基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的方法*

劉杰 楊永強 宋長輝

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640)

浮雕是雕塑與繪畫結(jié)合的產(chǎn)物.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(shù)表現(xiàn)力.浮雕的應(yīng)用已經(jīng)遍及人類生活的各個方面，例如建筑裝潢、標識匾牌、錢幣、工藝制品等［1-2］.針對金屬材料的浮雕制品，大多采用雕刻的方式進行加工.雕刻屬于材料去除加工方法，會造成材料的浪費，違反綠色制造的理念;此外，鋁、鎂、工具鋼、鎢鋼和鈦等金屬材料難加工，用它們很難雕刻出理想的效果.

選區(qū)激光熔化(SLM)是一種利用金屬粉末直接制造相對密度接近100%的近終端產(chǎn)品的新型快速成型工藝，屬于當前快速成型領(lǐng)域的研究熱點［3-8］.采用光纖激光器的SLM設(shè)備，輸出激光光斑能聚焦到30～50μm，非常適合于精密金屬零件成型.與雕刻相比，采用SLM加工浮雕具有3個主要優(yōu)點:(1)SLM屬于添加式制造，能有效避免雕刻中的材料浪費;(2)SLM屬于分層式制造，能制造任意復雜度的形狀，可用來制造具有空心結(jié)構(gòu)的浮雕，以減少材料消耗;(3)SLM屬于激光加工，理論上能被激光熔化的材料都可以用于加工，能制造出更多種材質(zhì)的浮雕.因此，本研究基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕.這對推動SLM技術(shù)的發(fā)展、擴展激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域和促進綠色制造有著重要的意義.

1 基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的原理

基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕主要包括5個步驟(見圖1).

步驟1 3D浮雕的建模 根據(jù)圖像的灰度與視覺效果的映射關(guān)系，將灰度信息轉(zhuǎn)化成深度值，建立3D浮雕模型.

步驟2 浮雕模型的切片 將3D浮雕模型按SLM的加工高度方向，每隔一定的間隔用平面與3D模型相交，提取截面的輪廓信息，生成切片層.間隔大小按照具體工藝要求選定.

步驟3 SLM掃描路徑的生成 根據(jù)具體工藝要求，將每層的輪廓用一定間隔的線段進行填充，并將線段按照一定的規(guī)則連接起來形成SLM加工過程中的激光掃描路徑.

步驟4 SLM設(shè)備加工代碼的生成 將掃描路徑轉(zhuǎn)化成SLM設(shè)備所能識別的數(shù)控加工代碼.

步驟5 SLM加工 利用SLM設(shè)備，根據(jù)數(shù)控加工代碼，用激光逐層選區(qū)掃描金屬粉末，堆積成型，最終生成金屬浮雕.

圖1 基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的過程Fig.1 Process of direct manufacturing of metal bas-relief from images based on SLM

2 SLM浮雕設(shè)計制造軟件的開發(fā)及功能實現(xiàn)

根據(jù)前述原理，SLM浮雕設(shè)計制造軟件必須包含3D浮雕的建模功能、浮雕模型的切片功能、掃描路徑的生成功能和加工代碼的生成功能.針對現(xiàn)有浮雕設(shè)計軟件對SLM支持不足的缺點，文中利用可視化工具包(VTK)和掃描路徑生成庫(SPGL)開發(fā)了用于SLM的浮雕設(shè)計制造軟件，來實現(xiàn)這些功能.

2.1 開發(fā)基礎(chǔ)

2.1.1 VTK 簡介

VTK是一個開放源碼、跨平臺的圖形圖像處理及可視化軟件系統(tǒng).它擁有許多可視化算法和高級建模技術(shù)，并且支持并行處理.VTK目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)學影像、軍事等領(lǐng)域中，美國陸軍研究實驗室曾經(jīng)用VTK即時模擬俄羅斯反導彈戰(zhàn)車ZSU23-4受到平面波攻擊的情形，其計算節(jié)點多達2.5兆.VTK包括一個C++類庫以及對某些解釋性語言(如Python)的接口支持.SLM浮雕設(shè)計制造軟件的開發(fā)使用VTK的C++類庫.

2.1.2 掃描路徑生成庫簡介

掃描路徑生成庫是筆者所在課題組自主開發(fā)的C++類庫［9］，用來生成 SLM加工中的激光掃描路徑.其層次結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括4組類:切片數(shù)據(jù)讀取類能讀取切片文件的數(shù)據(jù)以獲取切片層的輪廓信息;路徑數(shù)據(jù)寫入類能將生成的掃描路徑轉(zhuǎn)化成SLM設(shè)備的加工代碼文件;幾何結(jié)構(gòu)定義類定義切片文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);掃描策略類能根據(jù)相應(yīng)的掃描策略生成掃描路徑.SLM浮雕設(shè)計制造軟件不需要讀取切片文件，所以只使用后面3組類.

圖2 掃描路徑生成庫的層次結(jié)構(gòu)圖［9］Fig.2 Hierarchy diagrams of the Scanning Path Generation Library

2.2 功能的實現(xiàn)

2.2.1 3D 浮雕的建模功能

3D浮雕的建模功能實現(xiàn)主要用到vtkImage-Reader2、vtkImageLuminance、vtkImageDataGeometry-Filter、vtkWarpScalar和 vtkSmoothPolyDataFilter這 5個類.vtkImageReader2讀取圖像文件，提取其中的像素信息.vtkImageLuminance將圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像.vtkImageDataGeometryFilter將灰度值轉(zhuǎn)化成深度值，從而使像素點變成空間點.vtkWarpScalar能通過空間點生成3D浮雕模型，它包含一個縮放因子，能夠用來調(diào)節(jié)浮雕模型的高度.vtkSmoothPolyDataFilter能對3D模型進行光滑處理，它通過設(shè)置一個拉普拉斯迭代值來調(diào)節(jié)光滑度.

圖3是一個3D浮雕建模的實例，使用201×193的圖像，縮放因子為－0.06，拉普拉斯迭代值為100，得到的3D模型的邊界尺寸為200×192×9.12(單位可根據(jù)實際需要設(shè)定).

圖3 3D浮雕建模實例Fig.3 An example of 3D bas-relief modeling

2.2.2 浮雕模型的切片功能

浮雕模型的切片功能實現(xiàn)主要用到vtkTriangle-Filter、vtkPlane和 vtkCutter這 3 個類.vtkTriangleFilter能將3D浮雕模型變成三角面片的表示形式，圖4為圖3中浮雕模型的三角面片形式.vtkPlane用來定義一個切片平面，它通過一個平面上的空間點和一個垂直于平面的法向量來確定平面的位置.vtk-Cutter能用切片平面與3D浮雕模型的三角面片進行相交運算，得到一個切片層和一組離散的有向小線段.這些有向小線段組成了浮雕的切片層輪廓.

圖4 浮雕模型的三角面片形式Fig.4 Triangulated surfaces of the bas-relief model

切片的過程為:以浮雕模型的Z軸負邊界為起始點，以切片厚度為增量，法向量為Z軸正方向的切片平面沿Z軸正方向平行移動，得到浮雕在每個切片層的輪廓，直到移動到浮雕模型的Z軸正邊界.其算法描述如下:

(1)設(shè)zb為浮雕模型Z軸負邊界值，zt為浮雕模型Z軸正邊界值，zc為切片厚度.z為變量，初始值為zb.

(2)用空間點(0，0，z)和法向量(0，0，1)定義一個切片平面.

(3)用切片平面與浮雕模型相交，求切片輪廓.

(4)z=z+zc.

(5)z是否大于等于zt?如果是則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)(2).

圖5是圖4中的的三角面片在切片厚度為1.52時得到的輪廓.

圖5 浮雕模型的切片實例Fig.5 An example of slicing of the bas-relief model

2.2.3 掃描路徑和加工代碼的生成功能

掃描路徑和加工代碼的生成功能用到掃描路徑生成庫中路徑數(shù)據(jù)寫入、幾何結(jié)構(gòu)定義和掃描策略這3組類.為兼容CLI(Common Layer Interface)等常用的切片格式文件，掃描路徑生成庫使用閉合Polyline來表示切片層的輪廓.如圖6所示，順時針Polyline表示內(nèi)輪廓，逆時針Polyline表示外輪廓.要使用掃描路徑生成庫，需將切片層的離散無序小線段轉(zhuǎn)換成有序的Polyline形式.

圖6 輪廓的Polyline定義Fig.6 Contour defined by Polyline

轉(zhuǎn)化算法描述如下:

(1)設(shè)E=(N*表示不含0的自然數(shù)集)為離散有向小線段的集合，T為有向小線段空集合，P為Polyline空集合，有向小線段由起點和終點表示.

(2)從E中提取一小線段l1，存入集合T.

(3)從頭遍歷E.

(4)是否已經(jīng)到E的末尾?如果是則轉(zhuǎn)(6)，否則取遍歷值l2.

(5)是否滿足l2的起點等于l1的終點?如果是，將l2從E中提取出來添加入集合T中，并將l2值賦給l1，轉(zhuǎn)(3);否則繼續(xù)遍歷E，轉(zhuǎn)(4).

(6)用集合T生成一個Polyline，并存入集合P，同時清空集合T.

(7)E是否為空集合?如果是則結(jié)束;否則轉(zhuǎn)(2).

得到Polyline集合P后，就可以針對工藝對掃描策略的要求，用掃描策略類來生成掃描路徑.掃描策略類包含圖7所示的幾種掃描策略，每種掃描策略對應(yīng)掃描策略類中的一個子類.圖8為圖5中某切片層的Polyline輪廓表示，虛線為內(nèi)輪廓，實線為外輪廓.圖9為圖8的掃描路徑示例.

得到掃描路徑后，就可以用路徑數(shù)據(jù)寫入類將其轉(zhuǎn)化成SLM設(shè)備的加工代碼.路徑數(shù)據(jù)寫入類支持兩種格式的加工代碼:一種為ISO6983格式，即常見機床數(shù)控系統(tǒng)中使用的 G/M代碼;另一種為HPGL(Hewlett-Packard Graphics Language)格式，目前常用于激光打標系統(tǒng).文中用到的 Dimetal-280［3-4］實驗設(shè)備采用HPGL格式加工代碼.

圖7 掃描路徑生成庫中的幾種掃描策略Fig.7 Several scanning strategies in the Scanning Path Generation Library

圖8 浮雕切片層輪廓的Polyline表示Fig.8 Contour of sliced layer represented by Polyline

圖9 掃描路徑示例Fig.9 An example of scanning path

3 空心浮雕的直接制造過程探討

在現(xiàn)實生活中，金屬浮雕主要起一種裝飾的作用，外觀是其主要內(nèi)容，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(jié)構(gòu)，能大大減少材料的消耗.根據(jù)圖1，利用SLM直接制造空心浮雕，首先要建立空心浮雕的3D模型.要生成空心結(jié)構(gòu)實體，需對原實心實體表面進行偏移操作.由于實體表面是三維的，偏移運算復雜，實現(xiàn)難度較大，為此，文中提出直接從切片層對切片輪廓進行偏移操作的方法.由于切片輪廓是二維的，偏移運算簡單，可大大降低實現(xiàn)難度.而且2.1.2節(jié)中的掃描路徑生成庫包含輪廓偏移掃描策略(ScanStrategy_Offset類)，只需對其進行修改便可實現(xiàn)輪廓偏移操作.空心浮雕的直接制造過程如圖10所示.

圖10 空心浮雕的直接制造過程Fig.10 Direct manufacturing process of hollow bas-relief

4 SLM金屬浮雕加工實驗

為驗證基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的可行性，在SLM設(shè)備Dimetal-280上進行浮雕加工實驗.浮雕的設(shè)計和制造使用第2節(jié)開發(fā)的軟件.實驗材料采用－500目氣霧化316L不銹鋼粉.成型所用的基板采用Q235鋼加工的方塊，尺寸為100 mm×100mm×10mm，實驗前打磨平整，加工過程采用純氮氣保護.使用圖11(a)中的圖像(478×500)，縮放因子為－0.08，拉普拉斯迭代值為500，單位設(shè)置為dmm(1dmm=0.1mm).切片厚度為0.025mm.掃描策略采用旋轉(zhuǎn)掃描，角度設(shè)置為90°，層間互錯.加工出的金屬浮雕如圖11(b)所示.浮雕成型效果良好，表明文中方法是可行的.

圖11 浮雕加工圖像及用SLM加工的金屬浮雕Fig.11 Image for bas-relief fabrication and metal bas-relief fabricated by SLM

5 結(jié)語

文中提出了基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的方法.主要包括5個步驟:3D浮雕的建模、浮雕模型的切片、SLM掃描路徑的生成、SLM加工代碼的生成和SLM加工.文中還利用VTK和自主開發(fā)的掃描路徑生成庫開發(fā)了用于SLM的浮雕設(shè)計制造軟件.該軟件能通過一定的設(shè)計及工藝規(guī)劃，將圖像直接轉(zhuǎn)化成用于SLM設(shè)備的加工代碼.在此基礎(chǔ)上，提出了直接從切片層對切片輪廓進行偏移操作，最終得到空心浮雕的方法.浮雕加工實驗得到的金屬浮雕的成型效果良好，證明基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的方法是可行的.空心浮雕是一種具有懸垂面結(jié)構(gòu)的薄壁零件，其SLM制造工藝還未完全成熟，筆者將會做進一步的研究.

［1］徐小燕，劉勝蘭，李博，等.基于曲率特征的三維模型浮雕壓縮算法［J］.計算機與現(xiàn)代化，2010(5):1-5.Xu Xiao-yan，Liu Sheng-lan，Li Bo，et al.Curvature-based bas-relief compression from 3D model［J］.Computer and Modernization，2010(5):1-5.

［2］何會珍，楊勛年.曲面浮雕生成［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學學報，2010，22(7):1132-1137.He Hui-zhen，Yang Xun-nian.Relief generation on surfaces［J］.Journal of Computer-Aided Design ＆ Computer Graphics，2010，22(7):1132-1137.

［3］王迪，楊永強，吳偉輝.光纖激光選區(qū)熔化316L不銹鋼工藝優(yōu)化［J］.中國激光，2009，36(12):3233-3239.Wang Di，Yang Yong-qiang，Wu Wei-hui.Process optimization for 316L stainless steel by fiber laser selective melting［J］.Chinese Journal of Laser，2009，36(12):3233-3239.

［4］楊永強，何興容，吳偉輝，等.選區(qū)激光熔化直接成型個性化骨科手術(shù)模板研究［J］.中國激光，2009，36(9):2460-2464.Yang Yong-qiang，He Xing-rong，Wu Wei-hui，et al.Direct manufacturing of customized orthopedics surgery orienting model by selective laser melting［J］.Chinese Journal of Laser，2009，36(9):2460-2464.

［5］吳偉輝，楊永強.選區(qū)激光熔化快速成形系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.機械工程學報，2007，43(8):175-180.Wu Wei-hui，Yang Yong-qiang.Key techniques of selective laser melting rapid prototyping system ［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(8):175-180.

［6］Abe F，Osakada K，Shiomi M，et al.The manufacturing of hard tools from metallic powders by selective laser melting［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，111(1/2/3):210-213.

［7］Krutha J P，F(xiàn)royenb L，van vaerenbergha J，et al.Selective laser melting of iron-based powder［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，149(1/2/3):616-622.

［8］Abe F，Santos E C，Kitamura Y，et al.Influence of forming selective laser melting process［J］.Mechanical Engineering Science，2003，217(1):119-126.

［9］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，2011，44/45/46/47:3309-3313.