆向工程技术在工业品设计中的优势
3.1 优化工业设计和开发过程
将逆向工程方法引入传统工业设计过程，采用创新设计方法作为设计方法时，可以为企业节省设计和开发时间，检查创新产品的缺陷并进行改进，并且可以改变产品的输出模式和生产速度。
在原来的工业设计过程中，循环的起点是从开发点到概念设计。循环的目的是探索初始营销测试中所需的产品概念。当逆向工程引入产品设计时，最初的设计过程是营销人员拿出当前市场上的畅销产品，并使用逆向工程方法构建整个产品。扫描成3D模型架构，成为后续设计过程和设计思路的基础。工业设计师从营销人员那里获得现在市场上的所有产品信息及消费者对目前产品的期待和需求，将其作为改进产品的设计基础，并实现现有产品设计理念的激发，以产生一系列设计理念，或生产创新产品功能和新的需求形式，寻求探索现有产品中未考虑的设计概念，以寻求各方面的突破，把这一系列概念设计成图纸和有关人员进行讨论。在回顾设计师的设计理念时，一方面是设计师绘制的概念图，在与营销人员、老板和其他设计师及工程师讨论后，设计概念得到认可。另一方面，审查设计概念之后，有必要进行一些修改。从图1中可以看出，当逆向工程被引入设计过程时，整个设计过程变得更加简单和可控，且彼此之间的设计活动重复较少。通常情况下，企业在开发新产品时会考虑是否有订单，是否有客户需求。为了避免生产后滞销，会对目前市场上的畅销产品进行改进。改进后的产品必须优于现有产品，卖点更多或价格必须相对较低，这是改进的前提条件。在产品设计构想中，可以从现有产品架构中找到更多设计概念、新功能、新结构、新形状、新消费阶層或新制造方法，从而产生与现有产品不同的新产品，或缩短生产时间，或降低生产成本。
3.2 逆向工程技术实现设计师和产品之间的互动
前瞻性的设计和开发过程可以有效展示设计师的创新设计思想，但其也是一种单向设计行为。引入逆向开发过程，设计人员可以按照自己的设计思路设计产品，依托逆向工程技术快速生成三维的产品模型，可以产生即时的互动和响应，同时让设计师及时有效地接收产品的反馈信息，讨论并验证设计的合理性。在概念设计中，由于设计师的能力问题，无法整体考虑结构、形状、尺寸和其他问题并在短时间内优化结果。而这不仅会使设计耗时，而且会因考虑不周导致返工。借助逆向工程的快速原型技术，设计人员可以在设计初始阶段快速获得原型产品的真实样品，并且可以根据问题快速修改和重做样品，甚至可以制作试模和少量产品，以便判断相关问题。这为设计人员创造了良好的设计环境，设计人员不需要反复思考和修改，可以尽快进行优化。同时，通过产品样本的展示，设计师还可以了解制造商、营销商和未来用户对此设计方案的评价和意见，实现及时沟通，确保设计方案顺利进行。在产品设计的早期阶段，如果制造商能获得快速原型产品的真实样品，甚至是少量试制产品，就能尽早就产品设计提出材料和可加工性的意见。此外，其还能提高设计方案的可行性，降低加工成本，提高产品质量。在产品设计的早期阶段，如果销售人员能获得产品样本，就能尽快咨询用户，并做出更准确的市场需求预测，以判断市场反应。同时，营销人员还可以收集市场上现有的畅销产品，通过逆向工程收集产品的人机数据，从而提供基本的人机数据和设计数据。设计师以此进行产品开发，然后设计一个舒适且易于使用的产品。在产品设计的早期阶段，如果用户能看到产品样品，其就能尽早了解产品，进行必要的试用，并提出相关建议，从而使制造商及时进行改进产品。通过正向、逆向方式的结合，改变设计师设计产品、消费者使用产品的单一局面，使设计师设计产品的同时，产品也能将信息反馈给设计师，实现设计师与产品之间的互动，使设计定位更准确，设计方案更完善[1]。
4 逆向工程中3D打印技术在工业设计中的应用
4.1 3D打印在工业设计中的应用和影响
3D打印技术是在20世纪90年代中期出现的一种快速成型技术。其基于数字模型，使用粉末金属或塑料和其他黏合材料，通过逐层打印的方式构建对象。3D打印通常由数字技术材料打印机实现，常用于模具制造、工业设计等领域制造模型，现在逐渐用于某些产品的直接制造。目前，该技术已在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和建筑、汽车、航空航天、牙科和医疗行业、教育、地理信息系统、土木工程和枪支制造等领域中得到广泛应用。这种快速成型技术采用“材料堆积”的方法，使物体不受生成三维平面的复杂性和过程的限制，变得简单容易。3D打印在工业设计领域中的应用使其效率明显提升。在设计过程中，设计师和建模人员或建模者可以利用三维打印技术将其设计的产品快速转化为物理对象，从而能轻松快速地为客户和设计团队拿出产品模型，以便客户直观了解产品，促进客户与设计师之间的及时沟通，促进客户、市场与企业之间的沟通，及时调整方案，使产品最大化地得到市场的认可。
4.2 逆向工程产品设计的3D打印设置
采用逆向工程技术设计的工业产品需要使用3D打印机打印出样品，以便于生产过程筹备、全面评价和调整改进。3D打印是制造技术的创新，随着该技术的成熟，其为制造业带来了又一次的变革。同时，其还为研发、设计，尤其是工业设计提供强大的技术支持。现有的3D打印机种类较多，但操作和打印设置大都相同。首先，选择打印机配置菜单，单击配置选项，改变打印机设置中的通讯端口，将串口通讯波特率设置为115 200波特。需要注意的是，不能将波特率设置得过高，否则容易因受环境电磁的影响而出错，导致打印中断等情况的出现。然后，通过打印机形状选择打印机类型，在打印综合页面上，选中“在任务中断后返回停机时间”并检查相关的打印数据。完成上述设置步骤后，就可以开始在线打印了。通过设定打印产品的尺寸而获得的3D打印部件，仅是单一打印材料的模型产品。除材料外，模型对实际产品有一定的检验要求，能为产品的定量生产提供验证依据。作为采用逆向工程技术和3D打印技术设计的产品，建模结构和零件细节中的原始目标产品有很大不同。这些差异形成扩展产品的创新设计方法和独特的产品特性。
5 结语
正向设计是一个从零开始的过程，通常产品的形状不可预测。其需要通过许多试验进行测试，成本很高。相对于正向设计，逆向设计是从物理原型到数字模型的逆向，是重新设计、创新和优化过程。逆向工程技术结合使用3D扫描和3D打印技术，完成产品的快速制造。物理模型的三维数字模型是通过表面重建建模软件获得的，用来帮助计算机辅助分析和制造。其应用较为广泛，尤其是在家用电器、工具、运输和其他复杂产品的工业设计中，在促进产品造型美感和缩短产品开发周期方面的作用非常大。逆向设计方法和3D打印技术对工业设计的意义重大。
参考文献：
[1]周磊晶.3D打印对工业设计发展的影响[J].科技创新与应用，2015（18）：154.