STL數據處理對激光燒結制件表面條紋影響的研究

孫茂銀 吳 健 吳澤宏

1.貴州省冶金化工研究所，貴陽，5500002.貴州森遠增材制造科技有限公司，貴陽，550000

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AD)技術俗稱3D打印。選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)技術是一種粉床式增材制造技術，是目前應用最為廣泛的3D打印技術之一[1-5]。選擇性激光燒結制件表面易出現橘皮、翹曲、層紋等缺陷，導致制件尺寸精度降低、表面粗糙度增大，使制件成為廢品[5-7]。橘皮、翹曲、層紋等缺陷形成機理及處理辦法已有大量報道。筆者在實驗過程中發現當個別三維模型平面平行于成形坐標軸的XY平面時，成形制件的平行表面會不規律地出現類似的不規則條紋，而這種缺陷及處理技術目前鮮有報道。本文針對這種選擇性激光燒結制件表面條紋進行研究，分析條紋產生的機理，提出防止表面條紋缺陷產生的技術措施。

1 實驗部分

1.1 實驗設備、材料

實驗設備見圖1，為湖南華曙高科技有限責任公司生產的選區激光燒結設備SS403P，控制軟件為Buildstar、Makestar，軟件識別數據格式為STL。實驗材料為湖南華曙高科技有限責任公司生產的FS3300PA，其材料性能見表1。

圖1 選擇性激光燒結設備 SS403PFig.1 Selective laser sintering equipment SS403P

表1 FS3300PA粉末、制件主要性能參數

1.2 實驗及結果

主要工藝參數如下：供粉預熱溫度155 ℃，燒結溫度168.5 ℃；激光填充功率85 W，激光輪廓掃描功率15 W，激光填充間距0.3 mm，激光填充掃描速度15 m/s，激光輪廓掃描速度10 m/s，激光填充最大跳轉間距12.7 mm，燒結層厚0.12 mm。

燒結后觀察制件發現，本應為光滑平面的制件表面存在條紋，如圖2所示。條紋缺陷會導致制件表面粗糙度增大、尺寸精度降低、外觀質量變差等，使燒結制件成為廢品。

(a)正面 (b)反面圖2 典型的燒結制件表面條紋Fig.2 Typical surface stripes of sintered parts

由圖2所示條紋可以看出，條紋整齊且不規則，且實驗中同一模型數據的多個制件存在完全相同的表面條紋。選擇性激光燒結的主要工藝參數包括粉體材料的預熱溫度、激光填充功率、激光掃描速度、激光填充間距、燒結層厚等。粉末在預熱加熱系統、激光系統的共同作用下熔融、固結得到燒結制件。工藝參數選取不當往往會導致制件橘皮、翹曲、層紋等缺陷。這些由工藝參數導致的缺陷主要原因是熱量不當和燒結臺階。熱量不當會導致不規則的變形；層厚參數設置不當則表現為Z向(成形坐標系)規則臺階紋。圖2中制件的表面條紋燒結輪廓整齊且不規則分布，不符合熱量缺陷及臺階狀層紋缺陷特征。實驗中，多個制件條紋缺陷完全一致，就可以排除工藝參數的影響。多個一致的燒結整齊條紋說明激光系統存在掃描行為，表明這些條紋存在于激光掃描路徑中。激光掃描路徑取決于模型數據及其在成形坐標系中的擺放位置，因此，可以判斷條紋的產生與燒結工藝參數無關，并由此推斷該現象可能與模型數據在成形坐標系中的擺放位置、模型數據本身缺陷有關。

為了證實上述推論，改變圖2a中模型數據在成形坐標系中的Z坐標值，X、Y坐標值不變，并設置相同的燒結工藝參數進行燒結實驗。實驗結果如圖3所示，對于成形坐標系中不同Z坐標值的擺放模型數據，一部分制件表面光滑，另一部分制件表面有明顯的不規則條紋。

(a)表面條紋制件 (b)表面光滑制件圖3 表面條紋制件及表面光滑制件Fig.3 Part with stripes on the surface and partwith smooth surface

具體結果見表2。由表2數據可以看出，制件是否有條紋與Z坐標值有關，且沒有特殊的規律。

表2 不同Z坐標值所燒結制件表面條紋情況

2 分析與討論

以選擇性激光燒結為例說明3D打印技術的成形特征。將待加工的三維模型數據放置在虛擬成形平臺中，系統根據一定的收縮比例系數對數據的三維尺寸進行修正。修正后數據以成形坐標系OXY為分割平面，以燒結層厚為Z向變量，將三維模型數據切割成n個片層[8-9]。制件燒結層數n(四舍五入原則)為

n=Za/d0

(1)

式中，Za為制件比例尺寸；d0為燒結層厚。

分層完畢后，三維模型被分割為二維平面數據。Buildstar系統以一定的邏輯順序模擬激光掃描路徑，并保存路徑數據。加工準備工作完成后，開啟Makestar系統調用Buildstar系統所設置的加工參數燒結成形。在燒結成形過程中，激光對每一片層實體輪廓內部按照一定填充間距進行填充燒結，并對輪廓進行一次或多次掃描，然后利用片層間過剩能量將每個片層連接起來，最終得到激光燒結制件[10-12]。

已有研究表明，Z向表面粗糙度主要與片層厚度、片層之間輪廓燒結能量、片層間收縮行為有關。層紋的大小受片層厚度直接影響，橘皮組織產生的原因是片層間材料不均勻收縮行為。本文所觀察到的表面條紋則和上述缺陷完全不同。如圖2、圖3所示，該條紋呈現出順滑而不規則的現象，且每個有條紋的制件分布完全相同，故可以排除材料、燒結工藝參數的影響。上述現象表明，表面條紋可能與激光掃描路徑有關。

利用Buildstar軟件系統中切片模擬功能對表2中不同Z坐標值擺放模型數據激光掃描路徑進行模擬、觀察，結果如圖4所示。由圖4a可看出，制件模型數據平面光滑，然而當制件在不同Z軸位置時，激光模擬路徑有較大差異。由圖4b可以看出，某些位置激光沒有掃描，對比圖2a，激光路徑沒有掃描的位置正好和選區激光燒結制件表面出現條紋的區域一致。圖4c、圖4d及圖3表明，改變Z軸位置時，激光能夠完整掃描平面，得到表面光滑的制件。上述實驗現象表明，表面條紋確實與掃描路徑缺失有關，但不能說明為何改變Z坐標值后會得到光滑平面和表面條紋的制件。

(a)制件模型數據(b)圖3中出現條紋制件平面的激光路徑模擬

(c)圖2中未出現條紋(d)圖3a中無條紋制件制件平面的激光路徑模擬 平面的激光路徑模擬等軸視圖圖4 制件激光掃描路徑模擬Fig.4 Simulation of laser scanning path

由式(1)可看出，燒結片層層數n只能是整數，而且遵循四舍五入原則。當以OXY平面分割最頂層剩余片層厚度低于Buildstar系統設置層厚的一半時，系統默認取消該片層的燒結；當以OXY平面分割最后一層剩余片層厚度大于或等于Buildstar系統設置層厚的一半時，系統以一個片層層厚進行燒結。結合表2及圖4缺陷出現特征，可以判斷出條紋的產生主要與最頂層片層厚度及表面掃描路徑有關。

激光掃描路徑是系統根據一定的邏輯順序、一定間距，單次或者多次填充片層輪廓在OXY平面投影，因此，激光的掃描路徑主要由三維模型數據所分割的片層在OXY平面的投影輪廓所決定。對于本實驗，采用的數據格式為目前商用增材制造技術中最為常用的光固化立體造型(stereolithography,STL)文件格式。STL文件有兩種，一種是ASCII明碼格式，另一種是二進制格式。不管何種格式，STL都是以三角網格來表示封閉的面或實體[5,7,12-14]。實際激光掃描范圍則是對應Z坐標值時OXY平面與制件模型數據的三角面網格相交所形成的閉合平面圖形輪廓。

不同軟件導出STL格式，常會出現法向反向、孔洞和裂縫、面片重疊、對邊共線等缺陷[15-16]。將模型上述缺陷一一修復，得到的三角面片視圖見圖5。對比圖2和圖4b可以看出，制件中出現條紋的位置和制件STL文件中三角面聚集位置完全一致。目前研究傾向于解決上述法向反向、孔洞和裂縫、面片重疊、對邊共線等缺陷的問題，而對三角面聚集、三角面分布不均使切片出錯，最終導致3D打印制件表面出現條紋缺陷的研究卻較少。

(a)三角面片視圖 (b)局部放大圖圖5 制件模型三角面視圖Fig.5 Triangle view of sintered parts

STL文件通常需要滿足共頂點規則、右手準則、正取值規則、充滿規則。實際模型存儲使用過程中會根據實際需要控制三角面精度，調整模型數據的大小。綜合所需模型的精度及數據復雜程度，得到適用且便于存儲、計算的STL文件。在STL文件規則和精度控制的調整過程中，三角面頂點聚集之處容易出現三角面錯誤，軟件讀入后易導致三角面缺失或冗余。當軟件對STL模型數據分層處理且剛好切過三角面缺失或冗余平面時，根據式(1)規則，不管該層厚度多么小，均以一層燒結，因此，會導致制件出現凹坑或凸起的條紋。

上述推論說明，當圖2a骨架模型數據切片層剛好處于存在三角面缺失或冗余的平面時，燒結制件表面會出現明顯條紋。表2實驗數據表明，當Z=0.2 mm時，有條紋出現，說明此時圖2a骨架模型燒結制件表面條紋缺陷表面與三角面缺失的平面重合。在相應改變層厚Z坐標位置處(燒結層厚參數為ΔZ=0.12 mm)，該模型數據制件均會產生條紋，實驗結果見表3。

表3 疊加設置層厚的Z坐標值燒結制件表面條紋情況

由上述推論，表3中實驗結果燒結制件均應該有條紋，然而實驗結果中，當增加4個層厚的Z向坐標值時，條紋消失。實際燒結處理中，應該考慮燒結層在激光作用下會有一定沉降。因此軟件處理時，在比例及補償系數換算后，層厚有一定變化。表3實驗忽略了模型數據的換算偏差。對于該實驗，由軟件系統的比例及光斑補償系數計算所得層厚實際數值Δdre=0.1194 mm。以Δdre為變量的激光路徑模擬如圖6所示。

根據上述數據進行實際燒結實驗，結果見表4，進一步證實了上述結論，即對于骨架模型，在成形坐標系中，以Z坐標值0.2 mm為基礎位置，以成形坐標系中實際層厚Δdre=0.1194 mm為單元變量，改變Z坐標值后所燒結成形的制件均會形成條紋缺陷，且條紋紋理和激光路徑缺失的紋理完全一致。

上述實驗結果及分析論證表明，對于一般有三角面缺失的模型數據，若成形平面的分層位置剛好在缺陷平面上，則成形制件必然會產生條紋缺陷。即，若三維模型放置在成形坐標系中以出現三角缺失面為基礎位置，以Δdre為單元變量的實際位置，所成形的制件必然會產生條紋缺陷。即可推導出：

(2)

式中，Z3d為三維模型在成形坐標系中的Z坐標值；N為自然數；Zdef為缺陷面與分層數據重合的Z坐標值。

式(2)表明，在生產實踐中，制件表面條紋缺陷有可能產生，也有可能不產生，取決于制件在成形坐標系中的Z坐標值以及是否存在缺陷面。若是單一零件，則可以通過調整Z坐標值來避免條紋缺陷。而對于高分子材料的選擇性激光燒結，常以粉體材料作為支撐，在不同位置隨意放置三維模型數據，以提高制件成形效率。Z坐標值往往不能確定，因此上述方法僅在特殊情況下可行。

STL文件三角面的缺失往往是由于大量三角在一定位置過度聚集，在精度控制及規則限制的條件下，三角數據點存儲運算出錯，軟件讀取數據時會忽略錯誤的三角信息。因此，改善三維模型的平面三角形分布，保證數據讀取完整性，是解決條紋缺陷的根本途徑。

以本文骨架模型數據為實驗對象，將STL數據三角面重畫，并對細節部分做局部三角形細化處理，使骨架模型的STL文件三角形均勻分布。然后將處理好的數據以表4中的Z坐標值，及Z3d=0.0806 mm、0.2000 mm、0.3194 mm、0.4388 mm、0.5582 mm、1.3194 mm放在成形平臺中，利用Buildstar系統模擬激光路徑，其結果如圖7所示。

重畫骨架模型STL數據三角形，使三角形均勻分布后，激光路徑模擬表明，無論Z坐標值如何改變，激光路徑均呈現完整平面，不存在缺失情況。由前述分析，與燒結成形制件表面條紋缺陷出現于激光模擬路徑是完全一致的，說明經過三角形均勻化后，可以保證燒結制件不再產生條紋缺陷。

Z=0.0806 mm Z=0.2000 mm Z=0.3194 mm Z=0.4388 mm Z=0.5582 mm Z=1.3194 mm圖6 骨架模型在疊加實際層厚的Z坐標值激光路徑模擬Fig.6 Simulation of laser path of skeleton model in Z coordinate value superimposed with actual layer thickness

表4 疊加實際層厚的Z坐標值燒結制件表面條紋情況

圖7 STL模型三角形均勻化及激光路徑模擬Fig.7 Triangle homogenization of STL model andsimulation of laser path

3 結論

(1)由于三維模型數據STL文件共頂點規則、右手準則、正取值規則、充滿規則以及表面精度等因素控制， STL文件在三角形聚集處易出現三角形數據存儲錯誤，導致Buildstar等增材制造數據處理軟件系統在讀取STL模型數據時出現三角形的缺失或冗余。

(2)對于選擇性激光燒結，若分層數據與STL模型數據三角形缺失或冗余平面重合，會出現激光路徑缺失或多余，則其對應的選擇性激光燒結制件平面將形成條紋。條紋的產生與否還與STL模型數據在成形坐標系中的擺放位置有關。以STL模型某一缺陷面與分層數據重合的Z坐標值為基礎位置，成形坐標系中的實際層厚為變量單元，將STL模型放置在基礎位置上，或附加、減少整數倍的變量單元Z坐標值位置，STL模型的選擇性激光燒結制件均會出現條紋;反之，STL模型的選擇性激光燒結制件不會出現條紋。

(3)重畫STL模型數據三角形且將局部位置單獨細化后，可以解決STL文件在三角形聚集處易出現三角形數據存儲錯誤的問題，保證Buildstar等增材制造數據處理軟件系統在讀取STL數據時的正確性和完整性，使選擇性激光燒結制件不會出現條紋。