基于SLM的空心金屬浮雕快速制造研究

劉 杰,楊永強

(華南理工大學機械與汽車工程學院,廣東 廣州 510641)

浮雕是在平面上雕刻出凹凸起伏形象的一種雕塑藝術。它采用壓縮的辦法來處理對象,靠透視等因素來表現(xiàn)三維空間,能很好地保持三維物體在某個觀測角度的外型輪廓和視覺效果,具有很強的藝術表現(xiàn)力。浮雕的應用已經(jīng)遍及人類生活的各個方面,如:建筑裝潢、標識匾牌、錢幣、工藝制品等[1-2]。目前,針對金屬材料的浮雕,大多采用數(shù)控雕刻的方式進行制造。

數(shù)控雕刻屬于材料去除加工,會造成材料的浪費。同時,鋁、鎂、工具鋼、鎢鋼和鈦等難加工金屬材料,很難雕刻出理想的效果。選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一種利用金屬粉末直接制造出相對密度接近100%近終端產(chǎn)品的新型快速成形工藝,是當前快速成形領域的研究熱點[3-6]。采用光纖激光器的SLM設備,其輸出激光能聚焦到30～50μm,非常適合應用于精密金屬零件成形。與雕刻相比,采用SLM加工金屬浮雕具有3個主要優(yōu)點:①SLM屬于添加式制造,能有效避免雕刻中的材料浪費;②SLM屬于分層式制造,能制造任意復雜度的形狀。用來制造具有空心結構的浮雕,能減少材料消耗;③SLM屬于激光加工,理論上能被激光熔化的材料都可用于加工,能制造出更多種材質(zhì)的浮雕。

在現(xiàn)實生活中,金屬浮雕主要起到裝飾的作用。外觀是其主要內(nèi)容,而對其力學性能的要求不用像零件一樣高。在不影響外觀的前提下,將金屬浮雕內(nèi)部做成空心結構,能有效減少材料的消耗。為此,本文將研究基于SLM的空心金屬浮雕快速制造技術,主要包括浮雕的快速建模和空心浮雕SLM加工數(shù)據(jù)的生成。

1 基于圖像的浮雕快速建模

目前針對浮雕的建模主要有2種方法[1]:基于二維圖形法和基于圖像法。其中,基于圖像法是一種自動化程度較高的快速建模方法。它根據(jù)圖像的灰度與視覺效果的映射關系,從圖片中提取出灰度信息并轉(zhuǎn)化為深度值,最終生成三維浮雕模型。

1.1 基于灰度的浮雕三維建模

灰度是圖像的黑白色調(diào)表示。8位灰度圖像的每個像素,其亮度(灰度值)都是介于黑色(0)和白色(255)之間的256種亮度值中的一種,表示亮度從深到淺。通常情況下,用于建模的浮雕圖像是24位彩色圖像,其每個像素的亮度(RGB值)由R(紅)、G(綠)、B(藍)3個分量共同決定。因此,需要將RGB值轉(zhuǎn)化成灰度值,并可通過求加權平均數(shù)的方法來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化(0.299、0.587和0.144為HTSC標準的加權系數(shù)):

得到的灰度值L與像素的寬(W)、高(H)組成浮雕圖像的三維空間(W×H×L)。由于得到的灰度值L介于0和255之間,而圖像的分辨率(W ×H)是多種多樣的,如800×600和400×300等。直接用灰度值L生成平面圖像的高度值,會造成浮雕模型的整體不協(xié)調(diào),需要引入一個縮放因子來協(xié)調(diào)三維浮雕模型的生成。圖像每個像素點的灰度值li,乘以縮放因子得到該像素點的高度zi:

γ的正負,可用來控制浮雕的凹凸。圖1為不同縮放因子下的三維模型。

1.2 浮雕模型的光順處理

圖1 不同縮放因子下的三維模型

利用灰度值得到的三維浮雕模型,邊緣會出現(xiàn)棱角。尤其當原始圖像的灰度信息較少時,很難形成柔順自然的過渡(圖1)?？紤]到浮雕模型的美觀性,需對浮雕進行光順處理以消除棱角。常見的光順處理算法有[7]:拉普拉斯光順、面片法向的均值濾波、面片法向的中值濾波、曲率中值濾波、帶夾角條件的均值濾波和加權均值濾波。其中拉普拉斯光順是生成光順曲面最簡單的方法,它通過迭代將頂點位置調(diào)整到鄰接頂點的重心,具有在給定的約束下曲面面積最小的特點,常用來調(diào)整有限元素網(wǎng)格的幾何不規(guī)則性,非常適合快速處理浮雕模型。對于1.1節(jié)的浮雕模型,每個由灰度值得到的高度可通過如下迭代公式來進行光順處理。

式中:zi 為頂點i的新高度;N為與頂點i鄰接的頂點數(shù);zj為頂點i的鄰接頂點j的高度。光順程度可通過改變迭代次數(shù)來進行調(diào)節(jié)(圖2)。

圖2 不同迭代次數(shù)下的光順程度

2 空心金屬浮雕的加工數(shù)據(jù)生成

2.1 金屬浮雕SLM加工數(shù)據(jù)生成

加工數(shù)據(jù)負責驅(qū)動SLM設備進行鋪粉和激光掃描,從而實現(xiàn)金屬零件的逐層堆積成形。三維浮雕模型首先需通過切片和掃描路徑生成得到SLM設備所識別的加工數(shù)據(jù)。切片是采用沿高度方向移動的平面與三維模型進行截交,得到三維模型的切片層(Slice Layer)描述(圖3)。切片厚度的選取依據(jù)工藝的考慮,與鋪粉厚度相同。掃描路徑是依據(jù)特定的掃描策略,引導激光對切片層實體部分的填充(圖4)。針對浮雕模型的切片和掃描路徑的生成,已做了相關研究[8]。

2.2 “斷鏈”掃描策略

直接用圖像生成的三維浮雕模型,其浮雕面下是實心結構。經(jīng)加工數(shù)據(jù)生成的掃描路徑,將會填充整個單層切片輪廓包圍的實體部分。掃描路徑最終引導激光完全熔化外輪廓范圍內(nèi)的金屬粉末,生成單層的實心結構。這種實心結構層層疊加,最終形成實心浮雕。

圖5 空心結構的成形原理

對于浮雕這種特殊的零件而言,其主要特征是整個浮雕面。浮雕面下的結構,在不會使浮雕面變形的情況下,可考慮制造成空心結構以節(jié)省材料。對于SLM加工來說,僅考慮熔化浮雕面內(nèi)側(cè)偏移一定量的區(qū)域。也就是在單層掃描時,輪廓向?qū)嶓w部位偏移一定量產(chǎn)生新的輪廓和空腔,然后激光選擇性地熔化新舊輪廓包圍的實體區(qū)域(圖5)。這相當于將原有實心浮雕的掃描路徑用空腔進行了截斷。實際加工中,在生成這種截斷的掃描路徑時,需對輪廓進行偏移計算。對于浮雕模型切片后生成的連續(xù)小線段而言,計算量非常大。為此,給出一種簡化的方法——“斷鏈”掃描策略。

“斷鏈”掃描策略是對實心浮雕掃描路徑的再處理?！皵噫湣钡幕舅惴?根據(jù)所需輪廓的偏移量,分別沿原有實心浮雕掃描線的兩個端點向內(nèi)偏移產(chǎn)生兩個新的點,然后將新的點所表示的線段截去,生成“斷鏈”后的掃描線(圖6)。掃描線 AB經(jīng)“斷鏈”后得到兩條新的掃描線 AC和DB。在進行“斷鏈”時需考慮以下條件:①若原有掃描線的長度小于2倍輪廓偏移量,則該掃描線不進行“斷鏈”操作;②若輪廓上某線段與掃描線平行(圖 7中的線段DE),則需判斷掃描線與線段的距離。若距離小于或等于輪廓偏移量,則該掃描線不進行“斷鏈”操作;③若輪廓上某個點的前后兩條線同時與同一掃描線相交(圖7的點 C、點 D),則需判斷掃描線與該點的距離。若距離小于或等于輪廓偏移量,則該掃描線不進行“斷鏈”操作。

3 空心金屬浮雕的加工實驗

本節(jié)將通過實驗來驗證“斷鏈”掃描策略及SLM空心金屬浮雕快速制造的可行性。

3.1 實驗設備及材料

實驗設備使用自主開發(fā)的Dimetal-280選區(qū)激光熔化快速成形設備。系統(tǒng)采用200 W摻鐿雙包層連續(xù)式光纖激光器,波長為1090 nm,光束質(zhì)量因子M2≤1.2,經(jīng)f-θ透鏡,可在成形平面上聚焦成50μm的光斑。系統(tǒng)主要組成包括升降精度達±5μm的精密鋪粉系統(tǒng)、氣密成形室、激光發(fā)生及光路系統(tǒng)、振鏡掃描系統(tǒng)等,由工控機集成控制,通過成形控制軟件及掃描路徑規(guī)劃軟件,對激光參數(shù)、鋪粉參數(shù)及掃描參數(shù)進行調(diào)節(jié),圖8為系統(tǒng)原理示意圖。金屬粉末采用-500目氣霧化316L不銹鋼粉。成形所用的基板采用Q235鋼加工的方塊,尺寸為100mm×100mm×10mm,實驗前打磨平整,采用純氮氣保護。

圖8 Dimetal-280系統(tǒng)原理示意圖

3.2 實驗數(shù)據(jù)及方法

原始圖像選用分辨率為194×206的灰度圖像(圖9)。浮雕三維模型生成時采用的縮放因子為0.01,迭代次數(shù)為1000;切片層厚為0.035mm。實驗分為2組,分別進行實心和空心浮雕的加工。實心浮雕采用正交+層錯的掃描策略?？招母〉裨趯嵭母〉窕A上采用“斷鏈”掃描策略。激光功率為150 W,掃描速度為600mm/s。

圖9 原始圖像(194×206)

3.3 實驗結果與討論

成形結果見圖10。從正面看,兩者的外觀幾乎一致。從背面看,空心浮雕具有一個空腔結構。由于空腔的表面屬于“懸垂”結構,成形時會出現(xiàn)“掛渣”現(xiàn)象,所以表面質(zhì)量較差,但并不影響浮雕的外觀。經(jīng)檢測,實心浮雕的重量為67.97 g,空心浮雕的重量為51.96 g?？招母〉竦馁|(zhì)量相對實心浮雕減少了23.5%。

4 結論

(1)提出了基于SLM的由圖像直接制造空心金屬浮雕的方法。主要步驟為:基于灰度的浮雕三維建模、浮雕模型的光順處理和加工數(shù)據(jù)的生成。

(2)針對空心浮雕的掃描路徑生成,提出一種“斷鏈”掃描策略。該策略以一定的規(guī)則將實心浮雕的加工數(shù)據(jù)進行“斷鏈”處理,從而快速有效地生成空心浮雕的加工數(shù)據(jù)。

(3)通過實驗得到的空心浮雕,與實心浮雕的外觀幾乎一致,質(zhì)量相對實心浮雕減少了23.5%,有效的節(jié)省了金屬粉末。

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[8]Liu Jie,Yang Yongqiang,Lu Jianbin,et al.An object-oriented class library for scanning path generation in SLS/SLM process[J].Applied Mechanics and Materials,2010,44-47:3309-3313.