王 凱，高雪松，肖 猛，劉 爽

(南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院 裝備中心，江蘇 南京 210038)

0 引言

SLM作為一種典型的金屬激光3D打印技術(shù)，因其具備打印零件力學(xué)性能好、致密度高、后續(xù)幾乎不需要機(jī)械加工、能夠制造復(fù)雜精密零件等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，但成形效率低仍舊是限制SLM技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的最重要因素。采用大功率、多光束進(jìn)行打印成為目前提升打印效率的主流方法，本文基于雙光束硬件平臺(tái)的SLM軟件控制系統(tǒng)的開發(fā)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及算法開發(fā)，完成對(duì)導(dǎo)入零件分區(qū)掃描的功能，以實(shí)現(xiàn)大幅提高SLM打印效率的目的。

1 雙光束SLM系統(tǒng)硬件構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)原理

有別于國(guó)內(nèi)外當(dāng)前采用多個(gè)小功率激光器對(duì)燒結(jié)區(qū)域進(jìn)行分割打印的方案，本項(xiàng)目中硬件平臺(tái)采用高、低激光器配合，即：采用低能量小光斑激光束對(duì)成形區(qū)域邊界進(jìn)行掃描，保證零件成形精度；采用高能量大光斑激光束對(duì)成形區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行掃描，在保證打印精度的前提下提升成形制造效率。雙光束SLM系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

軟件控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)打印模型進(jìn)行切片、掃描截面分區(qū)及路徑規(guī)劃得到掃描路徑的幾何信息，結(jié)合輸入的工藝參數(shù)信息即可將包括激光功率、振鏡掃描速度、振鏡掃描軌跡在內(nèi)的信息寫入振鏡控制板卡的緩存中，完成振鏡的運(yùn)動(dòng)控制及激光器的開、關(guān)與功率控制；相應(yīng)粉末缸體及鋪粉刮刀的運(yùn)動(dòng)控制由電機(jī)控制板卡完成。

2 控制軟件模塊劃分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法實(shí)現(xiàn)

控制軟件主要完成由導(dǎo)入模型獲取振鏡運(yùn)動(dòng)控制信息的任務(wù)，分別由高、低功率的激光器及其配套振鏡完成零件截面的分區(qū)掃描，最終實(shí)現(xiàn)在保證打印精度的前提下大幅度提升制造效率的目的，其主要功能模塊包括模型導(dǎo)入、分層切片、路徑生成與硬件寫入。

圖1 雙光束SLM系統(tǒng)原理框圖

2.1 模型導(dǎo)入

軟件采用主流STL格式模型作為導(dǎo)入模型，通過(guò)關(guān)鍵字及格式差異判斷模型為文本格式或二進(jìn)制格式，并分別根據(jù)二進(jìn)制和文本格式兩種STL文件存儲(chǔ)格式進(jìn)行三角面片的讀取。

考慮到實(shí)際工程模型文件數(shù)據(jù)量巨大且STL格式幾何信息的冗余，為進(jìn)一步提升內(nèi)存利用率，方便對(duì)STL模型進(jìn)行錯(cuò)誤(三角面片重疊、缺失等)檢查，提升后續(xù)切片處理的效率，本文采用哈希表進(jìn)行三角面片的快速存儲(chǔ)與模型的拓?fù)渲貥?gòu)。

為能建立STL模型的拓?fù)潢P(guān)系、將使用V、E、F(即頂點(diǎn)、邊、三角面)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包含指向其上層、下層的指針，例如可以由面結(jié)構(gòu)找到其包含的三條邊、由邊結(jié)構(gòu)找到其所屬的三角面，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。以最簡(jiǎn)單的四面體為例，面結(jié)構(gòu)中只記錄其所擁有的3個(gè)頂點(diǎn)和3條邊的指針，而邊結(jié)構(gòu)中記錄其所屬的2個(gè)面和所包含的2個(gè)頂點(diǎn)指針，兩個(gè)面F1、F2共享一條邊E2的基本關(guān)系是進(jìn)行快速分層切片的關(guān)鍵，如圖2(b)所示。

圖2 STL三角面片存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及示例

讀入STL文件中的三角形面片信息時(shí)，首先在對(duì)應(yīng)的哈希表中尋找，判斷頂點(diǎn)和邊是否存在，如果已存在則記錄對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)/邊與面片的所屬關(guān)系；否則新建相應(yīng)的頂點(diǎn)/邊，并記錄在對(duì)應(yīng)哈希表中，以防止冗余。STL三角面片拓?fù)湫畔⒔⒘鞒倘鐖D3所示。

圖3 STL三角面片拓?fù)湫畔⒔⒘鞒?/p>

至此，便建立了頂點(diǎn)、邊、三角面的拓?fù)潢P(guān)系，可以由低層元素獲取其所屬的高層元素的指針；亦可由高層元素獲取其包含的低層元素的指針，為STL模型的快速切片做好準(zhǔn)備。

2.2 分層切片

由于已經(jīng)建立STL模型頂點(diǎn)、邊、三角面之間的拓?fù)潢P(guān)系，切片時(shí)則可利用兩個(gè)三角面共享一條邊的幾何性質(zhì)從當(dāng)前相交面片找到下一個(gè)相交面片，由此可以大大提高切片效率，其切片流程如圖4(a)所示。

分層時(shí)首先找到所有與切割面(z=H，H為切割高度)有效相交[2]的三角形面并做出標(biāo)記，以圖4(b)為例，由一個(gè)未求取交線的面片F(xiàn)1開始，其與切割平面交于V1、V2，由共享邊E2的拓?fù)湫畔ⅲ篍2屬于F1與F2，即可得到下一個(gè)相交面F2的指針，可以繼續(xù)求取F2與切割平面的交點(diǎn)V2、V3。由此可順次求取相交三角面上的所有交點(diǎn)：V1、V2、V3、V4等等并形成封閉多邊形。當(dāng)所有相交三角面都求出交點(diǎn)時(shí)，可得到一個(gè)或者多個(gè)封閉多邊形。

圖4 STL模型切片流程及示意圖

統(tǒng)計(jì)各個(gè)多邊形輪廓之間的被包含次數(shù)可以將其進(jìn)行分組，從而得到分層后所有的實(shí)體截面，實(shí)體截面是進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃的基本單位。所有被包含偶數(shù)次(N)的輪廓為實(shí)體截面的外輪廓，所有被外輪廓包含且被包含次數(shù)為N+1次的輪廓?jiǎng)t為對(duì)應(yīng)的實(shí)體截面的內(nèi)輪廓，若切片后所得多個(gè)多邊形輪廓如圖5(a)所示，對(duì)各個(gè)輪廓被包含次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5(b)所示。其中多邊形輪廓1、3、5分別被其他輪廓包含0、0、2次，因此可以確定輪廓1、3、5為切片后獲得三個(gè)實(shí)體截面的外輪廓；輪廓2被輪廓1包含，且其與輪廓1被包含次數(shù)滿足N輪廓2=N輪廓1+1的關(guān)系，故實(shí)體截面S1的外輪廓、內(nèi)輪廓分別為輪廓1、2，同理可確定實(shí)體截面S2、S3的內(nèi)外輪廓，由內(nèi)外輪廓所確定的區(qū)域S1、S2、S3是激光束需要進(jìn)行掃描的地方。

圖5 分層輪廓分組算法說(shuō)明示意圖

2.3 路徑生成

為使高、低功率雙光束打印的硬件優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)，在路徑生成時(shí)將對(duì)實(shí)體截面進(jìn)行分區(qū)——輪廓區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域，在輪廓區(qū)域上使用低功率小光斑激光束進(jìn)行掃描，在內(nèi)部區(qū)域使用高功率大光斑激光束進(jìn)行掃描，由此提高SLM激光3D打印的制造效率。

本文中采用基于Voronoi圖(泰森多邊形)理論來(lái)獲取輪廓區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域的分界線，并進(jìn)行輪廓區(qū)域掃描線的生成。該算法以求取單個(gè)邊界元素的Voronoi多邊形為核心[3]，在得到的每一個(gè)邊界元素的Voronoi多邊形內(nèi)部進(jìn)行邊界元素的偏移，連接偏移線段最終形成輪廓區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域的分界線、邊界區(qū)域內(nèi)的掃描線，此算法可靠性較當(dāng)前其他算法大幅提升，具體流程如圖6所示。

圖6 輪廓區(qū)域邊界確定及其掃描路徑生成流程

內(nèi)部區(qū)域掃描采用大功率光束掃描，為了改善粉末收縮而引起的翹曲變形，算法中采用了由模擬溫度控制的分塊隨機(jī)曝光策略，這一策略使打印過(guò)程中的熱量分散在整個(gè)打印區(qū)間內(nèi)，顯著減少了熱應(yīng)力引起的變形、翹曲等不良后果[4-6]，其流程如圖7所示。

為了在工藝上實(shí)現(xiàn)邊界區(qū)域與內(nèi)部區(qū)域分別使用不同參數(shù)進(jìn)行掃描、在不同打印層之間進(jìn)行工藝參數(shù)微調(diào)(依據(jù)監(jiān)測(cè)硬件提供的反饋數(shù)據(jù)信息)的可能，軟件在每一個(gè)打印層中采用獨(dú)立的兩套工藝參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別用于管理打印輪廓區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域時(shí)所使用的工藝參數(shù)，使得包括掃描間距、激光功率、掃描速度在內(nèi)的多個(gè)工藝參數(shù)可調(diào)。

軟件界面及掃描路徑生成圖如圖8所示，STL模型切片后，其外部輪廓偏移數(shù)目可由工藝人員確定，且外輪廓和內(nèi)部區(qū)域掃描間距互相獨(dú)立，可以分別依據(jù)光斑直徑確定，實(shí)現(xiàn)打印精度和效率的平衡。

2.4 硬件寫入

路徑規(guī)劃完成，則激光掃描路徑的幾何信息確定；結(jié)合激光3D打印工藝數(shù)據(jù)(包括激光功率、掃描速度等)，按指定命令格式寫入振鏡控制板卡緩存中即可完成對(duì)激光器及振鏡的控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以VS2012為開發(fā)環(huán)境，以高、低功率雙光束配合進(jìn)行高效SLM激光3D打印的硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了相關(guān)控制軟件系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)STL模型進(jìn)行輪廓及內(nèi)部分塊打印功能。打印模型各層均包含獨(dú)立的兩套工藝信息數(shù)據(jù)，最大程度地支持了工藝數(shù)據(jù)的自由調(diào)整。在保證打印精度的前提條件下，大幅度地提升了打印效率，實(shí)現(xiàn)了一種有別于當(dāng)前采用多個(gè)小功率激光器進(jìn)行分割打印以提升打印效率的新方法。

圖7 內(nèi)部區(qū)域掃描路徑生成流程

圖8 軟件界面及掃描路徑生成圖