基于快速成型技術的產品打印成型前處理分析＊

陳福德

（1.山東華宇工學院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設計工程技術研發中心，山東 德州 253034）

引言

快速成型是利用CAD軟件將模型轉化為STL數據，利用切片軟件對 STL文件進行離散分層，生成各層面掃描信息，快速成型設備根據每層截面信息逐層堆積材料，從而完成整個產品的加工制造，分為前處理、疊加成型和后處理三個工藝過程[1]。因其具有集成化、自動化、快速化等優點，已成為產品快速開發的一種重要手段，被廣泛應用于機械、汽車、醫療、建筑、食品等領域[1]。本文主要探討了STL文件、成型方向的選擇、支撐設置、模型切片分層、層片的掃描路徑等前處理工藝過程，如圖1所示。

1 構建模型

設計并構建3D打印模型數據主要有三種不同的方式：正向設計的三維CAD模型數據、逆向工程數據、醫學/體素數據。正向設計是直接利用UG、Pro/E等建模軟件來構造產品的三維模型，逆向建模是應用逆向工程對已有實物進行建模，通過精密測量設備采集零件表面點的數據，利用逆向設計軟件根據點云數據重構實物的 CAD模型，是一種應用非常廣泛的重要建模方法[2]。

圖1 快速成型前處理的流程

2 STL文件

STL是對CAD實體模型進行表面三角形網絡化，用若干小三角形面片去逼近零件真實表面（如圖2），是目前設計軟件和打印機之間協作的通用標準文件格式。STL文件能正確描述三維模型，必須遵循取值原則、共頂點原則、取向原則和充滿原則。STL文件有二進制與文本文件兩種格式，命名規則符合右手定則，即每個三角面片由三角形的三個頂點和指向三角形面片外部的法線矢量組成。

STL文件逼近CAD模型的精度通常由曲面到三角面片的距離誤差或弦高差控制（如圖3），誤差越小。三角形面片數量越多，越趨近于理想實體的形狀，但STL文件越大，數據處理運算的時間就越長。快速成型對STL文件的正確性和合理性有較高的要求，對STL模型進行檢驗和修復的目的主要是為了保證STL模型無裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面，避免模型分層出現不封閉環或歧義現象。

圖2 STL文件

圖3 自由曲面的三角面片逼近

3 成型方向選擇

模型的擺放決定了成型方向，是影響成型件質量的重要因素。針對這個模型，根據打印設備工作平臺的限制，以更好的布局以便成型。針對單個模型打印，主要從表面質量、零件強度、支撐材料、成型時間4個方面去考慮，提高成型質量和效率。對于表面質量而言，上表面好于下表面，水平面好于垂直面，垂直面好于傾斜面；對于零件強度，水平方向的強度要好于垂直方向；就支撐材料而言，應遵循減小支撐面積和降低支撐高度原則；零件Z方向尺寸越大，切片分層數目越多，成型時間越長[3]。

從打印時間和加工效率上看，應選擇尺寸最小的方向作為疊加方向；為了提高原型成型質量和打印精度，需要將較大的尺寸方向作為疊加方向；為了減少支撐，節省材料及方便后處理，使懸臂結構的數量最少。降低模型堆積方向的高度，可減少分層數目，縮短加工時間，而高度的降低可能導致增加支撐數量、材料損耗及后處理難度，延長成型時間。因此，較優的成型方向是在滿足零件表面精度的前提下，成型高度盡量小，支撐數量越少越好。

4 支撐的設置

支撐對原型的制作至關重要，能避免在零件成型過程中發生坍塌或變形。支撐按其作用的不同分為基底支撐和零件原型的支撐。基底支撐是加于工作臺上，形狀為包絡零件原型在 XOY平面上投影區域的矩形，便于零件從工作臺上取出，消除工作臺的平面度誤差引起的原型誤差，減小或消除翹曲變形。在 CAD系統中手動手工添加支撐結構和軟件自動生成支撐結構兩種形式，添加時需考慮支撐的強度、穩定性、加工時間和可去除性等因素。

5 切片分層

確定成型方向和支撐后，按照設定的層厚進行分層，得到各層輪廓的掃描信息。這種疊層制造原理在零件表面容易產生“階梯效應”（如圖4），面片的法向矢量與成型方向夾角越小，階梯效應越明顯。零件層厚越大，分層數目越少，成型時間越短，加工精度越差；反之，則誤差越小，表面質量越好，分層數目越多，成型時間延長。為解決等分層厚度切片處理方法中存在的問題，提出了自適應分層方法（如圖5），即在誤差控制下，在分層方向上，根據零件結構特點，自動改變分層厚度。零件表面斜度較大時選取較小層厚，提高成型精度，反之，則設置較大層厚，提高加工效率。

圖4 臺階效應對成型零件的影響

圖5 兩種分層方法

6 層片掃描路徑及填充形式

分層后得到模型的截面輪廓，每個層片截面的掃描路徑包括輪廓掃描和填充掃描。不同掃描路徑與制件的精度、強度和成型效率密切相關。掃描方式有往復直線法、環形掃描法和分形掃描法。優質的掃描軌跡，能夠保證制件的成型精度和表面質量，減小層間應力，減輕翹曲變形，減少空行程，減少振動和噪聲，提高成型效率[4]。成型過程中，除需要對輪廓填充外，還需對內部實體進行掃描填充。填充方式主要有單向填充、多向填充、螺旋填充、偏置填充及復合填充（如圖6）。填充方式影響成型件的表面質量、成型效率及內應力大小。

圖6 填充方式

單向填充方式是最簡單的填充方式，一般沿著一個方向（X方向或Y方向）進行填充；該填充方式數據處理簡單，但掃描短線較多，產生的延遲時間誤差較大。多向填充是根據模型截面輪廓的形狀，自動選擇沿長邊方向填充；可有效減小單向填充產生的誤差，改善成型件的機械性能。螺旋填充是從成型件中心向四周擴展；提高成型過程中的熱傳遞速度及成型件的機械性能，且掃描線較長，減小延遲時間誤差，但輪廓信息丟失嚴重，精度較低；偏置填充是按輪廓形狀由外向內逐層的偏置進行掃描；使掃描線盡量長，從而減小延遲時間誤差，但由于必須重復進行偏置環的計算，導致計算量較大，填充路徑較復雜；復合填充是內部區域采用偏置填充，其他區域采用線性填充；在保證成型件表面精度的前提下，有效簡化填充過程，提高成型效率。

7 結語

（1）3D打印模型數據可通過正向設計的三維 CAD模型數據、逆向工程數據、醫學/體素數據三種方式設計并構建。STL文件須遵循取值原則、共頂點原則、取向原則和充滿原則，切片前需對STL模型進行檢驗和修復。

（2）提高模型的成型質量和效率，應從表面質量、零件強度、支撐材料、成型時間四個方面綜合考慮，選擇合適的成型方向。為避免在零件成型過程中發生坍塌或變形，需要設置支撐，添加時需考慮支撐的強度、穩定性、加工時間和可去除性等因素。

（3）確定成型方向和支撐后，設置合適的層厚，對模型切片分層，生成截面加工路徑，采用自適應分層方法解決等分層厚度切片處理方法中存在的問題。分層后得到模型的截面輪廓，每個層片截面的掃描路徑包括輪廓掃描和填充掃描。掃描路徑與制件的精度、強度和成型效率密切相關。