王 凱，高雪松，肖 猛，劉 爽

(南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院 裝備中心，江蘇 南京 210038)

0 引言

SLM作為一種典型的金屬激光3D打印技術(shù)，因其具備打印零件力學(xué)性能好、致密度高、后續(xù)幾乎不需要機(jī)械加工、能夠制造復(fù)雜精密零件等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，但成形效率低仍舊是限制SLM技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的最重要因素。采用大功率、多光束進(jìn)行打印成為目前提升打印效率的主流方法，本文基于雙光束硬件平臺的SLM軟件控制系統(tǒng)的開發(fā)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及算法開發(fā)，完成對導(dǎo)入零件分區(qū)掃描的功能，以實現(xiàn)大幅提高SLM打印效率的目的。

1 雙光束SLM系統(tǒng)硬件構(gòu)成與實現(xiàn)原理

有別于國內(nèi)外當(dāng)前采用多個小功率激光器對燒結(jié)區(qū)域進(jìn)行分割打印的方案，本項目中硬件平臺采用高、低激光器配合，即：采用低能量小光斑激光束對成形區(qū)域邊界進(jìn)行掃描，保證零件成形精度；采用高能量大光斑激光束對成形區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行掃描，在保證打印精度的前提下提升成形制造效率。雙光束SLM系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

軟件控制系統(tǒng)通過對打印模型進(jìn)行切片、掃描截面分區(qū)及路徑規(guī)劃得到掃描路徑的幾何信息，結(jié)合輸入的工藝參數(shù)信息即可將包括激光功率、振鏡掃描速度、振鏡掃描軌跡在內(nèi)的信息寫入振鏡控制板卡的緩存中，完成振鏡的運(yùn)動控制及激光器的開、關(guān)與功率控制；相應(yīng)粉末缸體及鋪粉刮刀的運(yùn)動控制由電機(jī)控制板卡完成。

2 控制軟件模塊劃分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法實現(xiàn)

控制軟件主要完成由導(dǎo)入模型獲取振鏡運(yùn)動控制信息的任務(wù)，分別由高、低功率的激光器及其配套振鏡完成零件截面的分區(qū)掃描，最終實現(xiàn)在保證打印精度的前提下大幅度提升制造效率的目的，其主要功能模塊包括模型導(dǎo)入、分層切片、路徑生成與硬件寫入。

圖1 雙光束SLM系統(tǒng)原理框圖

2.1 模型導(dǎo)入

軟件采用主流STL格式模型作為導(dǎo)入模型，通過關(guān)鍵字及格式差異判斷模型為文本格式或二進(jìn)制格式，并分別根據(jù)二進(jìn)制和文本格式兩種STL文件存儲格式進(jìn)行三角面片的讀取。

考慮到實際工程模型文件數(shù)據(jù)量巨大且STL格式幾何信息的冗余，為進(jìn)一步提升內(nèi)存利用率，方便對STL模型進(jìn)行錯誤(三角面片重疊、缺失等)檢查，提升后續(xù)切片處理的效率，本文采用哈希表進(jìn)行三角面片的快速存儲與模型的拓?fù)渲貥?gòu)。

為能建立STL模型的拓?fù)潢P(guān)系、將使用V、E、F(即頂點(diǎn)、邊、三角面)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包含指向其上層、下層的指針，例如可以由面結(jié)構(gòu)找到其包含的三條邊、由邊結(jié)構(gòu)找到其所屬的三角面，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。以最簡單的四面體為例，面結(jié)構(gòu)中只記錄其所擁有的3個頂點(diǎn)和3條邊的指針，而邊結(jié)構(gòu)中記錄其所屬的2個面和所包含的2個頂點(diǎn)指針，兩個面F1、F2共享一條邊E2的基本關(guān)系是進(jìn)行快速分層切片的關(guān)鍵，如圖2(b)所示。

圖2 STL三角面片存儲相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及示例

讀入STL文件中的三角形面片信息時，首先在對應(yīng)的哈希表中尋找，判斷頂點(diǎn)和邊是否存在，如果已存在則記錄對應(yīng)頂點(diǎn)/邊與面片的所屬關(guān)系；否則新建相應(yīng)的頂點(diǎn)/邊，并記錄在對應(yīng)哈希表中，以防止冗余。STL三角面片拓?fù)湫畔⒔⒘鞒倘鐖D3所示。

圖3 STL三角面片拓?fù)湫畔⒔⒘鞒?/p>

至此，便建立了頂點(diǎn)、邊、三角面的拓?fù)潢P(guān)系，可以由低層元素獲取其所屬的高層元素的指針；亦可由高層元素獲取其包含的低層元素的指針，為STL模型的快速切片做好準(zhǔn)備。

2.2 分層切片

由于已經(jīng)建立STL模型頂點(diǎn)、邊、三角面之間的拓?fù)潢P(guān)系，切片時則可利用兩個三角面共享一條邊的幾何性質(zhì)從當(dāng)前相交面片找到下一個相交面片，由此可以大大提高切片效率，其切片流程如圖4(a)所示。

分層時首先找到所有與切割面(z=H，H為切割高度)有效相交[2]的三角形面并做出標(biāo)記，以圖4(b)為例，由一個未求取交線的面片F(xiàn)1開始，其與切割平面交于V1、V2，由共享邊E2的拓?fù)湫畔ⅲ篍2屬于F1與F2，即可得到下一個相交面F2的指針，可以繼續(xù)求取F2與切割平面的交點(diǎn)V2、V3。由此可順次求取相交三角面上的所有交點(diǎn)：V1、V2、V3、V4等等并形成封閉多邊形。當(dāng)所有相交三角面都求出交點(diǎn)時，可得到一個或者多個封閉多邊形。

圖4 STL模型切片流程及示意圖

統(tǒng)計各個多邊形輪廓之間的被包含次數(shù)可以將其進(jìn)行分組，從而得到分層后所有的實體截面，實體截面是進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃的基本單位。所有被包含偶數(shù)次(N)的輪廓為實體截面的外輪廓，所有被外輪廓包含且被包含次數(shù)為N+1次的輪廓則為對應(yīng)的實體截面的內(nèi)輪廓，若切片后所得多個多邊形輪廓如圖5(a)所示，對各個輪廓被包含次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖5(b)所示。其中多邊形輪廓1、3、5分別被其他輪廓包含0、0、2次，因此可以確定輪廓1、3、5為切片后獲得三個實體截面的外輪廓；輪廓2被輪廓1包含，且其與輪廓1被包含次數(shù)滿足N輪廓2=N輪廓1+1的關(guān)系，故實體截面S1的外輪廓、內(nèi)輪廓分別為輪廓1、2，同理可確定實體截面S2、S3的內(nèi)外輪廓，由內(nèi)外輪廓所確定的區(qū)域S1、S2、S3是激光束需要進(jìn)行掃描的地方。

圖5 分層輪廓分組算法說明示意圖

2.3 路徑生成

為使高、低功率雙光束打印的硬件優(yōu)勢得到體現(xiàn)，在路徑生成時將對實體截面進(jìn)行分區(qū)——輪廓區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域，在輪廓區(qū)域上使用低功率小光斑激光束進(jìn)行掃描，在內(nèi)部區(qū)域使用高功率大光斑激光束進(jìn)行掃描，由此提高SLM激光3D打印的制造效率。

本文中采用基于Voronoi圖(泰森多邊形)理論來獲取輪廓區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域的分界線，并進(jìn)行輪廓區(qū)域掃描線的生成。該算法以求取單個邊界元素的Voronoi多邊形為核心[3]，在得到的每一個邊界元素的Voronoi多邊形內(nèi)部進(jìn)行邊界元素的偏移，連接偏移線段最終形成輪廓區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域的分界線、邊界區(qū)域內(nèi)的掃描線，此算法可靠性較當(dāng)前其他算法大幅提升，具體流程如圖6所示。

圖6 輪廓區(qū)域邊界確定及其掃描路徑生成流程

內(nèi)部區(qū)域掃描采用大功率光束掃描，為了改善粉末收縮而引起的翹曲變形，算法中采用了由模擬溫度控制的分塊隨機(jī)曝光策略，這一策略使打印過程中的熱量分散在整個打印區(qū)間內(nèi)，顯著減少了熱應(yīng)力引起的變形、翹曲等不良后果[4-6]，其流程如圖7所示。

為了在工藝上實現(xiàn)邊界區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域分別使用不同參數(shù)進(jìn)行掃描、在不同打印層之間進(jìn)行工藝參數(shù)微調(diào)(依據(jù)監(jiān)測硬件提供的反饋數(shù)據(jù)信息)的可能，軟件在每一個打印層中采用獨(dú)立的兩套工藝參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別用于管理打印輪廓區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域時所使用的工藝參數(shù)，使得包括掃描間距、激光功率、掃描速度在內(nèi)的多個工藝參數(shù)可調(diào)。

軟件界面及掃描路徑生成圖如圖8所示，STL模型切片后，其外部輪廓偏移數(shù)目可由工藝人員確定，且外輪廓和內(nèi)部區(qū)域掃描間距互相獨(dú)立，可以分別依據(jù)光斑直徑確定，實現(xiàn)打印精度和效率的平衡。

2.4 硬件寫入

路徑規(guī)劃完成，則激光掃描路徑的幾何信息確定；結(jié)合激光3D打印工藝數(shù)據(jù)(包括激光功率、掃描速度等)，按指定命令格式寫入振鏡控制板卡緩存中即可完成對激光器及振鏡的控制。

3 結(jié)語

本文以VS2012為開發(fā)環(huán)境，以高、低功率雙光束配合進(jìn)行高效SLM激光3D打印的硬件平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行了相關(guān)控制軟件系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了對STL模型進(jìn)行輪廓及內(nèi)部分塊打印功能。打印模型各層均包含獨(dú)立的兩套工藝信息數(shù)據(jù)，最大程度地支持了工藝數(shù)據(jù)的自由調(diào)整。在保證打印精度的前提條件下，大幅度地提升了打印效率，實現(xiàn)了一種有別于當(dāng)前采用多個小功率激光器進(jìn)行分割打印以提升打印效率的新方法。

圖7 內(nèi)部區(qū)域掃描路徑生成流程

圖8 軟件界面及掃描路徑生成圖