STL數(shù)據(jù)處理對(duì)激光燒結(jié)制件表面條紋影響的研究

孫茂銀 吳 健 吳澤宏

1.貴州省冶金化工研究所，貴陽(yáng)，5500002.貴州森遠(yuǎn)增材制造科技有限公司，貴陽(yáng)，550000

0 引言

增材制造(additive manufacturing，AD)技術(shù)俗稱(chēng)3D打印。選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)技術(shù)是一種粉床式增材制造技術(shù)，是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)之一[1-5]。選擇性激光燒結(jié)制件表面易出現(xiàn)橘皮、翹曲、層紋等缺陷，導(dǎo)致制件尺寸精度降低、表面粗糙度增大，使制件成為廢品[5-7]。橘皮、翹曲、層紋等缺陷形成機(jī)理及處理辦法已有大量報(bào)道。筆者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)個(gè)別三維模型平面平行于成形坐標(biāo)軸的XY平面時(shí)，成形制件的平行表面會(huì)不規(guī)律地出現(xiàn)類(lèi)似的不規(guī)則條紋，而這種缺陷及處理技術(shù)目前鮮有報(bào)道。本文針對(duì)這種選擇性激光燒結(jié)制件表面條紋進(jìn)行研究，分析條紋產(chǎn)生的機(jī)理，提出防止表面條紋缺陷產(chǎn)生的技術(shù)措施。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1，為湖南華曙高科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的選區(qū)激光燒結(jié)設(shè)備SS403P，控制軟件為Buildstar、Makestar，軟件識(shí)別數(shù)據(jù)格式為STL。實(shí)驗(yàn)材料為湖南華曙高科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FS3300PA，其材料性能見(jiàn)表1。

圖1 選擇性激光燒結(jié)設(shè)備 SS403PFig.1 Selective laser sintering equipment SS403P

表1 FS3300PA粉末、制件主要性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

主要工藝參數(shù)如下：供粉預(yù)熱溫度155 ℃，燒結(jié)溫度168.5 ℃；激光填充功率85 W，激光輪廓掃描功率15 W，激光填充間距0.3 mm，激光填充掃描速度15 m/s，激光輪廓掃描速度10 m/s，激光填充最大跳轉(zhuǎn)間距12.7 mm，燒結(jié)層厚0.12 mm。

燒結(jié)后觀察制件發(fā)現(xiàn)，本應(yīng)為光滑平面的制件表面存在條紋，如圖2所示。條紋缺陷會(huì)導(dǎo)致制件表面粗糙度增大、尺寸精度降低、外觀質(zhì)量變差等，使燒結(jié)制件成為廢品。

(a)正面 (b)反面圖2 典型的燒結(jié)制件表面條紋Fig.2 Typical surface stripes of sintered parts

由圖2所示條紋可以看出，條紋整齊且不規(guī)則，且實(shí)驗(yàn)中同一模型數(shù)據(jù)的多個(gè)制件存在完全相同的表面條紋。選擇性激光燒結(jié)的主要工藝參數(shù)包括粉體材料的預(yù)熱溫度、激光填充功率、激光掃描速度、激光填充間距、燒結(jié)層厚等。粉末在預(yù)熱加熱系統(tǒng)、激光系統(tǒng)的共同作用下熔融、固結(jié)得到燒結(jié)制件。工藝參數(shù)選取不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致制件橘皮、翹曲、層紋等缺陷。這些由工藝參數(shù)導(dǎo)致的缺陷主要原因是熱量不當(dāng)和燒結(jié)臺(tái)階。熱量不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致不規(guī)則的變形；層厚參數(shù)設(shè)置不當(dāng)則表現(xiàn)為Z向(成形坐標(biāo)系)規(guī)則臺(tái)階紋。圖2中制件的表面條紋燒結(jié)輪廓整齊且不規(guī)則分布，不符合熱量缺陷及臺(tái)階狀層紋缺陷特征。實(shí)驗(yàn)中，多個(gè)制件條紋缺陷完全一致，就可以排除工藝參數(shù)的影響。多個(gè)一致的燒結(jié)整齊條紋說(shuō)明激光系統(tǒng)存在掃描行為，表明這些條紋存在于激光掃描路徑中。激光掃描路徑取決于模型數(shù)據(jù)及其在成形坐標(biāo)系中的擺放位置，因此，可以判斷條紋的產(chǎn)生與燒結(jié)工藝參數(shù)無(wú)關(guān)，并由此推斷該現(xiàn)象可能與模型數(shù)據(jù)在成形坐標(biāo)系中的擺放位置、模型數(shù)據(jù)本身缺陷有關(guān)。

為了證實(shí)上述推論，改變圖2a中模型數(shù)據(jù)在成形坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)值，X、Y坐標(biāo)值不變，并設(shè)置相同的燒結(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，對(duì)于成形坐標(biāo)系中不同Z坐標(biāo)值的擺放模型數(shù)據(jù)，一部分制件表面光滑，另一部分制件表面有明顯的不規(guī)則條紋。

(a)表面條紋制件 (b)表面光滑制件圖3 表面條紋制件及表面光滑制件Fig.3 Part with stripes on the surface and partwith smooth surface

具體結(jié)果見(jiàn)表2。由表2數(shù)據(jù)可以看出，制件是否有條紋與Z坐標(biāo)值有關(guān)，且沒(méi)有特殊的規(guī)律。

表2 不同Z坐標(biāo)值所燒結(jié)制件表面條紋情況

2 分析與討論

以選擇性激光燒結(jié)為例說(shuō)明3D打印技術(shù)的成形特征。將待加工的三維模型數(shù)據(jù)放置在虛擬成形平臺(tái)中，系統(tǒng)根據(jù)一定的收縮比例系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的三維尺寸進(jìn)行修正。修正后數(shù)據(jù)以成形坐標(biāo)系OXY為分割平面，以燒結(jié)層厚為Z向變量，將三維模型數(shù)據(jù)切割成n個(gè)片層[8-9]。制件燒結(jié)層數(shù)n(四舍五入原則)為

n=Za/d0

(1)

式中，Za為制件比例尺寸；d0為燒結(jié)層厚。

分層完畢后，三維模型被分割為二維平面數(shù)據(jù)。Buildstar系統(tǒng)以一定的邏輯順序模擬激光掃描路徑，并保存路徑數(shù)據(jù)。加工準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)啟Makestar系統(tǒng)調(diào)用Buildstar系統(tǒng)所設(shè)置的加工參數(shù)燒結(jié)成形。在燒結(jié)成形過(guò)程中，激光對(duì)每一片層實(shí)體輪廓內(nèi)部按照一定填充間距進(jìn)行填充燒結(jié)，并對(duì)輪廓進(jìn)行一次或多次掃描，然后利用片層間過(guò)剩能量將每個(gè)片層連接起來(lái)，最終得到激光燒結(jié)制件[10-12]。

已有研究表明，Z向表面粗糙度主要與片層厚度、片層之間輪廓燒結(jié)能量、片層間收縮行為有關(guān)。層紋的大小受片層厚度直接影響，橘皮組織產(chǎn)生的原因是片層間材料不均勻收縮行為。本文所觀察到的表面條紋則和上述缺陷完全不同。如圖2、圖3所示，該條紋呈現(xiàn)出順滑而不規(guī)則的現(xiàn)象，且每個(gè)有條紋的制件分布完全相同，故可以排除材料、燒結(jié)工藝參數(shù)的影響。上述現(xiàn)象表明，表面條紋可能與激光掃描路徑有關(guān)。

利用Buildstar軟件系統(tǒng)中切片模擬功能對(duì)表2中不同Z坐標(biāo)值擺放模型數(shù)據(jù)激光掃描路徑進(jìn)行模擬、觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4a可看出，制件模型數(shù)據(jù)平面光滑，然而當(dāng)制件在不同Z軸位置時(shí)，激光模擬路徑有較大差異。由圖4b可以看出，某些位置激光沒(méi)有掃描，對(duì)比圖2a，激光路徑?jīng)]有掃描的位置正好和選區(qū)激光燒結(jié)制件表面出現(xiàn)條紋的區(qū)域一致。圖4c、圖4d及圖3表明，改變Z軸位置時(shí)，激光能夠完整掃描平面，得到表面光滑的制件。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，表面條紋確實(shí)與掃描路徑缺失有關(guān)，但不能說(shuō)明為何改變Z坐標(biāo)值后會(huì)得到光滑平面和表面條紋的制件。

(a)制件模型數(shù)據(jù)(b)圖3中出現(xiàn)條紋制件平面的激光路徑模擬

(c)圖2中未出現(xiàn)條紋(d)圖3a中無(wú)條紋制件制件平面的激光路徑模擬 平面的激光路徑模擬等軸視圖圖4 制件激光掃描路徑模擬Fig.4 Simulation of laser scanning path

由式(1)可看出，燒結(jié)片層層數(shù)n只能是整數(shù)，而且遵循四舍五入原則。當(dāng)以O(shè)XY平面分割最頂層剩余片層厚度低于Buildstar系統(tǒng)設(shè)置層厚的一半時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)取消該片層的燒結(jié)；當(dāng)以O(shè)XY平面分割最后一層剩余片層厚度大于或等于Buildstar系統(tǒng)設(shè)置層厚的一半時(shí)，系統(tǒng)以一個(gè)片層層厚進(jìn)行燒結(jié)。結(jié)合表2及圖4缺陷出現(xiàn)特征，可以判斷出條紋的產(chǎn)生主要與最頂層片層厚度及表面掃描路徑有關(guān)。

激光掃描路徑是系統(tǒng)根據(jù)一定的邏輯順序、一定間距，單次或者多次填充片層輪廓在OXY平面投影，因此，激光的掃描路徑主要由三維模型數(shù)據(jù)所分割的片層在OXY平面的投影輪廓所決定。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，采用的數(shù)據(jù)格式為目前商用增材制造技術(shù)中最為常用的光固化立體造型(stereolithography,STL)文件格式。STL文件有兩種，一種是ASCII明碼格式，另一種是二進(jìn)制格式。不管何種格式，STL都是以三角網(wǎng)格來(lái)表示封閉的面或?qū)嶓w[5,7,12-14]。實(shí)際激光掃描范圍則是對(duì)應(yīng)Z坐標(biāo)值時(shí)OXY平面與制件模型數(shù)據(jù)的三角面網(wǎng)格相交所形成的閉合平面圖形輪廓。

不同軟件導(dǎo)出STL格式，常會(huì)出現(xiàn)法向反向、孔洞和裂縫、面片重疊、對(duì)邊共線(xiàn)等缺陷[15-16]。將模型上述缺陷一一修復(fù)，得到的三角面片視圖見(jiàn)圖5。對(duì)比圖2和圖4b可以看出，制件中出現(xiàn)條紋的位置和制件STL文件中三角面聚集位置完全一致。目前研究?jī)A向于解決上述法向反向、孔洞和裂縫、面片重疊、對(duì)邊共線(xiàn)等缺陷的問(wèn)題，而對(duì)三角面聚集、三角面分布不均使切片出錯(cuò)，最終導(dǎo)致3D打印制件表面出現(xiàn)條紋缺陷的研究卻較少。

(a)三角面片視圖 (b)局部放大圖圖5 制件模型三角面視圖Fig.5 Triangle view of sintered parts

STL文件通常需要滿(mǎn)足共頂點(diǎn)規(guī)則、右手準(zhǔn)則、正取值規(guī)則、充滿(mǎn)規(guī)則。實(shí)際模型存儲(chǔ)使用過(guò)程中會(huì)根據(jù)實(shí)際需要控制三角面精度，調(diào)整模型數(shù)據(jù)的大小。綜合所需模型的精度及數(shù)據(jù)復(fù)雜程度，得到適用且便于存儲(chǔ)、計(jì)算的STL文件。在STL文件規(guī)則和精度控制的調(diào)整過(guò)程中，三角面頂點(diǎn)聚集之處容易出現(xiàn)三角面錯(cuò)誤，軟件讀入后易導(dǎo)致三角面缺失或冗余。當(dāng)軟件對(duì)STL模型數(shù)據(jù)分層處理且剛好切過(guò)三角面缺失或冗余平面時(shí)，根據(jù)式(1)規(guī)則，不管該層厚度多么小，均以一層燒結(jié)，因此，會(huì)導(dǎo)致制件出現(xiàn)凹坑或凸起的條紋。

上述推論說(shuō)明，當(dāng)圖2a骨架模型數(shù)據(jù)切片層剛好處于存在三角面缺失或冗余的平面時(shí)，燒結(jié)制件表面會(huì)出現(xiàn)明顯條紋。表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)Z=0.2 mm時(shí)，有條紋出現(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)圖2a骨架模型燒結(jié)制件表面條紋缺陷表面與三角面缺失的平面重合。在相應(yīng)改變層厚Z坐標(biāo)位置處(燒結(jié)層厚參數(shù)為ΔZ=0.12 mm)，該模型數(shù)據(jù)制件均會(huì)產(chǎn)生條紋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 疊加設(shè)置層厚的Z坐標(biāo)值燒結(jié)制件表面條紋情況

由上述推論，表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果燒結(jié)制件均應(yīng)該有條紋，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)增加4個(gè)層厚的Z向坐標(biāo)值時(shí)，條紋消失。實(shí)際燒結(jié)處理中，應(yīng)該考慮燒結(jié)層在激光作用下會(huì)有一定沉降。因此軟件處理時(shí)，在比例及補(bǔ)償系數(shù)換算后，層厚有一定變化。表3實(shí)驗(yàn)忽略了模型數(shù)據(jù)的換算偏差。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，由軟件系統(tǒng)的比例及光斑補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算所得層厚實(shí)際數(shù)值Δdre=0.1194 mm。以Δdre為變量的激光路徑模擬如圖6所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4，進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論，即對(duì)于骨架模型，在成形坐標(biāo)系中，以Z坐標(biāo)值0.2 mm為基礎(chǔ)位置，以成形坐標(biāo)系中實(shí)際層厚Δdre=0.1194 mm為單元變量，改變Z坐標(biāo)值后所燒結(jié)成形的制件均會(huì)形成條紋缺陷，且條紋紋理和激光路徑缺失的紋理完全一致。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析論證表明，對(duì)于一般有三角面缺失的模型數(shù)據(jù)，若成形平面的分層位置剛好在缺陷平面上，則成形制件必然會(huì)產(chǎn)生條紋缺陷。即，若三維模型放置在成形坐標(biāo)系中以出現(xiàn)三角缺失面為基礎(chǔ)位置，以Δdre為單元變量的實(shí)際位置，所成形的制件必然會(huì)產(chǎn)生條紋缺陷。即可推導(dǎo)出：

(2)

式中，Z3d為三維模型在成形坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)值；N為自然數(shù)；Zdef為缺陷面與分層數(shù)據(jù)重合的Z坐標(biāo)值。

式(2)表明，在生產(chǎn)實(shí)踐中，制件表面條紋缺陷有可能產(chǎn)生，也有可能不產(chǎn)生，取決于制件在成形坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)值以及是否存在缺陷面。若是單一零件，則可以通過(guò)調(diào)整Z坐標(biāo)值來(lái)避免條紋缺陷。而對(duì)于高分子材料的選擇性激光燒結(jié)，常以粉體材料作為支撐，在不同位置隨意放置三維模型數(shù)據(jù)，以提高制件成形效率。Z坐標(biāo)值往往不能確定，因此上述方法僅在特殊情況下可行。

STL文件三角面的缺失往往是由于大量三角在一定位置過(guò)度聚集，在精度控制及規(guī)則限制的條件下，三角數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)運(yùn)算出錯(cuò)，軟件讀取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)忽略錯(cuò)誤的三角信息。因此，改善三維模型的平面三角形分布，保證數(shù)據(jù)讀取完整性，是解決條紋缺陷的根本途徑。

以本文骨架模型數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將STL數(shù)據(jù)三角面重畫(huà)，并對(duì)細(xì)節(jié)部分做局部三角形細(xì)化處理，使骨架模型的STL文件三角形均勻分布。然后將處理好的數(shù)據(jù)以表4中的Z坐標(biāo)值，及Z3d=0.0806 mm、0.2000 mm、0.3194 mm、0.4388 mm、0.5582 mm、1.3194 mm放在成形平臺(tái)中，利用Buildstar系統(tǒng)模擬激光路徑，其結(jié)果如圖7所示。

重畫(huà)骨架模型STL數(shù)據(jù)三角形，使三角形均勻分布后，激光路徑模擬表明，無(wú)論Z坐標(biāo)值如何改變，激光路徑均呈現(xiàn)完整平面，不存在缺失情況。由前述分析，與燒結(jié)成形制件表面條紋缺陷出現(xiàn)于激光模擬路徑是完全一致的，說(shuō)明經(jīng)過(guò)三角形均勻化后，可以保證燒結(jié)制件不再產(chǎn)生條紋缺陷。

Z=0.0806 mm Z=0.2000 mm Z=0.3194 mm Z=0.4388 mm Z=0.5582 mm Z=1.3194 mm圖6 骨架模型在疊加實(shí)際層厚的Z坐標(biāo)值激光路徑模擬Fig.6 Simulation of laser path of skeleton model in Z coordinate value superimposed with actual layer thickness

表4 疊加實(shí)際層厚的Z坐標(biāo)值燒結(jié)制件表面條紋情況

圖7 STL模型三角形均勻化及激光路徑模擬Fig.7 Triangle homogenization of STL model andsimulation of laser path

3 結(jié)論

(1)由于三維模型數(shù)據(jù)STL文件共頂點(diǎn)規(guī)則、右手準(zhǔn)則、正取值規(guī)則、充滿(mǎn)規(guī)則以及表面精度等因素控制， STL文件在三角形聚集處易出現(xiàn)三角形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤，導(dǎo)致Buildstar等增材制造數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)在讀取STL模型數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)三角形的缺失或冗余。

(2)對(duì)于選擇性激光燒結(jié)，若分層數(shù)據(jù)與STL模型數(shù)據(jù)三角形缺失或冗余平面重合，會(huì)出現(xiàn)激光路徑缺失或多余，則其對(duì)應(yīng)的選擇性激光燒結(jié)制件平面將形成條紋。條紋的產(chǎn)生與否還與STL模型數(shù)據(jù)在成形坐標(biāo)系中的擺放位置有關(guān)。以STL模型某一缺陷面與分層數(shù)據(jù)重合的Z坐標(biāo)值為基礎(chǔ)位置，成形坐標(biāo)系中的實(shí)際層厚為變量單元，將STL模型放置在基礎(chǔ)位置上，或附加、減少整數(shù)倍的變量單元Z坐標(biāo)值位置，STL模型的選擇性激光燒結(jié)制件均會(huì)出現(xiàn)條紋;反之，STL模型的選擇性激光燒結(jié)制件不會(huì)出現(xiàn)條紋。

(3)重畫(huà)STL模型數(shù)據(jù)三角形且將局部位置單獨(dú)細(xì)化后，可以解決STL文件在三角形聚集處易出現(xiàn)三角形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤的問(wèn)題，保證Buildstar等增材制造數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)在讀取STL數(shù)據(jù)時(shí)的正確性和完整性，使選擇性激光燒結(jié)制件不會(huì)出現(xiàn)條紋。