基于SLM从图像直接制造金属浮雕的方法*

刘杰 杨永强 宋长辉

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640)

浮雕是雕塑与绘画结合的产物.它采用压缩的办法来处理对象，靠透视等因素来表现三维空间，能很好地保持三维物体在某个观测角度的外型轮廓和视觉效果，具有很强的艺术表现力.浮雕的应用已经遍及人类生活的各个方面，例如建筑装潢、标识匾牌、钱币、工艺制品等［1-2］.针对金属材料的浮雕制品，大多采用雕刻的方式进行加工.雕刻属于材料去除加工方法，会造成材料的浪费，违反绿色制造的理念;此外，铝、镁、工具钢、钨钢和钛等金属材料难加工，用它们很难雕刻出理想的效果.

选区激光熔化(SLM)是一种利用金属粉末直接制造相对密度接近100%的近终端产品的新型快速成型工艺，属于当前快速成型领域的研究热点［3-8］.采用光纤激光器的SLM设备，输出激光光斑能聚焦到30～50μm，非常适合于精密金属零件成型.与雕刻相比，采用SLM加工浮雕具有3个主要优点:(1)SLM属于添加式制造，能有效避免雕刻中的材料浪费;(2)SLM属于分层式制造，能制造任意复杂度的形状，可用来制造具有空心结构的浮雕，以减少材料消耗;(3)SLM属于激光加工，理论上能被激光熔化的材料都可以用于加工，能制造出更多种材质的浮雕.因此，本研究基于SLM从图像直接制造金属浮雕.这对推动SLM技术的发展、扩展激光加工的应用领域和促进绿色制造有着重要的意义.

1 基于SLM从图像直接制造金属浮雕的原理

基于SLM从图像直接制造金属浮雕主要包括5个步骤(见图1).

步骤1 3D浮雕的建模 根据图像的灰度与视觉效果的映射关系，将灰度信息转化成深度值，建立3D浮雕模型.

步骤2 浮雕模型的切片 将3D浮雕模型按SLM的加工高度方向，每隔一定的间隔用平面与3D模型相交，提取截面的轮廓信息，生成切片层.间隔大小按照具体工艺要求选定.

步骤3 SLM扫描路径的生成 根据具体工艺要求，将每层的轮廓用一定间隔的线段进行填充，并将线段按照一定的规则连接起来形成SLM加工过程中的激光扫描路径.

步骤4 SLM设备加工代码的生成 将扫描路径转化成SLM设备所能识别的数控加工代码.

步骤5 SLM加工 利用SLM设备，根据数控加工代码，用激光逐层选区扫描金属粉末，堆积成型，最终生成金属浮雕.

图1 基于SLM从图像直接制造金属浮雕的过程Fig.1 Process of direct manufacturing of metal bas-relief from images based on SLM

2 SLM浮雕设计制造软件的开发及功能实现

根据前述原理，SLM浮雕设计制造软件必须包含3D浮雕的建模功能、浮雕模型的切片功能、扫描路径的生成功能和加工代码的生成功能.针对现有浮雕设计软件对SLM支持不足的缺点，文中利用可视化工具包(VTK)和扫描路径生成库(SPGL)开发了用于SLM的浮雕设计制造软件，来实现这些功能.

2.1 开发基础

2.1.1 VTK 简介

VTK是一个开放源码、跨平台的图形图像处理及可视化软件系统.它拥有许多可视化算法和高级建模技术，并且支持并行处理.VTK目前广泛应用于医学影像、军事等领域中，美国陆军研究实验室曾经用VTK即时模拟俄罗斯反导弹战车ZSU23-4受到平面波攻击的情形，其计算节点多达2.5兆.VTK包括一个C++类库以及对某些解释性语言(如Python)的接口支持.SLM浮雕设计制造软件的开发使用VTK的C++类库.

2.1.2 扫描路径生成库简介

扫描路径生成库是笔者所在课题组自主开发的C++类库［9］，用来生成 SLM加工中的激光扫描路径.其层次结构如图2所示，包括4组类:切片数据读取类能读取切片文件的数据以获取切片层的轮廓信息;路径数据写入类能将生成的扫描路径转化成SLM设备的加工代码文件;几何结构定义类定义切片文件的数据结构;扫描策略类能根据相应的扫描策略生成扫描路径.SLM浮雕设计制造软件不需要读取切片文件，所以只使用后面3组类.

图2 扫描路径生成库的层次结构图［9］Fig.2 Hierarchy diagrams of the Scanning Path Generation Library

2.2 功能的实现

2.2.1 3D 浮雕的建模功能

3D浮雕的建模功能实现主要用到vtkImage-Reader2、vtkImageLuminance、vtkImageDataGeometry-Filter、vtkWarpScalar和 vtkSmoothPolyDataFilter这 5个类.vtkImageReader2读取图像文件，提取其中的像素信息.vtkImageLuminance将图像转化成灰度图像.vtkImageDataGeometryFilter将灰度值转化成深度值，从而使像素点变成空间点.vtkWarpScalar能通过空间点生成3D浮雕模型，它包含一个缩放因子，能够用来调节浮雕模型的高度.vtkSmoothPolyDataFilter能对3D模型进行光滑处理，它通过设置一个拉普拉斯迭代值来调节光滑度.

图3是一个3D浮雕建模的实例，使用201×193的图像，缩放因子为－0.06，拉普拉斯迭代值为100，得到的3D模型的边界尺寸为200×192×9.12(单位可根据实际需要设定).

图3 3D浮雕建模实例Fig.3 An example of 3D bas-relief modeling

2.2.2 浮雕模型的切片功能

浮雕模型的切片功能实现主要用到vtkTriangle-Filter、vtkPlane和 vtkCutter这 3 个类.vtkTriangleFilter能将3D浮雕模型变成三角面片的表示形式，图4为图3中浮雕模型的三角面片形式.vtkPlane用来定义一个切片平面，它通过一个平面上的空间点和一个垂直于平面的法向量来确定平面的位置.vtk-Cutter能用切片平面与3D浮雕模型的三角面片进行相交运算，得到一个切片层和一组离散的有向小线段.这些有向小线段组成了浮雕的切片层轮廓.

图4 浮雕模型的三角面片形式Fig.4 Triangulated surfaces of the bas-relief model

切片的过程为:以浮雕模型的Z轴负边界为起始点，以切片厚度为增量，法向量为Z轴正方向的切片平面沿Z轴正方向平行移动，得到浮雕在每个切片层的轮廓，直到移动到浮雕模型的Z轴正边界.其算法描述如下:

(1)设zb为浮雕模型Z轴负边界值，zt为浮雕模型Z轴正边界值，zc为切片厚度.z为变量，初始值为zb.

(2)用空间点(0，0，z)和法向量(0，0，1)定义一个切片平面.

(3)用切片平面与浮雕模型相交，求切片轮廓.

(4)z=z+zc.

(5)z是否大于等于zt?如果是则结束，否则转(2).

图5是图4中的的三角面片在切片厚度为1.52时得到的轮廓.

图5 浮雕模型的切片实例Fig.5 An example of slicing of the bas-relief model

2.2.3 扫描路径和加工代码的生成功能

扫描路径和加工代码的生成功能用到扫描路径生成库中路径数据写入、几何结构定义和扫描策略这3组类.为兼容CLI(Common Layer Interface)等常用的切片格式文件，扫描路径生成库使用闭合Polyline来表示切片层的轮廓.如图6所示，顺时针Polyline表示内轮廓，逆时针Polyline表示外轮廓.要使用扫描路径生成库，需将切片层的离散无序小线段转换成有序的Polyline形式.

图6 轮廓的Polyline定义Fig.6 Contour defined by Polyline

转化算法描述如下:

(1)设E=(N*表示不含0的自然数集)为离散有向小线段的集合，T为有向小线段空集合，P为Polyline空集合，有向小线段由起点和终点表示.

(2)从E中提取一小线段l1，存入集合T.

(3)从头遍历E.

(4)是否已经到E的末尾?如果是则转(6)，否则取遍历值l2.

(5)是否满足l2的起点等于l1的终点?如果是，将l2从E中提取出来添加入集合T中，并将l2值赋给l1，转(3);否则继续遍历E，转(4).

(6)用集合T生成一个Polyline，并存入集合P，同时清空集合T.

(7)E是否为空集合?如果是则结束;否则转(2).

得到Polyline集合P后，就可以针对工艺对扫描策略的要求，用扫描策略类来生成扫描路径.扫描策略类包含图7所示的几种扫描策略，每种扫描策略对应扫描策略类中的一个子类.图8为图5中某切片层的Polyline轮廓表示，虚线为内轮廓，实线为外轮廓.图9为图8的扫描路径示例.

得到扫描路径后，就可以用路径数据写入类将其转化成SLM设备的加工代码.路径数据写入类支持两种格式的加工代码:一种为ISO6983格式，即常见机床数控系统中使用的 G/M代码;另一种为HPGL(Hewlett-Packard Graphics Language)格式，目前常用于激光打标系统.文中用到的 Dimetal-280［3-4］实验设备采用HPGL格式加工代码.

图7 扫描路径生成库中的几种扫描策略Fig.7 Several scanning strategies in the Scanning Path Generation Library

图8 浮雕切片层轮廓的Polyline表示Fig.8 Contour of sliced layer represented by Polyline

图9 扫描路径示例Fig.9 An example of scanning path

3 空心浮雕的直接制造过程探讨

在现实生活中，金属浮雕主要起一种装饰的作用，外观是其主要内容，对其力学性能的要求不用像零件一样高.在不影响外观的前提下，将金属浮雕内部做成空心结构，能大大减少材料的消耗.根据图1，利用SLM直接制造空心浮雕，首先要建立空心浮雕的3D模型.要生成空心结构实体，需对原实心实体表面进行偏移操作.由于实体表面是三维的，偏移运算复杂，实现难度较大，为此，文中提出直接从切片层对切片轮廓进行偏移操作的方法.由于切片轮廓是二维的，偏移运算简单，可大大降低实现难度.而且2.1.2节中的扫描路径生成库包含轮廓偏移扫描策略(ScanStrategy_Offset类)，只需对其进行修改便可实现轮廓偏移操作.空心浮雕的直接制造过程如图10所示.

图10 空心浮雕的直接制造过程Fig.10 Direct manufacturing process of hollow bas-relief

4 SLM金属浮雕加工实验

为验证基于SLM从图像直接制造金属浮雕的可行性，在SLM设备Dimetal-280上进行浮雕加工实验.浮雕的设计和制造使用第2节开发的软件.实验材料采用－500目气雾化316L不锈钢粉.成型所用的基板采用Q235钢加工的方块，尺寸为100 mm×100mm×10mm，实验前打磨平整，加工过程采用纯氮气保护.使用图11(a)中的图像(478×500)，缩放因子为－0.08，拉普拉斯迭代值为500，单位设置为dmm(1dmm=0.1mm).切片厚度为0.025mm.扫描策略采用旋转扫描，角度设置为90°，层间互错.加工出的金属浮雕如图11(b)所示.浮雕成型效果良好，表明文中方法是可行的.

图11 浮雕加工图像及用SLM加工的金属浮雕Fig.11 Image for bas-relief fabrication and metal bas-relief fabricated by SLM

5 结语

文中提出了基于SLM从图像直接制造金属浮雕的方法.主要包括5个步骤:3D浮雕的建模、浮雕模型的切片、SLM扫描路径的生成、SLM加工代码的生成和SLM加工.文中还利用VTK和自主开发的扫描路径生成库开发了用于SLM的浮雕设计制造软件.该软件能通过一定的设计及工艺规划，将图像直接转化成用于SLM设备的加工代码.在此基础上，提出了直接从切片层对切片轮廓进行偏移操作，最终得到空心浮雕的方法.浮雕加工实验得到的金属浮雕的成型效果良好，证明基于SLM从图像直接制造金属浮雕的方法是可行的.空心浮雕是一种具有悬垂面结构的薄壁零件，其SLM制造工艺还未完全成熟，笔者将会做进一步的研究.

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