基于三维扫描电子束快速成型的直接切片

陈云霞，王小京

（1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

0 前言

电子束快速成型是电子束加工与快速制造技术相结合而产生的一种新技术，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度、扫描速度快、精密控制等优点，而且能够发挥快速制造无需工模具、开发周期短及制造成本低等优势，预计将在汽车、航空航天及医疗器械等领域得到快速发展和应用[1-3]。

但是，所有的快速成型制造方法都需要用CAD数字模型来直接驱动，而来源于CAD的数字模型都必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式，即在快速成型加工前需要对三维CAD实体模型进行叠层方向的离散化处理，通常称作分层处理[4]。分层处理就是用一系列平行于xy坐标面的平面截取三维实体数据模型进而获取各层几何信息，通过数据分层处理便可将三维加工问题转化为二维加工问题，使加工工艺简化，同时完全解决了加工中的几何干涉问题，可以说获取零件模型切平面的二维轮廓数据是进行电子束快速成型制造的第一步，分层处理所获得的二维轮廓数据的质量在一定程度上决定了最终产品的质量，关系到是否能实现“快速制造”的根本目标。

1 快速成型中的主要切片方式

从三维模型获得二维层片信息的方法有三种：一是将CAD模型转换成STL模型，然后对STL模型进行切片处理；二是直接对CAD模型进行切片，获得层片数据；三是在反求工程中，通过测量实体获得层片数据[5]。其中第一种方法应用最为广泛，但由于STL数据格式本身固有的缺陷，使得RP&M研究者花费大量的时间和精力用在检验STL数据格式的正确性或修正其错误。第三种方法利用反求的二维层片数据可以避开CAD建模，但仅适用于特定的需求。本研究采用第二种方法，即为电子束快速成型系统单独开发一套直接切片的软件接口。

2 CAD直接切片的数据描述格式

三维CAD模型经过直接切片以后，处于二维的轮廓环描述状态，这类数据可以在快速成型、无模具成型等分层加工工艺和医学领域中得到广泛应用。目前，由于研究人员开发平台的差别，直接切片数据存在多种描述格式，主要有CLI、STEP、STL、IGES、DWG、DXF、BMP 等[6-7]。其中，比较著名的有CLI(Conmon layer Interface)、SLC(Stereo Lithography Contour)、DXF等格式，它们都采用线性近似方法来描述实体轮廓。

BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，它是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

BMP文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据四部分组成。其中，位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内从左到右，扫描行之间从下到上，两个字节表示一个像素，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。位图的一个像素值所占的字节数：当biBitCount=1时，8个像素占1个字节；当biBitCount=4时，2个像素占1个字节；当biBitCount=8时，1个像素占1个字节；当biBitCount=24时，1个像素占3个字节。

Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数(即以long为单位)，不足的以0填充。

它采用位映射存储格式，图像深度可以用1 bit、4 bit、8 bit及 24 bit来描述，图 1 为一个直接切片BMP文件的位图数据例子。

图1 Backing block模型直接切片的BMP图形及位图数据Fig.1 BMP graphics and bitmap data of the backing block model direct slicing

BMP数据格式采用像素来描述实体轮廓，在精度上比CLI、SLC、DXF等数据格式都有所提高，比较适合于直接切片的技术要求。

AutoCAD自身可以输出包括DXF（图形交换格式）、EPS、ACIS、WMF、BMP、STL、DXX 等类型格式的文件。考虑到直观性和LabVIEW软件的兼容性，在此选取BMP文件作为切片存储图形的数据格式。

3 AutoCAD直接切片方案

电子束三维扫描控制软件依托于AutoCAD系统的BMP特征，直接从3D模型上通过二次开发的AutoSlice软件预先得到一系列二维切片的BMP文件，再由LabVIEW系统开发的三维扫描电子束控制软件读入BMP文件，进行轮廓识别和数据填充处理，发出控制信息，完成加工过程，加工示意如图2所示。

图2 AutoCAD直接切片研究的总体方案Fig.2 Illusion of AutoCAD direct slicing process

由图2可知，整个直接切片软件由AutoSlice宏文件和三维扫描电子束软件两部分组成，以BMP文件作为中间文件接口。因此，直接切片应用的整个工作过程可以描述为：利用AutoSlice宏文件获取目标模型的二维截面数据，储存于BMP文件中；利用三维扫描电子束软件对BMP文件进行诠释，应用于电子束快速成型系统中。

3.1 开发工具Visual LISP语言

Visual LISP是 Autodesk公司在 1997年的AutoCADR14版本中推出的，它是为加速AutoLISP程序开发而设计的软件开发工具，是一个完整的集成开发环境。Visual LISP包括文本编辑器、格式编排器、语法检查器、源代码调试器、检验和监视工具、文件编译器、工程管理系统、上下文相关帮助与自动匹配功能和智能化控制台等。Visual LISP的用户界面良好，用过Microsoft软件的用户只需很短的时间即可掌握[8]。

3.2 AutoSlice宏开发

AutoSlice宏主要完成CAD模型直接切片的功能，并将切片结果表示为像素描述的BMP格式，存储于指定路径的BMP文件可供三维扫描电子束快速成型数据处理调用。任何在CAD中造型得到的三维模型均可以直接进行切片。

利用系统功能将加工方向调整为世界坐标系中的方向，连续运行AutoSlice宏，即可自动进行切片。在AutoSlice宏运行中会出现切片参数对话框，如图3所示，操作者根据CAD模型输入x、y、z三个方向的长度，选择切片方向和切片厚度值，切片厚度一般可输入0.1～0.5 mm，最后设置切片文件的存储路径。完成后，在指定存储路径中会自动出现一系列以层序为前缀、bmp为后缀的切片文件，如5.bmp表示第五层切片的轮廓。

以z向切片为例，整个切片算法的实施步骤为：

（1）读入CAD模型文件并获取模型z坐标的最大值和最小值。

（2）确定切片厚度。

（3）计算切片层数。

（4）用平行xy平面剖切CAD模型获得当前层。

（5）选择切片生成曲线。

（6）储存入BMP文件中。

（7）将切平面移至下一个分层面，并判断该切平面是否超出模型的最大高度，如果未超出则转至步骤（4），如果超出则进入步骤（8）。

（8）结束分层处理。

需要强调的是，本软件采用等厚度离线切片工作方式，在切片开始时将切片高度偏置了一个层厚，也就是说第一次切片时不是在零件底部、而是在离底部一个层厚的位置开始的，以后每层都搁一个层厚切片，这主要是考虑到零件制作的第一层在电子束烧结后实际上形成了具有一定厚度的薄片，而电子束是在这个薄片的顶部进行烧结，电子束烧结的轮廓相对于制作底部有一个层厚的高度，采用这种方法，可以使模型制作更加准确。

图3 切片参数设定对话框Fig.3 Dialog of slice parameters setting

3.3 直接切片应用实例

图4是一个梅花齿轮分层实例模型。首先通过三维造型软件CAD构造出齿轮零件的三维模型，z向高度 4.5 mm，切片厚度 0.3 mm，运行 AutoSlice宏直接切片，切片输出为BMP格式。该零件含有15个BMP文件，后续采用基于LabVIEW IMAQ vision图像处理软件来获取全部的切片轮廓数据。至此，实现了三维模型向二维图形转换，完成了分层功能并得到了相应平面的轮廓图形，以备后续处理。

图4 直接切片实例Fig.4 Examples of direct slicing

在Windows操作系统下，电子束快速成型控制系统控制软件采用LabVIEW8.0程序设计语言。其他工艺参数设置如下：真空室初始工作真空度4.5 Pa，电子枪初始工作真空度2.8×10-4Pa，加速电压60 kV；电子束工作距离300 mm，聚焦电流573 mA；试验所用的材料为还原铁粉，铺粉厚度3 mm，铁粉粒径96～344 μm，采用小束流扫描铁粉，使用数码相机从真空室观察窗拍摄电子束平面扫描轨迹。电子束扫描轨迹如图4e所示，图4f为实际成型件。

由图4f可知，当截面轮廓采取复合扫描填充算法，分区合理，每一小区可以单独进行填充，整个成型表面比较平整，成型效果较好。

3 结论

分层处理是进行三维扫描电子束快速成型制造的第一道环节，也是最重要的环节之一。详细研究了现有的快速成型切片方式，分析各个切片方法的优缺点，指出AutoCAD直接切片的可行性。在AutoCAD造型软件基础上进行了直接切片数据格式研究，利用AutoCAD宏开发了AutoSlice软件，从任意复杂的CAD模型中直接提取截面轮廓信息，轮廓信息存储于BMP格式文件中，并给出了齿轮模型的直接切片实例。

[1]陈云霞 芦凤桂，朱妙凤，等.电子束快速成型温度场模拟[J].焊接学报，2009，30(4)：1-6.

[2]齐海波，杨明辉，齐芳娟.扫描路径对电子束选区熔化TC4成形件性能影响的数值模拟[J].焊接学报，2009，30(8)：5-8.

[3]罗 怡，刘金合，叶 宏，等.镁合金真空电子束深熔焊接及焊缝成形数值模拟[J].焊接学报，2010，31(6)：65-68.

[4]Zhou M Y.Adaptive slicing of functionally graded material objects for rapid prototyping[J].Int J Adv Manuf Technol，2004(24)：345-352.

[5]Weiyin Ma，Wing-Chung But，Peiren He.NURBS-based adaptive slicing for efficient rapid prototyping[J].Computer-Aided Design，2004（36）：1309-1325.

[6]马锦华，卢 章.AutoCAD环境下直接适应性切片方法及实现机械设计与制造[J].机械设计与制造，2007（7）：100-102.

[7]梁海涛，马军林，童创明，等.基于DXF模型的数据读取与分析方法[J].空军工程大学学报，2007，8(2)：46-48.

[8]李学志.Visual LISP程序设计[M].北京：清华大学出版社，2006.