逆向工程指南：基础知识

将实物转化为数字孪生的方法多种多样。3D 扫描仪是最常见的捕捉设备，并有多种形式可供选择。

Structured light scanners project a light pattern across the object and use two cameras to capture how the object deforms the light. The resulting images are stitched together into a 3D representation.

Commonly used in handheld and non-invasive medical applications, some well-known entry-level models include the Shining3D Einstar, Creality CR-Scan Lizard, and Structure Sensor Pro. Advertised precision levels need to be taken with a grain of salt though; the average deviation is roughly 1% for these types of devices.

More advanced scanning solutions include the Peel3D, Calibry, and Artec Eva handheld scanners. These have higher accuracy, inbuilt processing software, and real-time feedback to guide the scanning process, plus different modes including stick-on marker-based scanning. That is great for flat objects up to several meters in size. The increase in quality, however, typically comes with an exponential increase in price.

Laser triangulation scanners shoot millions of laser dots per second onto the target object, which typically needs to be enhanced with markers. For opaque parts with fine details such as filigree meshes, convex surfaces, and lattice structures, this category of 3D scanners is the best pick.

Popular products like the Matter and Form 3D scanner, Creaform HandyScan, Zeiss T-Scan Hawk, and FARO Freestyle can scan entire vehicles. For complex scanning projects, professionals will often use a hybrid method using both a portable CMM system and a stationary non-contact scanning arm.

For beginner enthusiasts who can accept compensating the imperfections of their scans with their superstar reverse-engineering CAD abilities, there are some low-budget alternatives.

Depth-sensing infrared cameras and LiDAR sensors provide less accurate mesh models, but may still be satisfactory for simple scans in some cases and can be found on the latest models of the Apple iPhone and iPad.

Photogrammetry is based on regular photography where the reverse engineer has to shoot a sequence of images from various angles around the object. The process then relies on computation-intensive software such as Meshroom, RealityCapture, Regard3D, Trnio, RecFusion, or Zephyr, to stitch the images into a 3D reconstruction.

Despite the perk that some apps are available for free, it takes a bit more skill and patience to derive workable models from photogrammetry, regardless of the application.

从 3D 扫描到 CAD 工作流程的相对简单程度往往取决于一系列具有不同兼容性的独立软件工具。不过，为了简化工作流程，最好选择一种软件解决方案，以便逆向工程师能够根据原始扫描数据高质量重建原始设计。

最佳逆向工程软件工具可以加载各种格式的点云，如 .ply、.asc、.ptx、.pcg (Autodesk)、.e57、.xyz、.fls (Faro)、.pcd、.las 和 .obj。这些程序会自动生成和自动修复生成的网格对象，并提供大量智能工具来重建 NURBS 曲面以适应网格。这在 3D 扫描尚未出现时，只能使用卡尺测量每一个微小细节，然后再手动重建。

一些虚拟设计工作室甚至支持用户准备扫描结果以便直接通过 CNC、3D 打印或铸造来制作原型。哪怕十分之一毫米的误差都会对两个制造部件的配合起决定性作用，因此精度是整个逆向工程过程的关键。

为确保精度，逆向工程工具必须具备以下功能：

• 干涉检查：确保在装配中部件能顺利地组合在一起，并确保外部部件能紧密配合。

• 壁厚分析：优化成型性与轻量化设计

• 拔模分析：确保正确的拔模角度、避免凹槽并验证分型线

• 曲面分析：如斑马条纹图案和曲率控制，确保适用于如消费品和汽车所需的大型复杂形状。

• 尺寸验证：质量、体积和边界框等。

一些首选最佳逆向工程软件工具如以下所示。

Mesh2Surface 是一种端到端解决方案，支持产品开发人员直接将点云转换为网格，以便用于 Rhinoceros 或 SolidWorks 逆向工程。

然后，3D 设计人员可以提取网格上的参考平面和点，以匹配复杂的几何形状。Mesh2Surface 包含用于创建 3D 草图、横截面和轮廓的智能工具。此外，还提供偏差分析、具有自定义精度设置的自动曲面以及绘制最佳拟合自由曲面的功能。

Artec 是另一款硬件逆向工程工具。该软件注重易用性，可实现最快的扫描到 CAD 转换速度。由于软件提供设备运动的实时反馈，甚至支持叠加多个扫描结果以进行更丰富的数据整合，因此大约 15 分钟就能完成整车的数字化过程。

尽管 Artec 并不提供完整的 CAD 功能，但用户仍可使用图元拟合、一流的纹理和几何追踪算法以及可将有机形状转化为实体模型的自动曲面工具创建精确模型。

Artec Studio 还包含自动模式，可自动完成建模过程的大部分工作。

Autodesk Fusion 360 是热门逆向工程工具之一。这是一种基于云的 CAD 系统，与行业领先软件相比，它只能处理轻量化网格，提供一系列有限的几何操作，因此只能提供中间解决方案。

Fusion 提供了多种方法来实现网格到实体的工作流程，例如在网格工作区中获取轮廓。此外，Fusion 还在各种工作区中提供了用于应力模拟和拓扑优化的大量分析工具。由于可与 Meshmixer 集成，还能提供更多、更可靠的网格修复工具。

Geomagic 是将 3D 扫描数据转化为基于特征的 CAD 模型的一流解决方案。根据网格的不同截面追踪轮廓，从而确保精确重建。在重建过程的各个步骤中，可以通过笔刷选择来包含或排除特定区域。它还提供强大的自动曲面功能，为工程师分忧解难。

此外，其用户界面与 SolidWorks 相似，让用户倍感熟悉。事实上，“实时转换”工具支持设计人员将历史树导出到专用的 CAD 建模环境，如 NX、Creo、Inventor、Pro/Engineer 和 SolidWorks。

对于喜欢在 SolidWorks 中进行逆向工程的设计师和工程师来说，Xtract3D 是一个必不可少的插件。可支持直接导入网格或点云数据，但由于它主要针对较简单的几何体，因此是功能更强大的逆向工程软件包的轻量级替代选择。

不过，它的工具仍值得称赞。Xtract3D 为用户提供了强大的切片、草图拟合和快照工具。便于设计人员基于 3D 扫描数据的 2D 截面进行跟踪，轻松创建参数模型。

SpaceClaim 是一款著名的创新型 CAD 软件包，具有先进的逆向工程功能。直接建模人员更在意自由度和速度，而非在基于参数历史树的建模环境中严格定义几何形状的复杂性，因此，该工具是他们的首选解决方案。

在简化逆向工程工作流程方面，SpaceClaim 的智能功能（如特征识别、表层曲面和推/拉操作）使其独树一帜。在重建过程中，软件会自动检测所需的建模操作，并提出优化重塑的建议，以获得高精度的结果。

更重要的是，通过使用 SpaceClaim，工程师可以轻松地将模型与其他 Ansys 模块（如用于 CFD 或机械模拟的模块）连接起来。

Tebis 专为汽车设计师提供逆向工程环境。它是与宝马集团设计中心联合开发的软件，旨在促进从粘土到 CAD 的工作流程。如此一来，设计师就可以在进入 3D 阶段之前进一步推进手工设计流程。

Reverser 软件包可分析网格数据，支持设计师创建线框结构，然后用于生成单个曲面。再对这些曲面进行分析和平滑处理，使其达到符合行业标准的 A 级质量。

除了提供一系列手动控制参数外，还能自动计算曲面，并对过渡区域进行详细控制，而用户无需掌握深厚的专业知识。关联曲面技术将网格和生成的曲面联系在一起，以确保切向不变的过渡和平滑的曲面渐变。

Creo 是一款参数化建模软件包，适用于具有超过 1000 个部件的装配。该工具在消费品和移动领域越来越受欢迎，已广泛用于阿斯顿马丁、约翰迪尔、大众、丰田和亚马逊等行业巨头。

专业工程师将受益于 Advanced Plus 套件，该套件包括高级曲面设计、3D 打印切片工具、GD&T、模具设计和仿真。

PTC 现在还发布了 Pro/Engineer 及其专业版 Creo 的逆向工程扩展软件。在导入点云数据并创建面网格后，可以使用重塑功能对其进行清理并自动提取其建模特征。然后，Creo 提供功能强大的合成和分析工具，用于建立高精度、曲率连续的模型。

Creaform 的 VXElements 套件为从扫描到 CAD 的工作流程提供了一系列模块。其中最引人注目的是 VXModel 软件，用作将原始网格数据转化为高质量实体模型的虚拟助手。

该程序的亮点包括自动和手动曲面工具、网格清理功能、快速对齐、布尔组合操作以及提取并编辑边界和横截面的功能。VXModel 还具有 3D 打印导出功能，并可将逆向工程模型直接传输到 Inventor、SolidWorks 和 SolidEdge 进行进一步处理。

通过 3D 打印逆向工程部件，设计人员可以深入了解驱动其创造成功的所有特征和参数。更重要的是，这使他们能够快速优化周期，甚至 3D 打印出成品。

立体光固化 (Stereolithography, SLA) 树脂 3D 打印机使用激光将液态树脂固化成硬化塑料，这一过程称为光聚合。与其他所有塑料 3D 打印技术打印的部件相比，SLA 打印部件具有最高的分辨率和精度、最清晰的细节和最光滑的表面光洁度，而且 SLA 打印还提供最广泛的材料范围。

SLA 广泛应用于工程及产品设计、制造、牙科、珠宝、模型制作和教育等各类行业。

Formlabs Form 3+ 等桌面级 SLA 3D 打印机为大多数逆向工程项目提供了功能强大、价格合理的解决方案，而 Formlabs Form 3L 等大型树脂打印机甚至可以支持最大型项目。

选择性激光烧结是工业应用中最为常用的增材制造技术，因其能够生产坚固的功能性部件而受到不同行业工程师和制造商的信赖。

SLS 3D 打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的聚合物粉末。未熔合的粉末在打印过程中支撑部件，所以不再需要使用专门的支撑结构。这使得 SLS 适用于构造内部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状。使用 SLS 打印技术制造的部件具有优良的机械特性，强度类似于注射成型部件。

由于单件成本低、产率高且材料成熟，Formlabs Fuse 系列等 SLS 打印机成为工程师进行功能性原型制造时的热门选择，也是有限生产或过渡生产中注射成型的一种经济高效的替代方案。