基于三維掃描電子束快速成型的直接切片

陳云霞，王小京

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003）

0 前言

電子束快速成型是電子束加工與快速制造技術相結合而產生的一種新技術，不僅可以充分利用電子束真空加工環境、高能量密度、掃描速度快、精密控制等優點，而且能夠發揮快速制造無需工模具、開發周期短及制造成本低等優勢，預計將在汽車、航空航天及醫療器械等領域得到快速發展和應用[1-3]。

但是，所有的快速成型制造方法都需要用CAD數字模型來直接驅動，而來源于CAD的數字模型都必須處理成快速成型系統所能接受的數據格式，即在快速成型加工前需要對三維CAD實體模型進行疊層方向的離散化處理，通常稱作分層處理[4]。分層處理就是用一系列平行于xy坐標面的平面截取三維實體數據模型進而獲取各層幾何信息，通過數據分層處理便可將三維加工問題轉化為二維加工問題，使加工工藝簡化，同時完全解決了加工中的幾何干涉問題，可以說獲取零件模型切平面的二維輪廓數據是進行電子束快速成型制造的第一步，分層處理所獲得的二維輪廓數據的質量在一定程度上決定了最終產品的質量，關系到是否能實現“快速制造”的根本目標。

1 快速成型中的主要切片方式

從三維模型獲得二維層片信息的方法有三種：一是將CAD模型轉換成STL模型，然后對STL模型進行切片處理；二是直接對CAD模型進行切片，獲得層片數據；三是在反求工程中，通過測量實體獲得層片數據[5]。其中第一種方法應用最為廣泛，但由于STL數據格式本身固有的缺陷，使得RP&M研究者花費大量的時間和精力用在檢驗STL數據格式的正確性或修正其錯誤。第三種方法利用反求的二維層片數據可以避開CAD建模，但僅適用于特定的需求。本研究采用第二種方法，即為電子束快速成型系統單獨開發一套直接切片的軟件接口。

2 CAD直接切片的數據描述格式

三維CAD模型經過直接切片以后，處于二維的輪廓環描述狀態，這類數據可以在快速成型、無模具成型等分層加工工藝和醫學領域中得到廣泛應用。目前，由于研究人員開發平臺的差別，直接切片數據存在多種描述格式，主要有CLI、STEP、STL、IGES、DWG、DXF、BMP 等[6-7]。其中，比較著名的有CLI(Conmon layer Interface)、SLC(Stereo Lithography Contour)、DXF等格式，它們都采用線性近似方法來描述實體輪廓。

BMP是一種與硬件設備無關的圖像文件格式，它是Windows環境中交換與圖有關的數據的一種標準，因此在Windows環境中運行的圖形圖像軟件都支持BMP圖像格式。

BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數據四部分組成。其中，位圖數據記錄了位圖的每一個像素值，記錄順序是在掃描行內從左到右，掃描行之間從下到上，兩個字節表示一個像素，陣列中的第一個字節表示位圖左下角的像素，而最后一個字節表示位圖右上角的像素。位圖的一個像素值所占的字節數：當biBitCount=1時，8個像素占1個字節；當biBitCount=4時，2個像素占1個字節；當biBitCount=8時，1個像素占1個字節；當biBitCount=24時，1個像素占3個字節。

Windows規定一個掃描行所占的字節數必須是4的倍數(即以long為單位)，不足的以0填充。

它采用位映射存儲格式，圖像深度可以用1 bit、4 bit、8 bit及 24 bit來描述，圖 1 為一個直接切片BMP文件的位圖數據例子。

圖1 Backing block模型直接切片的BMP圖形及位圖數據Fig.1 BMP graphics and bitmap data of the backing block model direct slicing

BMP數據格式采用像素來描述實體輪廓，在精度上比CLI、SLC、DXF等數據格式都有所提高，比較適合于直接切片的技術要求。

AutoCAD自身可以輸出包括DXF（圖形交換格式）、EPS、ACIS、WMF、BMP、STL、DXX 等類型格式的文件。考慮到直觀性和LabVIEW軟件的兼容性，在此選取BMP文件作為切片存儲圖形的數據格式。

3 AutoCAD直接切片方案

電子束三維掃描控制軟件依托于AutoCAD系統的BMP特征，直接從3D模型上通過二次開發的AutoSlice軟件預先得到一系列二維切片的BMP文件，再由LabVIEW系統開發的三維掃描電子束控制軟件讀入BMP文件，進行輪廓識別和數據填充處理，發出控制信息，完成加工過程，加工示意如圖2所示。

圖2 AutoCAD直接切片研究的總體方案Fig.2 Illusion of AutoCAD direct slicing process

由圖2可知，整個直接切片軟件由AutoSlice宏文件和三維掃描電子束軟件兩部分組成，以BMP文件作為中間文件接口。因此，直接切片應用的整個工作過程可以描述為：利用AutoSlice宏文件獲取目標模型的二維截面數據，儲存于BMP文件中；利用三維掃描電子束軟件對BMP文件進行詮釋，應用于電子束快速成型系統中。

3.1 開發工具Visual LISP語言

Visual LISP是 Autodesk公司在 1997年的AutoCADR14版本中推出的，它是為加速AutoLISP程序開發而設計的軟件開發工具，是一個完整的集成開發環境。Visual LISP包括文本編輯器、格式編排器、語法檢查器、源代碼調試器、檢驗和監視工具、文件編譯器、工程管理系統、上下文相關幫助與自動匹配功能和智能化控制臺等。Visual LISP的用戶界面良好，用過Microsoft軟件的用戶只需很短的時間即可掌握[8]。

3.2 AutoSlice宏開發

AutoSlice宏主要完成CAD模型直接切片的功能，并將切片結果表示為像素描述的BMP格式，存儲于指定路徑的BMP文件可供三維掃描電子束快速成型數據處理調用。任何在CAD中造型得到的三維模型均可以直接進行切片。

利用系統功能將加工方向調整為世界坐標系中的方向，連續運行AutoSlice宏，即可自動進行切片。在AutoSlice宏運行中會出現切片參數對話框，如圖3所示，操作者根據CAD模型輸入x、y、z三個方向的長度，選擇切片方向和切片厚度值，切片厚度一般可輸入0.1～0.5 mm，最后設置切片文件的存儲路徑。完成后，在指定存儲路徑中會自動出現一系列以層序為前綴、bmp為后綴的切片文件，如5.bmp表示第五層切片的輪廓。

以z向切片為例，整個切片算法的實施步驟為：

（1）讀入CAD模型文件并獲取模型z坐標的最大值和最小值。

（2）確定切片厚度。

（3）計算切片層數。

（4）用平行xy平面剖切CAD模型獲得當前層。

（5）選擇切片生成曲線。

（6）儲存入BMP文件中。

（7）將切平面移至下一個分層面，并判斷該切平面是否超出模型的最大高度，如果未超出則轉至步驟（4），如果超出則進入步驟（8）。

（8）結束分層處理。

需要強調的是，本軟件采用等厚度離線切片工作方式，在切片開始時將切片高度偏置了一個層厚，也就是說第一次切片時不是在零件底部、而是在離底部一個層厚的位置開始的，以后每層都擱一個層厚切片，這主要是考慮到零件制作的第一層在電子束燒結后實際上形成了具有一定厚度的薄片，而電子束是在這個薄片的頂部進行燒結，電子束燒結的輪廓相對于制作底部有一個層厚的高度，采用這種方法，可以使模型制作更加準確。

圖3 切片參數設定對話框Fig.3 Dialog of slice parameters setting

3.3 直接切片應用實例

圖4是一個梅花齒輪分層實例模型。首先通過三維造型軟件CAD構造出齒輪零件的三維模型，z向高度 4.5 mm，切片厚度 0.3 mm，運行 AutoSlice宏直接切片，切片輸出為BMP格式。該零件含有15個BMP文件，后續采用基于LabVIEW IMAQ vision圖像處理軟件來獲取全部的切片輪廓數據。至此，實現了三維模型向二維圖形轉換，完成了分層功能并得到了相應平面的輪廓圖形，以備后續處理。

圖4 直接切片實例Fig.4 Examples of direct slicing

在Windows操作系統下，電子束快速成型控制系統控制軟件采用LabVIEW8.0程序設計語言。其他工藝參數設置如下：真空室初始工作真空度4.5 Pa，電子槍初始工作真空度2.8×10-4Pa，加速電壓60 kV；電子束工作距離300 mm，聚焦電流573 mA；試驗所用的材料為還原鐵粉，鋪粉厚度3 mm，鐵粉粒徑96～344 μm，采用小束流掃描鐵粉，使用數碼相機從真空室觀察窗拍攝電子束平面掃描軌跡。電子束掃描軌跡如圖4e所示，圖4f為實際成型件。

由圖4f可知，當截面輪廓采取復合掃描填充算法，分區合理，每一小區可以單獨進行填充，整個成型表面比較平整，成型效果較好。

3 結論

分層處理是進行三維掃描電子束快速成型制造的第一道環節，也是最重要的環節之一。詳細研究了現有的快速成型切片方式，分析各個切片方法的優缺點，指出AutoCAD直接切片的可行性。在AutoCAD造型軟件基礎上進行了直接切片數據格式研究，利用AutoCAD宏開發了AutoSlice軟件，從任意復雜的CAD模型中直接提取截面輪廓信息，輪廓信息存儲于BMP格式文件中，并給出了齒輪模型的直接切片實例。

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