基于3D打印設備的機械與控制系統設計研究*

劉長華，張衛華，甄瀟楊，張紅昌，徐 宏

(1.北京北方車輛集團有限公司工藝研究院，北京 100072； 2.北京北方恒利科技發展有限公司，北京 100089)

0 引 言

選擇性激光熔化技術是以選擇性激光燒結技術為基礎發展起來的利用疊加原理即逐層熔覆的“增量”制造方式直接制作金屬產品的先進制造技術[1-3]，其工藝過程為：在計算機中，利用CAD三維造型軟件，建立所要加工實體的三維數字化模型，利用預處理軟件對三維數字化模型在一個特定的方向上進行分層處理，從而得到模型在特定方向不同截面上的層面輪廓圖形，在SLM成型機工作平臺上，根據各層面輪廓圖形控制激光束對工作平臺面上的金屬粉末材料進行熔化燒結，層層疊加，最終獲得與所設計模型一致的金屬三維實體原形[4,5]。

SLM 裝備影響成形工藝及成形件精度、機械性能的因素有許多種[6]，在開發SLM 裝備方面，德國、日本和美國走在了商用裝備的前列，如德國的MCP、TRUMPF、日本的MATSUUR、美國的PHENIX，這些裝備的主要差異在于激光器、聚焦面光斑尺寸、鋪粉方式、活塞缸鋪粉層厚等方面，其中MCP公司的SLM 裝備[7-8]和PHENIX 的SLM 裝備[9-10]應用的激光器為激光波長為1 090 nm的100 W光纖激光器，TRUMPF 公司的SLM 裝備配備激光波長為1 030 nm的250 W盤形激光器[11]。同時，比利時魯汶大學、日本大阪大學等高校也從事SLM 裝備的研制[12]。國內的武漢光電國家實驗室、新松機器人、北京北方恒利科技發展公司開發了系列的SLM 裝備，實現了工程化應用。

使用SLM 3D打印成形的金屬部件，固溶體可以獲得非平衡態過飽和組織，微觀組織均勻細小，致密度接近100%，機械性能與鍛造相當[13-14]，打印成形對SLM 3D打印設備有較高的精度要求，目前國外一些廠商對這方面進行了深入的研究并開發出了商業化的SLM 3D打印設備，但價格貴、批量工業化難，因此依據國內制造行業對精密成型零部件的精度需求，開發低成本、高精度的SLM3D打印設備非常必要[15]。筆者以研制HLP-350 3D打印設備為基礎，對系統設計、系統加工、性能檢測實驗和系統試運行等幾個階段進行研究，以期完成3D打印設備的研制，同時也為其他類似的設備提供參考。

1 系統設計指標及要求

1.1 SLM 3D打印設備工作原理及組成

SLM 3D打印設備工作原理如圖1所示，成形時鋪粉軸將粉末材料從送粉缸鋪入工作缸，從而在工作缸鋪上設計厚度的粉末材料，然后激光束在控制程序的控制下按照成形零件截面的輪廓信息對粉末材料進行掃描燒結，使粉末的溫度升至熔點以上，被掃描到的粉末熔化后又降到熔點以下，相互粘結得到一個燒結面，非掃描區的粉末仍呈松散狀，作為工件和下一層粉末的支撐。一層成形完成后，工作臺下降一層的高度， 再進行下一層的鋪料和成形，如此循環，最終成型三維實體零件。

圖1 SLM 3D打印設備工作原理示意圖[16]

1.2 SLM 3D打印設備開發設計總體要求

SLM 3D打印成形設備的開發設計總體要求如下：送粉缸的運動精度一般控制為0.01 mm；鋪粉棍導軌的定位精度控制為0.002 5 mm；采用氬氣或氮氣對激光器振鏡進行密封；適應粉末激光成形多類型的工藝支撐；掃描工藝智能化，如分形掃描、螺旋掃描、環形掃描、分塊短線掃描等；工藝軟件和控制軟件即可單獨使用也可一體使用，支持遠程維護和遠程監控功能；采用伺服閉環控制；基板與快激光復合預熱技術。

2 系統設計

利用CAD三維造型軟件，建立所要加工實體的三維數字化模型，然后進行分層處理，在激光3D打印機上，根據各層面輪廓圖形控制激光點對工作平臺上的粉末材料進行燒結，層層疊加，最終獲得一個與所設計模型一致的三維實體原形，其工藝流程如圖2所示。

圖2 3D打印工藝過程圖

從激光3D打印的制作工藝過程可以看出激光3D打印系統由以下幾部分組成：三維造型軟件、預處理軟件、3D打印設備。

2.1 機械系統設計

2.1.1 機械設計要求

整機重量和體積盡可能小，可整體搬運，運輸方便；在結構上要兼顧考慮系統的可操作性、維護性和經濟性；結構設計工藝性要好，標準化程度要高；結構設計要使整機工作可靠，使用壽命長；外型設計要美觀，組裝方便。

2.1.2 結構設計方案

為了能使所設計產品滿足上述各項機械設計要求，在結構設計的同時，考慮了該整體制作的特點，在結構設計時注意：凡在裝配設計孔的位置時，一般設計成配作加工，減少由于定位不準導致的裝配問題；為保證結構工藝設計的實現，應詳細標明裝配工藝和加工工藝。

2.1.3 總體結構

3D打印總體結構在設計上采用了工作主機單元和控制柜單元分體的設計方案，以減小主機單元的總體尺寸和重量，方便運輸，其中控制柜單元采用分層隔置的方式以提高空間的利用率，在各隔層板上分別放置工控機、顯示器、電機驅動器以及配電控制元件等，工作主機的整體結構如圖3所示。

圖3 主機結構示意圖[17]

3D打印成形設備的總體結構設計具有組裝式的工作缸及供料缸、低成本的推力器、無專用工作平臺的設計方法、采用多重冷卻方案解決激光掃描系統的空冷問題、周壁預加熱裝置、彎板式防塵機構、大剛度整體式基架、低成本的步進電機等特點。

2.2 激光掃描系統設計

2.2.1 動態聚焦單元的工作原理及選型

動態聚焦單元的是為了克服3D打印系統中掃描系統“圓弧效應”而引入。在普通不帶動態聚焦單元的掃描系統中，兩振鏡所形成的焦斑軌跡為圓弧，如圖4所示，焦斑掃描軌跡(圓弧)與工作面僅在中心點C重合，中心點以外二者分離，在工件邊緣A 處分離最大，且工件越大或光束的偏轉半徑越小二者分離越大。在A′處光束聚成點后又發散，到達A處形成一個較大尺寸的光斑，功率密度降低，影響燒結質量和精度。

圖4 圓弧效應示意圖[18]

雙振鏡掃描頭控制光斑在x-y平面內掃描，雙振鏡系統的聚焦誤差ΔS為[19]：

(1)

在實際工程中，為了保證負透鏡的直線位移對振鏡掃描速度的可靠響應，負透鏡的軸向位移量控制在±5 mm以內。假設振鏡最大掃描角為±20°，振鏡到工作面距離為465 mm，則可求得聚焦誤差60 mm，系統聚焦位置變化量為±ΔS/2=±30 mm。HLP-350I成型機選用SCANLAB公司varioSCAN 40動態聚焦單元，其焦距變化量為±38.5 mm。

2.2.2 振鏡掃描工作原理及選型

掃描振鏡是由一定位馬達和一反射鏡組成，其中定位馬達的核心是一個高性能檢流計和一個旋轉位置傳感器，后者產生的位置負反饋和速度負反饋與檢流計的信號放大器形成一個閉環電路，從而滿足了對振鏡的定位精度要求，保證加工質量。

對于一般的轉子慣量，振鏡掃描頻率可達幾百上千赫茲，由于受動態聚焦單元中負透鏡的平移速度的牽制，尤其是受激光功率的制約，因此整個三維掃描系統的掃描頻率約為6 Hz。

2.2.3 “枕形”畸變校正

在雙振鏡系統中，兩個振鏡在光路中前后布置的結構造成x軸向的“枕形”畸變，當掃描一方形時，掃描軌跡并非一個標準方形，而是出現“枕形”畸變[20]，其值為Δx=x-x0。

“枕形”畸變通過軟件校正，在HLP-350I成型機中軟件算法是將一理想的方形像場分割成矩陣式網格，校正文件中存入這些網點精確的x、y坐標，對于像場內的任何一點，用內插法計算其正確座標，并送給振鏡掃描頭，每一掃描矢量細分為微步后都用這種算法進行校正。這里矢量被分解為微步是必要的，因為掃描振鏡是通過模擬穩壓電路控制的。

2.2.4 振鏡用反射鏡

HLP-350I成型機為低功率激光系統，反射鏡不需要冷卻散熱，因此使用普通光學玻璃制作反射鏡基片，然后鍍多層介質膜，反射率達99%以上。反射鏡的尺寸必須足夠的大，保證在偏轉中不切割光束。對于任何激光系統，其焦斑尺寸決定于衍射和球差，其中衍射影響的焦斑直徑為:

(2)

球差影響的焦斑直徑為:

(3)

式中：M2為激光模式質量因子(在HLP-350I中M2=1.4)；f為聚焦元件焦距，f=630 mm；λ為激光波長，λ=10.6 μm；D為孔徑光欄直徑，D=40 mm；k是與聚焦元件材料有關的系數。

以HLP-350I成型機中各參數的值代入以上兩式，d1和d2分別為0.298 mm和0.005 mm。有文獻認為激光系統的焦斑直徑應為二者之和，即d=d1+d2=0.303 mm。實際上，由于二者形成的光斑屬于同心圓，因此其中尺寸大的就是焦斑直徑，即d=d1=0.298 mm。

HLP-350I成型機選用的SCANLAB公司power SCAN 33掃描頭，在加工精度和非冷卻工作條件下的可靠性都得到了驗證。

2.2.5 激光功率的論證和激光器選型

PS粉和蠟粉參數如表1所列，當激光功率取P=20 W，δ=0.2 mm,d=0.3 mm,可以看出，當激光功率取20 W時，完全熔化PS粉和蠟粉的掃描速度分別為2.12 m/s和1.96 m/s, 因此，泛取系統掃描速度為2 m/s。經過工藝優化的實際掃描速度約為1.3 m/s，因此可以適當降低激光功率。

表1 材料參數和工藝參數

實踐和理論充分證明30W激光功率是足夠的，比起傳統上使用的50 WCO2激光器，較大幅度提高了系統的性能價格比。HLP-350I成型機選用美國UNIVERSAL公司ULM-30CO2激光器，采用流動空氣冷卻，環境溫度要求在+25 ℃以下。

2.2.6 擴束器和窗口鏡選型

擴束器是激光器和掃描模塊之間的耦合器件，它保證送給掃描模塊的激光束具有足夠大的直徑，從而得到理想的焦斑尺寸。窗口鏡設置在光路終端，將光路和成型室隔離開來，避免光學元件受到污染。它們的作用既不能忽視，又由于只能通過進口解決，價值較高，因此選型是否合理也顯得至關重要。HLP-350I成型機選用美國Ⅱ-Ⅵ公司的BECZ-10.6-C1.0:5-D4擴束器和Φ120 mm×12 mm窗口鏡。

2.3 控制系統設計

2.3.1 控制系統的硬件設計

在3D打印系統中，控制系統是控制整個系統中各部件按照預定程序協調工作。激光3D打印系統按照結構組成，主要包括：掃描系統控制；工作缸和供料缸運動控制；鋪粉機構運動控制；電力配電控制；照明控制；預熱系統控制；冷卻引風電機控制；抽風過濾系統控制。為此在系統采用了兩級集散控制的控制系統結構，其硬件結構如圖5所示。

圖5 控制系統結構圖

2.3.2 成型系統軟件設計

在激光3D打印系統中，軟件系統主要由三維圖形軟件、處理軟件和控制系統軟件等三部分軟件構成，如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

2.3.3 三維圖形軟件

三維CAD圖形軟件是3D打印成形技術的關鍵組成部分，其主要功能是零件三維模型設計、三維模型表面三角化處理?，F有的商用CAD三維軟件對模型的設計可以有線框模型、實體模型和曲面模型等三種形式，在3D打印中多使用實體模型和曲面模型。

由于三維圖形軟件發展的獨特性，模型輸出存在差異，為了適合不同三維圖形軟件繪制的模型，多數三維圖形軟件均配置了STL接口，以備不同三維CAD圖形軟件繪制的模型均能實現3D打印成形[21]，STL接口的主要功能就是實現模型的表面三角化處理。在本設計中，充分考慮了系統對不同CAD軟件接口的兼容性，可接受不同CAD軟件輸出的STL模型文件。

2.3.4 預處理軟件

預處理軟件的作用是接收CAD造型軟件輸出的模型數據文件，在加工前對由STL文件格式所描述的模型進行預處理，以提供掃描系統在各層片加工過程中的加工信息，處理過程主要包括：

(1) STL文件的讀入 預處理軟件首先要正確讀入三維CAD造型軟件輸出的STL文件數據。不同CAD軟件輸出的STL模型文件一般有二進制格式和ASCII碼格式兩種存貯方式。為了使其所設計預處理軟件可以應用于與各種不同CAD軟件接口，在設計中考慮了不同CAD軟件在數據格式上的差異，實現對ASCII碼和二進制碼兩種格式的自動識別和數據文件的讀入。

(2) 對STL文件的正確性進行檢驗和修補 在繪制三維模型以及在STL文件表面三角化處理時存在的問題均會以裂縫空洞、懸面、重疊面和交叉面等缺陷存在于STL文件中，如果不對這些缺陷進行處理直接分層處理進而打印成形，這將會導致打印過程的失敗，例如出現不封閉面和歧義面現象，嚴重時甚至無法打印，因此要在分層處理前就要對STL文件中存在的問題進行檢驗并處理。

對于STL文件中檢驗后，有些簡單問題(如片面錯誤和小裂縫等)是可以進行修補的，但對于一些較復雜的問題(如面片丟失，模型中含有相交體和面時)在分層處理階段是無法修補的，需要從原始三維圖形進行處理，以實現三維打印圖形的修正。

在本設計中實現了對STL文件中常見的法向錯誤、頂點錯誤、和由于數據在不同精度系統間的傳輸所造成的裂縫或空洞重疊及懸面錯誤的自動識別和修復功能。

(3) 三維模型數據的圖形顯示和編輯 在本設計中有關圖形顯示部分的開發是基于圖形開發環境GL(Graphics Library)基礎的OPENGL圖形庫開發的。由于GL性能優越，因此贏得了用戶的高度贊譽。為了使其它平臺用戶利用這一技術，SGI公司對圖形開發環境GL進行了改進，提高了GL的移植性，使之成為了跨平臺的圖形設計接口。

在本設計中，實現了三維模型形體的三維坐標表示和利用光照模型對模型進行凸顯，使所顯示圖形逼真，形象。同時實現了圖形平移變換、旋轉變換、按比例縮放、STL模型的分解算法等圖形編輯功能，圖形顯示界面如圖7所示。

圖7 圖形顯示和編輯用戶界面

(4) 分層處理 在STL文件中各三角形信息的存放是無序的，不反映各三角形之間的連接關系。為提高分層處理效率和STL文件的糾錯能力，在數據讀入后要根據STL文件所提供的信息，進行信息拓樸關系的重建，獲得各三角面片的連接關系，從而可以根據任一三角形的頂點或邊可以快速找到與此點相關的所有三角形的邊，以及與邊相關的三角形的其它邊，以便提高后續分層求交處理的運算速度。

在設置打印參數時，可根據打印的精度對打印截面間隔(即層厚)進行工藝參數設置和優化，打印截面間隔在滿足加工零件打印精度要求的情況下是可以調整的，為了提高打印效率，對于復雜截面、簡單截面設置不同的打印截面間隔厚度，對于相鄰層各輪廓的差異較小時，可以適當加大打印截面間隔厚度。打印截面間隔厚度還要考慮激光能量、掃描速度、粉末材料種類等因素，合理設置打印截面間隔厚度。

(5) 分區處理 分區處理是3D打印系統中為提高加工效率、減少激光器開關次數延長激光器使用壽命所采取的措施。對于同一個平面幾何圖形，有多種區域劃分方法，不同劃分方法，產生的分區數各不相同。分區數越多，無效掃描路徑越長，激光器的開關次數越多，將會影響加工效率和激光器的壽命。本設計采用了一種基于凸凹特征點的分區算法，該算法使用不僅減少了成型加工過程中的無效掃描路徑和激光的開關次數，有利于加工效率的提高和激光器使用壽命的延長。

(6) 分區掃描順序的優化 分區掃描順序如何優化是關乎3D打印系統效率的重要方面，各分區的排列順序不同時，將會導致對整個層片加工時，掃描頭的運動路徑不同，為了得到更高的加工效率，當對某層的區域劃分完成后，就存在一個分區掃描順序優化問題[22]。本設計采用了一種“相對距離最短”的優化算法，大幅提高了計算效率。

在本設計中預處理軟件采用模塊化的程序結構，將各個需要實現的子功能由單獨的函數實現，從而使各個模塊間的耦合性盡可能小，提高軟件結構的明晰性和可重用性。

2.3.5 數控加工軟件

數控軟件的主要作用是按用戶在加工前輸入的一些加工參數，根據STL文件分層分區后的數據模型[23]，對掃描頭、供料電機、控制電機、鋪粉電機等進行自動控制，形成鋪粉、打印等過程，同時對工作狀態和系統進行監控和管理，以實現加工過程的順利進行。

HLP-350I成型機的控制系統采用兩級集散控制結構，因此數控軟件包含了上位機控制軟件和下位機控制軟件，根據所要實現的功能，采用了?？旎脑O計結構。

3 設備成形產品

使用研制的HLP-350I成型機對某產品進行了試制成形，成型后的產品如圖8所示，產品表面質量良好、精度控制較為精確，滿足了產品的各項要求。

圖8 成形產品

4 結 語

根據HLP-3503D打印機研制任務的要求，先后經過項目調研、系統設計、系統加工、安裝調試和系統試運行等幾個階段，對3D打印設備的系統設計、系統加工、安裝調試、性能檢測實驗、系統試運行和系統改進等幾個階段進行研究，對該設備的相關機械和控制系統的技術標準進行了設計和優化，完成了該設備的研制。在設備的研制過程中，開發了具有三維圖形顯示、編輯功能以及糾錯、分層、分區處理等功能的數據預處理軟件；在成型加工過程中增加了克服打印成形存在臺階誤差的輪廓掃描功能，同時在3D打印系統中使用了能降低成本的風冷式激光器。到目前為止先后加工臘粉、PS粉、金屬粉、覆膜陶瓷粉材料原形2 000多件、累積加工時間2 000 h以上。