基于SLS成型技術(shù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理研究

謝 丹，朱 紅，侯高雁

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430074）

1 引言

SLS（Selective Laser Sintering）打印技術(shù)，又稱選擇性激光燒結(jié)，屬增材制造技術(shù)的一種，它采用高功率的激光，對(duì)粉末加熱使其燒結(jié)成型。SLS技術(shù)具有成形材料多樣化、成形過(guò)程簡(jiǎn)單、材料利用率高、無(wú)需支撐等優(yōu)點(diǎn)，特別是不受零部件形狀復(fù)雜程度的限制，可以在沒(méi)有工裝夾具或模具的條件下，快速制造出形狀復(fù)雜的功能件或鑄造用蠟?zāi)?，是最具發(fā)展前景的3D打印技術(shù)之一。

三維模型是實(shí)現(xiàn)3D打印的前提和基礎(chǔ)，而模型無(wú)論是正向設(shè)計(jì)構(gòu)建，還是逆向設(shè)計(jì)重建，均需要結(jié)合3D打印的具體要求和約束進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，才能滿足3D打印的需求。因此三維模型數(shù)據(jù)預(yù)處理是3D打印技術(shù)核心之一，是高精度、高效率3D打印實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和前提[1]。該研究采用高精度、高質(zhì)量的德國(guó)EOS-P396選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備，針對(duì)SLS成型技術(shù)，對(duì)三維模型數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行研究。主要包括三維模型的創(chuàng)建、修復(fù)、擺放位置、切片和曝光參數(shù)的設(shè)置等。其中，曝光類型的選擇、曝光參數(shù)的設(shè)置對(duì)成型件的結(jié)構(gòu)、精度和表面質(zhì)量等影響巨大，該研究的重點(diǎn)就是針對(duì)曝光參數(shù)，進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，探索不同結(jié)構(gòu)的成型件適合的曝光類型和曝光參數(shù)，以提高SLS成型件的機(jī)械性能和表面質(zhì)量。

2 三維模型數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維模型數(shù)據(jù)的預(yù)處理如圖1所示，主要包括三維建模、模型預(yù)處理（模型修復(fù)、位置擺放）、切片以及曝光設(shè)置等過(guò)程。

圖1 三維模型數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.1 三維建模

三維模型的建立是3D打印實(shí)現(xiàn)的第一步，也是后續(xù)數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)。建模時(shí)應(yīng)根據(jù)需要的3D模型表現(xiàn)方式來(lái)選擇合適的三維建模工具，常見(jiàn)的機(jī)械工程類三維建模軟件有PRO/E、UG、Solidworks、CATIA等，工業(yè)設(shè)計(jì)類三維建模軟件有3DSMax、Maya、Rhino等，醫(yī)學(xué)影像類三維建模軟件有Minics等，逆向設(shè)計(jì)重建工具Geomagic Studio等。利用以上三維建模軟件建立了三維數(shù)字模型，保存為STL格式備用。

2.2 模型預(yù)處理

模型數(shù)據(jù)預(yù)處理是建模后能否成功打印的必要環(huán)節(jié)，針對(duì)EOS-P396選擇性激光燒結(jié)成型設(shè)備，采用Magics軟件進(jìn)行模型的預(yù)處理，Magics是專業(yè)處理STL格式的軟件，它具有功能強(qiáng)大、易用、高效等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)模型修復(fù)、零件擺放、碰撞檢測(cè)、光滑處理等。

2.2.1 將生成的STL文件導(dǎo)入Magics軟件

（1）模型的導(dǎo)入與修復(fù)

在實(shí)際打印過(guò)程中，為了節(jié)約成本可同時(shí)打印多個(gè)不同形狀的模型，因此，需要將多個(gè)模型導(dǎo)入到Magics軟件中。步驟是：每導(dǎo)入一個(gè)模型并進(jìn)行檢查，其路徑為：Fix>Fix Wizard>Update。如果發(fā)現(xiàn)模型表面有紅色或黃色區(qū)域的就表示需要進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)路徑為：Fix>Fix Wizard>Update>Automatic fixing>Follow Adjuice，能夠方便快速的修復(fù)有瑕疵的STL文件，如圖2所示。

圖2 模型的修復(fù)

（2）模型的擺放與碰撞分析

修復(fù)后的模型在擺放時(shí)應(yīng)遵守的原則是：零件底面距水平面約6㎜以上、零件與邊界相距約10㎜、零件與零件之間相距約5㎜、零件小面向下布置（打印的缸體底部溫度較高，縮水率大，零件易發(fā)生收縮，影響精度）、精密零件應(yīng)放在缸的2/3處、功能件盡量橫著放置、圓柱類零件豎直放置以得到較高精度的直徑等。為了進(jìn)一步提高材料的利用率，盡量在最小的空間內(nèi)擺放更多的零件。當(dāng)所有的模型在擺放完畢后，執(zhí)行碰撞檢測(cè)命令：Analyze&Report>Collision Detection。若1次不能通過(guò)檢測(cè)，反復(fù)調(diào)整出錯(cuò)模型的相對(duì)位置并重新進(jìn)行碰撞分析，直至全部通過(guò)。碰撞檢測(cè)有誤及調(diào)整后無(wú)誤擺放實(shí)例如圖3所示。

圖3 模型檢測(cè)

2.2.2 模型的切片(RP-TOOLS) 切片是將3D模型離散成二維平面信息的關(guān)鍵步驟，切片算法在整個(gè)切片中起著至關(guān)重要的作用，直接影響著模型成型的精度和速度。RP-TOOLS是切片軟件,設(shè)置層厚為0，12㎜，利用該軟件可以直接將擺放好位置的STL文件直接切片處理，生成后綴名為SLI的文件，圖4為模型的切片實(shí)例。

圖4 模型的切片

圖5 PSW軟件界面及設(shè)置

2.3 切片模型導(dǎo)入打印軟件PSW

PSW軟件是對(duì)切片后的模型賦予屬性及對(duì)EOS設(shè)備打印設(shè)置的軟件。將切片軟件生成的SLI格式的文件導(dǎo)入到PSW中，可對(duì)每個(gè)打印模型的曝光參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。將所有的長(zhǎng)方體模型（設(shè)計(jì)為實(shí)體）曝光參數(shù)設(shè)置為EOS_Box，即長(zhǎng)方體上下表面為鏤空狀，內(nèi)部是空的，此種設(shè)置可以打印包含件。

在正式打印之前，還需要在PSW軟件中對(duì)EOS設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，如激光光斑補(bǔ)償設(shè)置、縮水率補(bǔ)償設(shè)置、打印溫度設(shè)置、刮刀及工作臺(tái)設(shè)置、加熱設(shè)置、漏粉量設(shè)置、氮?dú)庾o(hù)設(shè)置、工作狀態(tài)顯示等。切片模型導(dǎo)入PSW軟件界面如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

設(shè)置不同的曝光參數(shù)打印實(shí)物如圖6所示，長(zhǎng)方體的實(shí)體模型通過(guò)設(shè)置曝光參數(shù)，最終打印出來(lái)的并非實(shí)體，由此可見(jiàn)，曝光參數(shù)的設(shè)置在打印過(guò)程中尤為重要，其他幾種曝光參數(shù)及其意義詳見(jiàn)表1所示。

圖6 打印實(shí)物

表1 EOS設(shè)備曝光參數(shù)及其意義

三維模型的數(shù)據(jù)預(yù)處理是驅(qū)動(dòng)3D打印過(guò)程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，同時(shí)也需要相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)作為支撐。本文針對(duì)EOS設(shè)備的3D打印數(shù)據(jù)預(yù)處理有三維模型修復(fù)、擺放及碰撞檢測(cè)，三維模型的切片，三維模型打印質(zhì)量的曝光參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行了研討。基于上述數(shù)據(jù)預(yù)處理采用的都是STL格式的文件，STL文件格式的特點(diǎn)是精度不高、數(shù)據(jù)冗余大、工藝信息缺失、文件體積龐大、讀取速度緩慢等，能否將其他格式的文件模型（如AMF、XML）導(dǎo)入預(yù)處理的軟件，以期進(jìn)一步提高零件的精度將是今后3D打印數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要研究方向。

[1] Gao W,Zhang Y B,Ramanujan D,et al，The status,challenges,and future of additive manufacturing in engineering[J]，Computer-Aided Design,2015,69( 8):65-89，

[2] 賀強(qiáng),程涵,楊曉強(qiáng)，面向3D打印的三維模型處理技術(shù)研究綜述[J]，制造技術(shù)與機(jī)床,2016,6:54-57，

[3] 羅文煜，3D打印模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和切片后處理技術(shù)分析[D]，南京：南京師范大學(xué),2015，

[4] 史玉升,張李超,白宇,趙祖燁，3D打印技術(shù)的發(fā)展及其軟件實(shí)現(xiàn)[J]，中國(guó)科學(xué)，2015,45(2):197-203，