王占禮， 任元， 陳延偉， 周天詣， 高山山

（長春工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

快速成型技術(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，逐層堆疊打印出立體模型的方法，具有不需要模具即可生產(chǎn)出各種產(chǎn)品模型的特點(diǎn)，它用于生產(chǎn)少量、單件的產(chǎn)品，并且可以降低成本、節(jié)省時(shí)間。在制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

熔融沉積成型工藝的分層方法有2種[4-6]，其一為等厚度分層，等厚度分層由于其本身的過程簡單，所以在LM系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，等厚度分層有一個(gè)弊端，即會(huì)產(chǎn)生較大的臺(tái)階效應(yīng)[7-8]，臺(tái)階效應(yīng)會(huì)降低成型件的成型質(zhì)量。針對(duì)于這一弊端，近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了第二種分層方法——自適應(yīng)分層方法[9-10]，這種方法可以自動(dòng)識(shí)別制件的邊界曲率，從而調(diào)節(jié)成型件每層的打印厚度，優(yōu)點(diǎn)是可以提高制件的成型質(zhì)量，并且節(jié)省打印時(shí)間。因此，自適應(yīng)分層方法是未來分層方法中的重要發(fā)展方向[11]。

1 等厚度分層分析與計(jì)算

圖1為階梯誤差的數(shù)學(xué)模型。

由圖1可得出以下公式：

式中：ε為實(shí)際模型邊界與理論模型邊界在堆積平面方向上的最大距離；δ為與模型邊界相切的直線和經(jīng)過層邊底端與該直線平行的直線的距離；R為當(dāng)前層邊與理論邊界相交處的曲率半徑；θ為層片底端與堆積平面間的夾角；φ為層片頂端與堆積平面間的夾角；t為分層厚度。

當(dāng)θ=0°時(shí)，式（2）、式（3）可寫成

圖1 階梯誤差的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)φ=90°時(shí)，由式（1）、式（2）得

由式（1）、式（3）得

即此時(shí)CAD模型表面與分層制造實(shí)體邊界沿實(shí)體表面法向方向的最大距離就是分層厚度[12]。

當(dāng)θ=0°和θ=90°時(shí)，階梯面積趨于無限大，這種情況不可能存在，所以角度選取時(shí)要去除此兩點(diǎn)。

成型件在成型時(shí)會(huì)由于材料自身的特性會(huì)產(chǎn)生收縮變形，通常階梯不是完全垂直的，而是實(shí)際輪廓線和成型方向存在一個(gè)偏置夾角，己有研究表明[13-14]，偏置夾角的取值范圍為5°～15°。但是即使引入偏置夾角，粗糙度與成型角度的關(guān)系仍不受影響，所以在此不考慮角度偏置夾角。

圖2 層厚分別為0.2 mm和0.3 mm時(shí)的表面粗糙度和體積誤差

圖2為層厚分別為0.2 mm和0.3 mm時(shí)的表面粗糙度和體積誤差的示意圖。由圖2得出以下結(jié)論：1）隨著θ角的增大，ε逐步增大，即在制作快速成型制件時(shí)，制件邊與豎直方向夾角愈大，體積損失愈大。并且隨著θ的增大，δ逐漸增大，即在制作快速成型制件時(shí)，制件邊與豎直方向夾角愈大，制件表面越粗糙。2）分層厚度越大，相同成型角度的ε值越大，即制件體積損失越大，并且隨著成型角度的增加，其ε值相差越大；并且隨著成型角度的增加，其δ值相差越大。

2 自適應(yīng)分層厚度計(jì)算

2.1 對(duì)圖形表面進(jìn)行參數(shù)化分析

對(duì)于曲線C，沿著曲線的切線逐漸變化的方向?yàn)榍氏蛄浚€向量在曲線上的分量為曲率。曲率的半徑為曲率絕對(duì)值的倒數(shù)，即在這一點(diǎn)形成與曲線C相切的圓的半徑。曲率可以延伸到整個(gè)表面,如圖3所示，與表面上某一點(diǎn)相切的部分為一個(gè)平面。沿切平面的每個(gè)方向，切線矢量的變化率都是相對(duì)的。因此在這一點(diǎn)上，曲面的曲率并沒有唯一的定義。

圖3 表面的法向曲率示意圖

對(duì)圖形進(jìn)行參數(shù)化分析可以得到

曲率的定義為：

將表達(dá)式的分子和分母同時(shí)除以du2，可得到曲率的另外一種表達(dá)式：

2.2 垂直方向法向曲率的計(jì)算

我們可以在切線平面上找到一個(gè)垂直于水平的方向?？紤]任何表面S上有都有2條曲線C和C′，做出這2條曲線的切線α和α′，那么可得出如下方程：

讓?duì)冉窃赑點(diǎn)所在曲線的切線角之間，α和α′的數(shù)量積為θ的余弦。將表達(dá)式進(jìn)行簡化，可以得到以下方程：

根據(jù)這個(gè)方程，如果已知方向v′，就可以得出與v′垂直的方向：

用vortho取代v，可得出與表面的曲率法向方向垂直的方向。

一旦這個(gè)曲率被確定，就可以通過曲率絕對(duì)值的倒數(shù)得出局部曲線的半徑。然而，一個(gè)重要的問題仍然沒有得到解決，如圖4所示，點(diǎn)P和Q兩者具有相同的曲率半徑，但是，在P點(diǎn)處的半徑方向向內(nèi)，而Q點(diǎn)處的半徑方向向外。這種模糊性可以通過考慮與曲率相關(guān)的符號(hào)來解決。

平面曲線的曲率可以是正的或負(fù)的，得出平面曲線的曲率向量

式中：t和n分別是切線和曲線的法線；k是曲率向量；k是曲率?？梢院苋菀椎匕l(fā)現(xiàn)，如果方向的dt/ds的方向與n的方向相反，那么曲率為負(fù)值，否則為正。對(duì)于具有轉(zhuǎn)折點(diǎn)的平面曲線（帶連續(xù)導(dǎo)數(shù)），向量在拐點(diǎn)兩側(cè)有不同的曲率，可以很容易的通過符號(hào)k的不同來區(qū)分曲線的凸和凹，這樣就可以得到2種情況下的曲率。

圖4 曲率的含義

如前文所述，對(duì)象應(yīng)該是建立在負(fù)公差或正公差基礎(chǔ)上的。設(shè)P為表面上的一點(diǎn)，將P點(diǎn)所在表面的部分近似為一個(gè)圓。近似于圓的曲線可能存在正偏差或負(fù)偏差，曲率存在正值或負(fù)值，因此有4個(gè)可能的組合。為了清楚起見，將負(fù)偏差和正偏差分成2個(gè)不同的部分，分別如圖5、圖6所示，虛線區(qū)域表示所建物體的內(nèi)部。

由圖5（a）、圖5（b）可以得出負(fù)偏差時(shí)d的公式：

圖5 負(fù)偏差時(shí)的數(shù)學(xué)模型

圖5（c）、圖5（d）為負(fù)偏差時(shí)，θ趨近于0，即cosθ趨近于1。因?yàn)棣摹躌，它意味著這個(gè)條件只發(fā)生在θ接近于零時(shí)，即點(diǎn)P非常接近赤道的圓?？蓪⑹剑?7）、式（18）簡化為如下方程：

正偏差的數(shù)學(xué)模型如圖6所示。由圖6（a）、圖6（b）可得到關(guān)于d的方程：

圖6（c）、圖6（d）為正偏差時(shí)，θ趨近于0，即cosθ趨近于1?？蓪⑹剑?1）、式（22）簡化得到如下方程：

圖6 正偏差時(shí)的數(shù)學(xué)模型

3 分層實(shí)例與分析

圖7為零件的CAD模型，由1個(gè)圓柱、半個(gè)球組成。零件CAD模型是在AutoCAD中進(jìn)行制作的。圖7（a）為CAD模型的輪廓圖，圖7（b）為等層厚分層的效果圖，圖7（c）為自適應(yīng)分層的效果圖。

圖7 零件的CAD模型

圖8 二次開發(fā)的CURE仿真分層

為了更好地比較等分層厚度和自適應(yīng)分層的分層效果，將等層厚分層的層厚設(shè)置為0.5 mm，將自適應(yīng)分層的最小層厚設(shè)置為0.2 mm，最大層厚設(shè)置為2 mm，用CURA軟件進(jìn)行仿真分析，從仿真效果圖可以清晰地看到，相對(duì)于等層厚分層，零件的成型質(zhì)量有了明顯的提高，詳細(xì)分析結(jié)果見表1。

從表1可以得出：在采用相同的幾何誤差要求條件下，等層厚分層的打印時(shí)間為325 min，自適應(yīng)分層打印時(shí)間為294 min，相對(duì)于等層厚分層，自適應(yīng)分層方法的打印時(shí)間減少了10.3%，分層表面質(zhì)量可以提高15%[15]。

表1 等厚度分層與直接自適應(yīng)分層結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文為了兼顧FDM快速成型工藝的精度和效率，對(duì)實(shí)體表面進(jìn)行了參數(shù)化分析，基于STL模型的負(fù)偏差、正偏差兩種情況下的自適應(yīng)分層方法進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)三維CAD模型的邊界曲率的變化率，確定其分層的厚度。結(jié)果表明，RP工藝所產(chǎn)生的原理性誤差與實(shí)體表面的方向、曲率半徑以及分層厚度有關(guān)，改進(jìn)的自適應(yīng)分層算法易于編程，提高了制件的成型質(zhì)量，且節(jié)省了打印時(shí)間。

[1]史玉升,張李超,白宇,等.3D打印技術(shù)的發(fā)展及其軟件實(shí)現(xiàn)[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2015,45(2):197-203.

[2]董海濤.熔融沉積快速成型的工藝分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2013(10):96-98.

[3]孫建平,曹志清,張愛軍,等.FDM自適應(yīng)分層層厚范圍研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(12):29-30.

[4]陳鴻,程軍.激光快速成型系統(tǒng)中自適應(yīng)分層算法及實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2003,11(3):329-334.

[5]趙吉賓,劉偉軍.快速成形技術(shù)中基于STL模型的分層算法研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2008,16(2):224-233.

[6]張嘉易,劉偉軍,王天然.三維模型的適應(yīng)性切片方法研究[J].中國機(jī)械工程,2003,14(9):750-752.

[7]PAN X,CHEN K,CHEN D.Development of rapid prototyping slicing software based on STL model[C]//Proceedings of the 2014 IEEE 18th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design.Piscataway:IEEE.2014:191-195.

[8]陸春進(jìn),侯麗雅,楊繼全.微小機(jī)械快速成型系統(tǒng)中的CAD技術(shù)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1998(4):683-685.

[9]鐘山,楊永強(qiáng).RE/RP集成系統(tǒng)中基于STL的精確分層方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2012,18(6):1145-1150.

[10]ZHANG Z,JOSHI S.An improved slicing algorithm with efficient contour construction using STL files[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,80(5-8):1347-1362.

[11]WANG S,WANG Y,CHEN C S,et al.An adaptive slicing algorithm and data format for functionally graded material objects[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,65(1/2/3/4):251-258.

[12]劉利.光固化快速成型制件的精度研究[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

[13]AHN D,KIM H,LEE S.Fabrication direction optimization to minimizepost-machininginlayeredmanufacturing[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2007,47(3-4):593-606.

[14]江開勇,肖棋.熔融擠壓堆積成形的原型精度分析[J].中國機(jī)械工程,2000,11(6):665-667.

[15]馬靜靜,胥光申.基于AutoCAD的CAD模型直接切層方法研究[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2012(13):128.（責(zé)任編輯 馬忠臣）