基于SLS成型技術的數據預處理研究

謝 丹，朱 紅，侯高雁

（武漢職業技術學院 湖北 武漢 430074）

1 引言

SLS（Selective Laser Sintering）打印技術，又稱選擇性激光燒結，屬增材制造技術的一種，它采用高功率的激光，對粉末加熱使其燒結成型。SLS技術具有成形材料多樣化、成形過程簡單、材料利用率高、無需支撐等優點，特別是不受零部件形狀復雜程度的限制，可以在沒有工裝夾具或模具的條件下，快速制造出形狀復雜的功能件或鑄造用蠟模，是最具發展前景的3D打印技術之一。

三維模型是實現3D打印的前提和基礎，而模型無論是正向設計構建，還是逆向設計重建，均需要結合3D打印的具體要求和約束進行相應的預處理，才能滿足3D打印的需求。因此三維模型數據預處理是3D打印技術核心之一，是高精度、高效率3D打印實現的數據基礎和前提[1]。該研究采用高精度、高質量的德國EOS-P396選擇性激光燒結成型設備，針對SLS成型技術，對三維模型數據預處理進行研究。主要包括三維模型的創建、修復、擺放位置、切片和曝光參數的設置等。其中，曝光類型的選擇、曝光參數的設置對成型件的結構、精度和表面質量等影響巨大，該研究的重點就是針對曝光參數，進行理論分析和實驗研究，探索不同結構的成型件適合的曝光類型和曝光參數，以提高SLS成型件的機械性能和表面質量。

2 三維模型數據預處理

三維模型數據的預處理如圖1所示，主要包括三維建模、模型預處理（模型修復、位置擺放）、切片以及曝光設置等過程。

圖1 三維模型數據的預處理

2.1 三維建模

三維模型的建立是3D打印實現的第一步，也是后續數據預處理的基礎。建模時應根據需要的3D模型表現方式來選擇合適的三維建模工具，常見的機械工程類三維建模軟件有PRO/E、UG、Solidworks、CATIA等，工業設計類三維建模軟件有3DSMax、Maya、Rhino等，醫學影像類三維建模軟件有Minics等，逆向設計重建工具Geomagic Studio等。利用以上三維建模軟件建立了三維數字模型，保存為STL格式備用。

2.2 模型預處理

模型數據預處理是建模后能否成功打印的必要環節，針對EOS-P396選擇性激光燒結成型設備，采用Magics軟件進行模型的預處理，Magics是專業處理STL格式的軟件，它具有功能強大、易用、高效等優點，可以實現模型修復、零件擺放、碰撞檢測、光滑處理等。

2.2.1 將生成的STL文件導入Magics軟件

（1）模型的導入與修復

在實際打印過程中，為了節約成本可同時打印多個不同形狀的模型，因此，需要將多個模型導入到Magics軟件中。步驟是：每導入一個模型并進行檢查，其路徑為：Fix>Fix Wizard>Update。如果發現模型表面有紅色或黃色區域的就表示需要進行修復，修復路徑為：Fix>Fix Wizard>Update>Automatic fixing>Follow Adjuice，能夠方便快速的修復有瑕疵的STL文件，如圖2所示。

圖2 模型的修復

（2）模型的擺放與碰撞分析

修復后的模型在擺放時應遵守的原則是：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，零件易發生收縮，影響精度）、精密零件應放在缸的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。為了進一步提高材料的利用率，盡量在最小的空間內擺放更多的零件。當所有的模型在擺放完畢后，執行碰撞檢測命令：Analyze&Report>Collision Detection。若1次不能通過檢測，反復調整出錯模型的相對位置并重新進行碰撞分析，直至全部通過。碰撞檢測有誤及調整后無誤擺放實例如圖3所示。

圖3 模型檢測

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鍵步驟，切片算法在整個切片中起著至關重要的作用，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為模型的切片實例。

圖4 模型的切片

圖5 PSW軟件界面及設置

2.3 切片模型導入打印軟件PSW

PSW軟件是對切片后的模型賦予屬性及對EOS設備打印設置的軟件。將切片軟件生成的SLI格式的文件導入到PSW中，可對每個打印模型的曝光參數進行設置。將所有的長方體模型（設計為實體）曝光參數設置為EOS_Box，即長方體上下表面為鏤空狀，內部是空的，此種設置可以打印包含件。

在正式打印之前，還需要在PSW軟件中對EOS設備進行設置，如激光光斑補償設置、縮水率補償設置、打印溫度設置、刮刀及工作臺設置、加熱設置、漏粉量設置、氮氣護設置、工作狀態顯示等。切片模型導入PSW軟件界面如圖5所示。

3 實驗結果及結論

設置不同的曝光參數打印實物如圖6所示，長方體的實體模型通過設置曝光參數，最終打印出來的并非實體，由此可見，曝光參數的設置在打印過程中尤為重要，其他幾種曝光參數及其意義詳見表1所示。

圖6 打印實物

表1 EOS設備曝光參數及其意義

三維模型的數據預處理是驅動3D打印過程實現的關鍵技術環節，同時也需要相應的科學技術作為支撐。本文針對EOS設備的3D打印數據預處理有三維模型修復、擺放及碰撞檢測，三維模型的切片，三維模型打印質量的曝光參數設置等進行了研討。基于上述數據預處理采用的都是STL格式的文件，STL文件格式的特點是精度不高、數據冗余大、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）導入預處理的軟件，以期進一步提高零件的精度將是今后3D打印數據預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,程涵,楊曉強，面向3D打印的三維模型處理技術研究綜述[J]，制造技術與機床,2016,6:54-57，

[3] 羅文煜，3D打印模型的數據轉換和切片后處理技術分析[D]，南京：南京師范大學,2015，

[4] 史玉升,張李超,白宇,趙祖燁，3D打印技術的發展及其軟件實現[J]，中國科學，2015,45(2):197-203，