基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品打印成型前處理分析＊

陳福德

（1.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設(shè)計(jì)工程技術(shù)研發(fā)中心，山東 德州 253034）

引言

快速成型是利用CAD軟件將模型轉(zhuǎn)化為STL數(shù)據(jù)，利用切片軟件對 STL文件進(jìn)行離散分層，生成各層面掃描信息，快速成型設(shè)備根據(jù)每層截面信息逐層堆積材料，從而完成整個(gè)產(chǎn)品的加工制造，分為前處理、疊加成型和后處理三個(gè)工藝過程[1]。因其具有集成化、自動化、快速化等優(yōu)點(diǎn)，已成為產(chǎn)品快速開發(fā)的一種重要手段，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、醫(yī)療、建筑、食品等領(lǐng)域[1]。本文主要探討了STL文件、成型方向的選擇、支撐設(shè)置、模型切片分層、層片的掃描路徑等前處理工藝過程，如圖1所示。

1 構(gòu)建模型

設(shè)計(jì)并構(gòu)建3D打印模型數(shù)據(jù)主要有三種不同的方式：正向設(shè)計(jì)的三維CAD模型數(shù)據(jù)、逆向工程數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)/體素?cái)?shù)據(jù)。正向設(shè)計(jì)是直接利用UG、Pro/E等建模軟件來構(gòu)造產(chǎn)品的三維模型，逆向建模是應(yīng)用逆向工程對已有實(shí)物進(jìn)行建模，通過精密測量設(shè)備采集零件表面點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用逆向設(shè)計(jì)軟件根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)實(shí)物的 CAD模型，是一種應(yīng)用非常廣泛的重要建模方法[2]。

圖1 快速成型前處理的流程

2 STL文件

STL是對CAD實(shí)體模型進(jìn)行表面三角形網(wǎng)絡(luò)化，用若干小三角形面片去逼近零件真實(shí)表面（如圖2），是目前設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的通用標(biāo)準(zhǔn)文件格式。STL文件能正確描述三維模型，必須遵循取值原則、共頂點(diǎn)原則、取向原則和充滿原則。STL文件有二進(jìn)制與文本文件兩種格式，命名規(guī)則符合右手定則，即每個(gè)三角面片由三角形的三個(gè)頂點(diǎn)和指向三角形面片外部的法線矢量組成。

STL文件逼近CAD模型的精度通常由曲面到三角面片的距離誤差或弦高差控制（如圖3），誤差越小。三角形面片數(shù)量越多，越趨近于理想實(shí)體的形狀，但STL文件越大，數(shù)據(jù)處理運(yùn)算的時(shí)間就越長。快速成型對STL文件的正確性和合理性有較高的要求，對STL模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修復(fù)的目的主要是為了保證STL模型無裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面，避免模型分層出現(xiàn)不封閉環(huán)或歧義現(xiàn)象。

圖2 STL文件

圖3 自由曲面的三角面片逼近

3 成型方向選擇

模型的擺放決定了成型方向，是影響成型件質(zhì)量的重要因素。針對這個(gè)模型，根據(jù)打印設(shè)備工作平臺的限制，以更好的布局以便成型。針對單個(gè)模型打印，主要從表面質(zhì)量、零件強(qiáng)度、支撐材料、成型時(shí)間4個(gè)方面去考慮，提高成型質(zhì)量和效率。對于表面質(zhì)量而言，上表面好于下表面，水平面好于垂直面，垂直面好于傾斜面；對于零件強(qiáng)度，水平方向的強(qiáng)度要好于垂直方向；就支撐材料而言，應(yīng)遵循減小支撐面積和降低支撐高度原則；零件Z方向尺寸越大，切片分層數(shù)目越多，成型時(shí)間越長[3]。

從打印時(shí)間和加工效率上看，應(yīng)選擇尺寸最小的方向作為疊加方向；為了提高原型成型質(zhì)量和打印精度，需要將較大的尺寸方向作為疊加方向；為了減少支撐，節(jié)省材料及方便后處理，使懸臂結(jié)構(gòu)的數(shù)量最少。降低模型堆積方向的高度，可減少分層數(shù)目，縮短加工時(shí)間，而高度的降低可能導(dǎo)致增加支撐數(shù)量、材料損耗及后處理難度，延長成型時(shí)間。因此，較優(yōu)的成型方向是在滿足零件表面精度的前提下，成型高度盡量小，支撐數(shù)量越少越好。

4 支撐的設(shè)置

支撐對原型的制作至關(guān)重要，能避免在零件成型過程中發(fā)生坍塌或變形。支撐按其作用的不同分為基底支撐和零件原型的支撐?；字问羌佑诠ぷ髋_上，形狀為包絡(luò)零件原型在 XOY平面上投影區(qū)域的矩形，便于零件從工作臺上取出，消除工作臺的平面度誤差引起的原型誤差，減小或消除翹曲變形。在 CAD系統(tǒng)中手動手工添加支撐結(jié)構(gòu)和軟件自動生成支撐結(jié)構(gòu)兩種形式，添加時(shí)需考慮支撐的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、加工時(shí)間和可去除性等因素。

5 切片分層

確定成型方向和支撐后，按照設(shè)定的層厚進(jìn)行分層，得到各層輪廓的掃描信息。這種疊層制造原理在零件表面容易產(chǎn)生“階梯效應(yīng)”（如圖4），面片的法向矢量與成型方向夾角越小，階梯效應(yīng)越明顯。零件層厚越大，分層數(shù)目越少，成型時(shí)間越短，加工精度越差；反之，則誤差越小，表面質(zhì)量越好，分層數(shù)目越多，成型時(shí)間延長。為解決等分層厚度切片處理方法中存在的問題，提出了自適應(yīng)分層方法（如圖5），即在誤差控制下，在分層方向上，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自動改變分層厚度。零件表面斜度較大時(shí)選取較小層厚，提高成型精度，反之，則設(shè)置較大層厚，提高加工效率。

圖4 臺階效應(yīng)對成型零件的影響

圖5 兩種分層方法

6 層片掃描路徑及填充形式

分層后得到模型的截面輪廓，每個(gè)層片截面的掃描路徑包括輪廓掃描和填充掃描。不同掃描路徑與制件的精度、強(qiáng)度和成型效率密切相關(guān)。掃描方式有往復(fù)直線法、環(huán)形掃描法和分形掃描法。優(yōu)質(zhì)的掃描軌跡，能夠保證制件的成型精度和表面質(zhì)量，減小層間應(yīng)力，減輕翹曲變形，減少空行程，減少振動和噪聲，提高成型效率[4]。成型過程中，除需要對輪廓填充外，還需對內(nèi)部實(shí)體進(jìn)行掃描填充。填充方式主要有單向填充、多向填充、螺旋填充、偏置填充及復(fù)合填充（如圖6）。填充方式影響成型件的表面質(zhì)量、成型效率及內(nèi)應(yīng)力大小。

圖6 填充方式

單向填充方式是最簡單的填充方式，一般沿著一個(gè)方向（X方向或Y方向）進(jìn)行填充；該填充方式數(shù)據(jù)處理簡單，但掃描短線較多，產(chǎn)生的延遲時(shí)間誤差較大。多向填充是根據(jù)模型截面輪廓的形狀，自動選擇沿長邊方向填充；可有效減小單向填充產(chǎn)生的誤差，改善成型件的機(jī)械性能。螺旋填充是從成型件中心向四周擴(kuò)展；提高成型過程中的熱傳遞速度及成型件的機(jī)械性能，且掃描線較長，減小延遲時(shí)間誤差，但輪廓信息丟失嚴(yán)重，精度較低；偏置填充是按輪廓形狀由外向內(nèi)逐層的偏置進(jìn)行掃描；使掃描線盡量長，從而減小延遲時(shí)間誤差，但由于必須重復(fù)進(jìn)行偏置環(huán)的計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算量較大，填充路徑較復(fù)雜；復(fù)合填充是內(nèi)部區(qū)域采用偏置填充，其他區(qū)域采用線性填充；在保證成型件表面精度的前提下，有效簡化填充過程，提高成型效率。

7 結(jié)語

（1）3D打印模型數(shù)據(jù)可通過正向設(shè)計(jì)的三維 CAD模型數(shù)據(jù)、逆向工程數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)/體素?cái)?shù)據(jù)三種方式設(shè)計(jì)并構(gòu)建。STL文件須遵循取值原則、共頂點(diǎn)原則、取向原則和充滿原則，切片前需對STL模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修復(fù)。

（2）提高模型的成型質(zhì)量和效率，應(yīng)從表面質(zhì)量、零件強(qiáng)度、支撐材料、成型時(shí)間四個(gè)方面綜合考慮，選擇合適的成型方向。為避免在零件成型過程中發(fā)生坍塌或變形，需要設(shè)置支撐，添加時(shí)需考慮支撐的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、加工時(shí)間和可去除性等因素。

（3）確定成型方向和支撐后，設(shè)置合適的層厚，對模型切片分層，生成截面加工路徑，采用自適應(yīng)分層方法解決等分層厚度切片處理方法中存在的問題。分層后得到模型的截面輪廓，每個(gè)層片截面的掃描路徑包括輪廓掃描和填充掃描。掃描路徑與制件的精度、強(qiáng)度和成型效率密切相關(guān)。