谢 丹，朱 红，侯高雁

（武汉职业技术学院 湖北 武汉 430074）

1 引言

SLS（Selective Laser Sintering）打印技术，又称选择性激光烧结，属增材制造技术的一种，它采用高功率的激光，对粉末加热使其烧结成型。SLS技术具有成形材料多样化、成形过程简单、材料利用率高、无需支撑等优点，特别是不受零部件形状复杂程度的限制，可以在没有工装夹具或模具的条件下，快速制造出形状复杂的功能件或铸造用蜡模，是最具发展前景的3D打印技术之一。

三维模型是实现3D打印的前提和基础，而模型无论是正向设计构建，还是逆向设计重建，均需要结合3D打印的具体要求和约束进行相应的预处理，才能满足3D打印的需求。因此三维模型数据预处理是3D打印技术核心之一，是高精度、高效率3D打印实现的数据基础和前提[1]。该研究采用高精度、高质量的德国EOS-P396选择性激光烧结成型设备，针对SLS成型技术，对三维模型数据预处理进行研究。主要包括三维模型的创建、修复、摆放位置、切片和曝光参数的设置等。其中，曝光类型的选择、曝光参数的设置对成型件的结构、精度和表面质量等影响巨大，该研究的重点就是针对曝光参数，进行理论分析和实验研究，探索不同结构的成型件适合的曝光类型和曝光参数，以提高SLS成型件的机械性能和表面质量。

2 三维模型数据预处理

三维模型数据的预处理如图1所示，主要包括三维建模、模型预处理（模型修复、位置摆放）、切片以及曝光设置等过程。

图1 三维模型数据的预处理

2.1 三维建模

三维模型的建立是3D打印实现的第一步，也是后续数据预处理的基础。建模时应根据需要的3D模型表现方式来选择合适的三维建模工具，常见的机械工程类三维建模软件有PRO/E、UG、Solidworks、CATIA等，工业设计类三维建模软件有3DSMax、Maya、Rhino等，医学影像类三维建模软件有Minics等，逆向设计重建工具Geomagic Studio等。利用以上三维建模软件建立了三维数字模型，保存为STL格式备用。

2.2 模型预处理

模型数据预处理是建模后能否成功打印的必要环节，针对EOS-P396选择性激光烧结成型设备，采用Magics软件进行模型的预处理，Magics是专业处理STL格式的软件，它具有功能强大、易用、高效等优点，可以实现模型修复、零件摆放、碰撞检测、光滑处理等。

2.2.1 将生成的STL文件导入Magics软件

（1）模型的导入与修复

在实际打印过程中，为了节约成本可同时打印多个不同形状的模型，因此，需要将多个模型导入到Magics软件中。步骤是：每导入一个模型并进行检查，其路径为：Fix>Fix Wizard>Update。如果发现模型表面有红色或黄色区域的就表示需要进行修复，修复路径为：Fix>Fix Wizard>Update>Automatic fixing>Follow Adjuice，能够方便快速的修复有瑕疵的STL文件，如图2所示。

图2 模型的修复

（2）模型的摆放与碰撞分析

修复后的模型在摆放时应遵守的原则是：零件底面距水平面约6㎜以上、零件与边界相距约10㎜、零件与零件之间相距约5㎜、零件小面向下布置（打印的缸体底部温度较高，缩水率大，零件易发生收缩，影响精度）、精密零件应放在缸的2/3处、功能件尽量横着放置、圆柱类零件竖直放置以得到较高精度的直径等。为了进一步提高材料的利用率，尽量在最小的空间内摆放更多的零件。当所有的模型在摆放完毕后，执行碰撞检测命令：Analyze&Report>Collision Detection。若1次不能通过检测，反复调整出错模型的相对位置并重新进行碰撞分析，直至全部通过。碰撞检测有误及调整后无误摆放实例如图3所示。

图3 模型检测

2.2.2 模型的切片(RP-TOOLS) 切片是将3D模型离散成二维平面信息的关键步骤，切片算法在整个切片中起着至关重要的作用，直接影响着模型成型的精度和速度。RP-TOOLS是切片软件,设置层厚为0，12㎜，利用该软件可以直接将摆放好位置的STL文件直接切片处理，生成后缀名为SLI的文件，图4为模型的切片实例。

图4 模型的切片

图5 PSW软件界面及设置

2.3 切片模型导入打印软件PSW

PSW软件是对切片后的模型赋予属性及对EOS设备打印设置的软件。将切片软件生成的SLI格式的文件导入到PSW中，可对每个打印模型的曝光参数进行设置。将所有的长方体模型（设计为实体）曝光参数设置为EOS_Box，即长方体上下表面为镂空状，内部是空的，此种设置可以打印包含件。

在正式打印之前，还需要在PSW软件中对EOS设备进行设置，如激光光斑补偿设置、缩水率补偿设置、打印温度设置、刮刀及工作台设置、加热设置、漏粉量设置、氮气护设置、工作状态显示等。切片模型导入PSW软件界面如图5所示。

3 实验结果及结论

设置不同的曝光参数打印实物如图6所示，长方体的实体模型通过设置曝光参数，最终打印出来的并非实体，由此可见，曝光参数的设置在打印过程中尤为重要，其他几种曝光参数及其意义详见表1所示。

图6 打印实物

表1 EOS设备曝光参数及其意义

三维模型的数据预处理是驱动3D打印过程实现的关键技术环节，同时也需要相应的科学技术作为支撑。本文针对EOS设备的3D打印数据预处理有三维模型修复、摆放及碰撞检测，三维模型的切片，三维模型打印质量的曝光参数设置等进行了研讨。基于上述数据预处理采用的都是STL格式的文件，STL文件格式的特点是精度不高、数据冗余大、工艺信息缺失、文件体积庞大、读取速度缓慢等，能否将其他格式的文件模型（如AMF、XML）导入预处理的软件，以期进一步提高零件的精度将是今后3D打印数据预处理的主要研究方向。

[1] Gao W,Zhang Y B,Ramanujan D,et al，The status,challenges,and future of additive manufacturing in engineering[J]，Computer-Aided Design,2015,69( 8):65-89，

[2] 贺强,程涵,杨晓强，面向3D打印的三维模型处理技术研究综述[J]，制造技术与机床,2016,6:54-57，

[3] 罗文煜，3D打印模型的数据转换和切片后处理技术分析[D]，南京：南京师范大学,2015，

[4] 史玉升,张李超,白宇,赵祖烨，3D打印技术的发展及其软件实现[J]，中国科学，2015,45(2):197-203，