基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的方法*

劉杰 楊永強(qiáng) 宋長輝

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

浮雕是雕塑與繪畫結(jié)合的產(chǎn)物.它采用壓縮的辦法來處理對象，靠透視等因素來表現(xiàn)三維空間，能很好地保持三維物體在某個(gè)觀測角度的外型輪廓和視覺效果，具有很強(qiáng)的藝術(shù)表現(xiàn)力.浮雕的應(yīng)用已經(jīng)遍及人類生活的各個(gè)方面，例如建筑裝潢、標(biāo)識匾牌、錢幣、工藝制品等［1-2］.針對金屬材料的浮雕制品，大多采用雕刻的方式進(jìn)行加工.雕刻屬于材料去除加工方法，會(huì)造成材料的浪費(fèi)，違反綠色制造的理念;此外，鋁、鎂、工具鋼、鎢鋼和鈦等金屬材料難加工，用它們很難雕刻出理想的效果.

選區(qū)激光熔化(SLM)是一種利用金屬粉末直接制造相對密度接近100%的近終端產(chǎn)品的新型快速成型工藝，屬于當(dāng)前快速成型領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［3-8］.采用光纖激光器的SLM設(shè)備，輸出激光光斑能聚焦到30～50μm，非常適合于精密金屬零件成型.與雕刻相比，采用SLM加工浮雕具有3個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):(1)SLM屬于添加式制造，能有效避免雕刻中的材料浪費(fèi);(2)SLM屬于分層式制造，能制造任意復(fù)雜度的形狀，可用來制造具有空心結(jié)構(gòu)的浮雕，以減少材料消耗;(3)SLM屬于激光加工，理論上能被激光熔化的材料都可以用于加工，能制造出更多種材質(zhì)的浮雕.因此，本研究基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕.這對推動(dòng)SLM技術(shù)的發(fā)展、擴(kuò)展激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域和促進(jìn)綠色制造有著重要的意義.

1 基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的原理

基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕主要包括5個(gè)步驟(見圖1).

步驟1 3D浮雕的建模 根據(jù)圖像的灰度與視覺效果的映射關(guān)系，將灰度信息轉(zhuǎn)化成深度值，建立3D浮雕模型.

步驟2 浮雕模型的切片 將3D浮雕模型按SLM的加工高度方向，每隔一定的間隔用平面與3D模型相交，提取截面的輪廓信息，生成切片層.間隔大小按照具體工藝要求選定.

步驟3 SLM掃描路徑的生成 根據(jù)具體工藝要求，將每層的輪廓用一定間隔的線段進(jìn)行填充，并將線段按照一定的規(guī)則連接起來形成SLM加工過程中的激光掃描路徑.

步驟4 SLM設(shè)備加工代碼的生成 將掃描路徑轉(zhuǎn)化成SLM設(shè)備所能識別的數(shù)控加工代碼.

步驟5 SLM加工 利用SLM設(shè)備，根據(jù)數(shù)控加工代碼，用激光逐層選區(qū)掃描金屬粉末，堆積成型，最終生成金屬浮雕.

圖1 基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的過程Fig.1 Process of direct manufacturing of metal bas-relief from images based on SLM

2 SLM浮雕設(shè)計(jì)制造軟件的開發(fā)及功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前述原理，SLM浮雕設(shè)計(jì)制造軟件必須包含3D浮雕的建模功能、浮雕模型的切片功能、掃描路徑的生成功能和加工代碼的生成功能.針對現(xiàn)有浮雕設(shè)計(jì)軟件對SLM支持不足的缺點(diǎn)，文中利用可視化工具包(VTK)和掃描路徑生成庫(SPGL)開發(fā)了用于SLM的浮雕設(shè)計(jì)制造軟件，來實(shí)現(xiàn)這些功能.

2.1 開發(fā)基礎(chǔ)

2.1.1 VTK 簡介

VTK是一個(gè)開放源碼、跨平臺(tái)的圖形圖像處理及可視化軟件系統(tǒng).它擁有許多可視化算法和高級建模技術(shù)，并且支持并行處理.VTK目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像、軍事等領(lǐng)域中，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)用VTK即時(shí)模擬俄羅斯反導(dǎo)彈戰(zhàn)車ZSU23-4受到平面波攻擊的情形，其計(jì)算節(jié)點(diǎn)多達(dá)2.5兆.VTK包括一個(gè)C++類庫以及對某些解釋性語言(如Python)的接口支持.SLM浮雕設(shè)計(jì)制造軟件的開發(fā)使用VTK的C++類庫.

2.1.2 掃描路徑生成庫簡介

掃描路徑生成庫是筆者所在課題組自主開發(fā)的C++類庫［9］，用來生成 SLM加工中的激光掃描路徑.其層次結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括4組類:切片數(shù)據(jù)讀取類能讀取切片文件的數(shù)據(jù)以獲取切片層的輪廓信息;路徑數(shù)據(jù)寫入類能將生成的掃描路徑轉(zhuǎn)化成SLM設(shè)備的加工代碼文件;幾何結(jié)構(gòu)定義類定義切片文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);掃描策略類能根據(jù)相應(yīng)的掃描策略生成掃描路徑.SLM浮雕設(shè)計(jì)制造軟件不需要讀取切片文件，所以只使用后面3組類.

圖2 掃描路徑生成庫的層次結(jié)構(gòu)圖［9］Fig.2 Hierarchy diagrams of the Scanning Path Generation Library

2.2 功能的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 3D 浮雕的建模功能

3D浮雕的建模功能實(shí)現(xiàn)主要用到vtkImage-Reader2、vtkImageLuminance、vtkImageDataGeometry-Filter、vtkWarpScalar和 vtkSmoothPolyDataFilter這 5個(gè)類.vtkImageReader2讀取圖像文件，提取其中的像素信息.vtkImageLuminance將圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像.vtkImageDataGeometryFilter將灰度值轉(zhuǎn)化成深度值，從而使像素點(diǎn)變成空間點(diǎn).vtkWarpScalar能通過空間點(diǎn)生成3D浮雕模型，它包含一個(gè)縮放因子，能夠用來調(diào)節(jié)浮雕模型的高度.vtkSmoothPolyDataFilter能對3D模型進(jìn)行光滑處理，它通過設(shè)置一個(gè)拉普拉斯迭代值來調(diào)節(jié)光滑度.

圖3是一個(gè)3D浮雕建模的實(shí)例，使用201×193的圖像，縮放因子為－0.06，拉普拉斯迭代值為100，得到的3D模型的邊界尺寸為200×192×9.12(單位可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定).

圖3 3D浮雕建模實(shí)例Fig.3 An example of 3D bas-relief modeling

2.2.2 浮雕模型的切片功能

浮雕模型的切片功能實(shí)現(xiàn)主要用到vtkTriangle-Filter、vtkPlane和 vtkCutter這 3 個(gè)類.vtkTriangleFilter能將3D浮雕模型變成三角面片的表示形式，圖4為圖3中浮雕模型的三角面片形式.vtkPlane用來定義一個(gè)切片平面，它通過一個(gè)平面上的空間點(diǎn)和一個(gè)垂直于平面的法向量來確定平面的位置.vtk-Cutter能用切片平面與3D浮雕模型的三角面片進(jìn)行相交運(yùn)算，得到一個(gè)切片層和一組離散的有向小線段.這些有向小線段組成了浮雕的切片層輪廓.

圖4 浮雕模型的三角面片形式Fig.4 Triangulated surfaces of the bas-relief model

切片的過程為:以浮雕模型的Z軸負(fù)邊界為起始點(diǎn)，以切片厚度為增量，法向量為Z軸正方向的切片平面沿Z軸正方向平行移動(dòng)，得到浮雕在每個(gè)切片層的輪廓，直到移動(dòng)到浮雕模型的Z軸正邊界.其算法描述如下:

(1)設(shè)zb為浮雕模型Z軸負(fù)邊界值，zt為浮雕模型Z軸正邊界值，zc為切片厚度.z為變量，初始值為zb.

(2)用空間點(diǎn)(0，0，z)和法向量(0，0，1)定義一個(gè)切片平面.

(3)用切片平面與浮雕模型相交，求切片輪廓.

(4)z=z+zc.

(5)z是否大于等于zt?如果是則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)(2).

圖5是圖4中的的三角面片在切片厚度為1.52時(shí)得到的輪廓.

圖5 浮雕模型的切片實(shí)例Fig.5 An example of slicing of the bas-relief model

2.2.3 掃描路徑和加工代碼的生成功能

掃描路徑和加工代碼的生成功能用到掃描路徑生成庫中路徑數(shù)據(jù)寫入、幾何結(jié)構(gòu)定義和掃描策略這3組類.為兼容CLI(Common Layer Interface)等常用的切片格式文件，掃描路徑生成庫使用閉合Polyline來表示切片層的輪廓.如圖6所示，順時(shí)針Polyline表示內(nèi)輪廓，逆時(shí)針Polyline表示外輪廓.要使用掃描路徑生成庫，需將切片層的離散無序小線段轉(zhuǎn)換成有序的Polyline形式.

圖6 輪廓的Polyline定義Fig.6 Contour defined by Polyline

轉(zhuǎn)化算法描述如下:

(1)設(shè)E=(N*表示不含0的自然數(shù)集)為離散有向小線段的集合，T為有向小線段空集合，P為Polyline空集合，有向小線段由起點(diǎn)和終點(diǎn)表示.

(2)從E中提取一小線段l1，存入集合T.

(3)從頭遍歷E.

(4)是否已經(jīng)到E的末尾?如果是則轉(zhuǎn)(6)，否則取遍歷值l2.

(5)是否滿足l2的起點(diǎn)等于l1的終點(diǎn)?如果是，將l2從E中提取出來添加入集合T中，并將l2值賦給l1，轉(zhuǎn)(3);否則繼續(xù)遍歷E，轉(zhuǎn)(4).

(6)用集合T生成一個(gè)Polyline，并存入集合P，同時(shí)清空集合T.

(7)E是否為空集合?如果是則結(jié)束;否則轉(zhuǎn)(2).

得到Polyline集合P后，就可以針對工藝對掃描策略的要求，用掃描策略類來生成掃描路徑.掃描策略類包含圖7所示的幾種掃描策略，每種掃描策略對應(yīng)掃描策略類中的一個(gè)子類.圖8為圖5中某切片層的Polyline輪廓表示，虛線為內(nèi)輪廓，實(shí)線為外輪廓.圖9為圖8的掃描路徑示例.

得到掃描路徑后，就可以用路徑數(shù)據(jù)寫入類將其轉(zhuǎn)化成SLM設(shè)備的加工代碼.路徑數(shù)據(jù)寫入類支持兩種格式的加工代碼:一種為ISO6983格式，即常見機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中使用的 G/M代碼;另一種為HPGL(Hewlett-Packard Graphics Language)格式，目前常用于激光打標(biāo)系統(tǒng).文中用到的 Dimetal-280［3-4］實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用HPGL格式加工代碼.

圖7 掃描路徑生成庫中的幾種掃描策略Fig.7 Several scanning strategies in the Scanning Path Generation Library

圖8 浮雕切片層輪廓的Polyline表示Fig.8 Contour of sliced layer represented by Polyline

圖9 掃描路徑示例Fig.9 An example of scanning path

3 空心浮雕的直接制造過程探討

在現(xiàn)實(shí)生活中，金屬浮雕主要起一種裝飾的作用，外觀是其主要內(nèi)容，對其力學(xué)性能的要求不用像零件一樣高.在不影響外觀的前提下，將金屬浮雕內(nèi)部做成空心結(jié)構(gòu)，能大大減少材料的消耗.根據(jù)圖1，利用SLM直接制造空心浮雕，首先要建立空心浮雕的3D模型.要生成空心結(jié)構(gòu)實(shí)體，需對原實(shí)心實(shí)體表面進(jìn)行偏移操作.由于實(shí)體表面是三維的，偏移運(yùn)算復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，為此，文中提出直接從切片層對切片輪廓進(jìn)行偏移操作的方法.由于切片輪廓是二維的，偏移運(yùn)算簡單，可大大降低實(shí)現(xiàn)難度.而且2.1.2節(jié)中的掃描路徑生成庫包含輪廓偏移掃描策略(ScanStrategy_Offset類)，只需對其進(jìn)行修改便可實(shí)現(xiàn)輪廓偏移操作.空心浮雕的直接制造過程如圖10所示.

圖10 空心浮雕的直接制造過程Fig.10 Direct manufacturing process of hollow bas-relief

4 SLM金屬浮雕加工實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的可行性，在SLM設(shè)備Dimetal-280上進(jìn)行浮雕加工實(shí)驗(yàn).浮雕的設(shè)計(jì)和制造使用第2節(jié)開發(fā)的軟件.實(shí)驗(yàn)材料采用－500目氣霧化316L不銹鋼粉.成型所用的基板采用Q235鋼加工的方塊，尺寸為100 mm×100mm×10mm，實(shí)驗(yàn)前打磨平整，加工過程采用純氮?dú)獗Ｗo(hù).使用圖11(a)中的圖像(478×500)，縮放因子為－0.08，拉普拉斯迭代值為500，單位設(shè)置為dmm(1dmm=0.1mm).切片厚度為0.025mm.掃描策略采用旋轉(zhuǎn)掃描，角度設(shè)置為90°，層間互錯(cuò).加工出的金屬浮雕如圖11(b)所示.浮雕成型效果良好，表明文中方法是可行的.

圖11 浮雕加工圖像及用SLM加工的金屬浮雕Fig.11 Image for bas-relief fabrication and metal bas-relief fabricated by SLM

5 結(jié)語

文中提出了基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的方法.主要包括5個(gè)步驟:3D浮雕的建模、浮雕模型的切片、SLM掃描路徑的生成、SLM加工代碼的生成和SLM加工.文中還利用VTK和自主開發(fā)的掃描路徑生成庫開發(fā)了用于SLM的浮雕設(shè)計(jì)制造軟件.該軟件能通過一定的設(shè)計(jì)及工藝規(guī)劃，將圖像直接轉(zhuǎn)化成用于SLM設(shè)備的加工代碼.在此基礎(chǔ)上，提出了直接從切片層對切片輪廓進(jìn)行偏移操作，最終得到空心浮雕的方法.浮雕加工實(shí)驗(yàn)得到的金屬浮雕的成型效果良好，證明基于SLM從圖像直接制造金屬浮雕的方法是可行的.空心浮雕是一種具有懸垂面結(jié)構(gòu)的薄壁零件，其SLM制造工藝還未完全成熟，筆者將會(huì)做進(jìn)一步的研究.

［1］徐小燕，劉勝蘭，李博，等.基于曲率特征的三維模型浮雕壓縮算法［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2010(5):1-5.Xu Xiao-yan，Liu Sheng-lan，Li Bo，et al.Curvature-based bas-relief compression from 3D model［J］.Computer and Modernization，2010(5):1-5.

［2］何會(huì)珍，楊勛年.曲面浮雕生成［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22(7):1132-1137.He Hui-zhen，Yang Xun-nian.Relief generation on surfaces［J］.Journal of Computer-Aided Design ＆ Computer Graphics，2010，22(7):1132-1137.

［3］王迪，楊永強(qiáng)，吳偉輝.光纖激光選區(qū)熔化316L不銹鋼工藝優(yōu)化［J］.中國激光，2009，36(12):3233-3239.Wang Di，Yang Yong-qiang，Wu Wei-hui.Process optimization for 316L stainless steel by fiber laser selective melting［J］.Chinese Journal of Laser，2009，36(12):3233-3239.

［4］楊永強(qiáng)，何興容，吳偉輝，等.選區(qū)激光熔化直接成型個(gè)性化骨科手術(shù)模板研究［J］.中國激光，2009，36(9):2460-2464.Yang Yong-qiang，He Xing-rong，Wu Wei-hui，et al.Direct manufacturing of customized orthopedics surgery orienting model by selective laser melting［J］.Chinese Journal of Laser，2009，36(9):2460-2464.

［5］吳偉輝，楊永強(qiáng).選區(qū)激光熔化快速成形系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(8):175-180.Wu Wei-hui，Yang Yong-qiang.Key techniques of selective laser melting rapid prototyping system ［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(8):175-180.

［6］Abe F，Osakada K，Shiomi M，et al.The manufacturing of hard tools from metallic powders by selective laser melting［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，111(1/2/3):210-213.

［7］Krutha J P，F(xiàn)royenb L，van vaerenbergha J，et al.Selective laser melting of iron-based powder［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，149(1/2/3):616-622.

［8］Abe F，Santos E C，Kitamura Y，et al.Influence of forming selective laser melting process［J］.Mechanical Engineering Science，2003，217(1):119-126.

［9］Liu Jie，Yang Yongqiang，Lu Jianbin，et al.An object-oriented class library for scanning path generation in SLS/SLM process［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，44/45/46/47:3309-3313.