激光选区熔化数据前处理的回顾与展望_龙雨.pdf

基金项目：国家重点研发计划项目（编号：2021YFE0203500）；中央引导地方科技发展资金专项（编号：桂科ZY21195029）；广西研究生教育创新计划项目（编号：JGY2021001）收稿日期：20221213激光选区熔化数据前处理的回顾与展望*龙雨，王楚，汤辉亮，吴晓暄，吴蔚，张江兆（广西大学 机械工程学院 激光智能制造与精密加工所，南宁530004）摘要：选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）数据前处理主要包括支撑设计、切片方法、路径规划等内容。首先总结了支撑生成算法及自支撑中的模型拓扑优化和悬垂结构拓扑优化算法，提出了对自支撑优化算法的展望，然后回顾了传统的STL模型切片和当前热门的无STL切片方法，针对路径规划环节总结了常用的路径规划算法的生成方法及优缺点。在此基础上，结合目前激光选区熔化的研究热点：梯度材料打印、仿生结构打印、非传统光源打印、热/力性能定制打印等，对当前路径规划的新需求路径评估与检测、单层路径优化、多层路径协同优化进行了分析与展望。最后，给出了支撑设计、切片方法和路径规划未来的研究方向。关键词：激光选区熔化；自支撑设计；模型切片；路径规划中图分类号：TH164；TN249文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03000908Review and Prospect of Data Pre-processing for Selective Laser MeltingLong Yu，Wang Chu，Tang Huiliang，Wu Xiaoxuan，Wu Wei，Zhang Jiangzhao（Institute of Laser Intelligent Manufacturing and Precision Processing,School of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China）Abstract:Selective laser melting(SLM)data preprocessing mainly includes support design,slicing method,path planning,etc.First of all,this paper summarized the support generation algorithm and the model topology optimization and suspension structure topology optimizationalgorithms in self-supporting algorithm,put forward the prospect of the self-supporting optimization algorithm,then retrospected the traditionalSTL model slicing algorithms and the newest STL-free slicing algorithm,and summarizes the generation algorithm,advantages anddisadvantages of the general path planning algorithms for the key link of path planning.On this basis,by introducing the current researchhotspots of laser selective melting:gradient material,bionic structure,non-traditional beam printing,thermal/mechanical performance printingcustomization,the new requirements of current path planning-printing path detection and evaluation,single-layer path optimization,collaborative optimization of multi-layer path were analyzed and prospected.Finally,the future research directions of support design,slicingmethod and path planning were presented.Key words:selective laser melting;self-support design;model slicing;path planning2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.002龙雨，王楚，汤辉亮，等.激光选区熔化数据前处理的回顾与展望 J.机电工程技术，2023，52（03）：9-16.0引言选区激光熔化是以 3D模型为基础，以激光为能量源，逐层连接材料的增材制造技术，具有制造快速精准、拓展性好、能满足个性化需求、可实现高难度金属零件制造的优点，在航空航天领域中的高性能复杂构件和生物制造领域具有显著优势1。激光选区熔化打印的数据前处理部分包括支撑设计与生成、模型切片和路径规划2。目前对数据前处理的研究总结都局限在某个部分，缺少对整体数据前处理部分整体性的总结与回顾，因此本文对这几个部分的现状做了总结与分析，在此基础上，提出对数据前处理部分的整体的展望。当模型结构复杂，存在悬垂区域时，需要支撑结构以支撑该部分防止模型变形甚至坍塌，此时不可避免地需要对支撑结构进行设计。支撑算法主要是对打印方向的优化以及悬垂区域的识别，从而实现支撑最小化。由于支撑结构会浪费材料、影响打印件表面质量，并存在繁琐的后处理过程，自支撑研究应运而生。自支撑方法主要有基于数值方法对模型的拓扑优化和悬垂结构的拓扑优化等。然而，当前拓扑优化算法的鲁棒性以及计算效率仍有待提高，且优化后的结果难以导入SLM数据处理软件中进行后续切片及路径规划。因此，有必要进一步研究构建鲁棒性好、效率高的拓扑优化算法以及构建拓扑优化与激光选区熔化一体化的工业软件。本文还回顾了适用于激光选区熔化的2D平面切片方法与最新的无STL切片方法，总结了相关算法的优缺点。路径规划对提高激光选区熔化成型件致密度、成型效率、减少内部残余应力方面具有重要作用3。扫描路径将直接影响粉末的熔化、传热和凝固，进而直接影响成型零件的表面 9粗糙度、尺寸精度和力学性能。SLM目前常用的扫描路径包括：栅格路径、分区路径、螺旋线路径、轮廓偏置路径、混合路径、Hibert路径、中轴路径等。从近年来非传统激光束的研究以及基于“场”的路径规划以及仿生结构的路径规划研究发现，常用的路径方法已不能满足当前的需求。本文总共分为5个部分，对SLM数据前处理的各部分进行了研究现状总结。支撑设计部分对支撑结构类型、支撑生成算法及自支撑的常用方法及热点研究内容进行了总结；模型切片部分回顾了传统的两种切片算法及最新的无STL切片方法；路径规划部分对常用路径的生成步骤，优缺点进行了总结与归纳；路径需求部分针对当前SLM热点研究中的路径相关问题做了路径需求及应用的分析，探讨了路径规划的新进展与未来发展方向；总结与展望部分对各个部分未来的研究热点及方向做了讨论。1支撑设计在激光选区熔化过程中，材料是逐层向上堆积直到模型成型。通常对于大于45的悬垂结构，由于材料受重力影响，有可能在还未完全固化之前坠落，导致打印失败，因此需要对结构添加支撑，如图1所示。支撑生成是目前激光选区熔化数据处理中的重要环节，对于悬垂结构，支撑是必要的，但支撑增加了材料成本和后处理工作。因此，合理设置支撑结构直接关系到模型能否成型、成型质量、成型效率等问题。1.1支撑结构类型在SLM加工过程中，当未成形层超出原有层部分形成“悬垂结构”时，材料将难以堆积成形。该问题可以通过添加支撑来解决，增加支撑可以在一定程度上防止翘曲、减少悬垂区域的变形，保证试件始终固定在平台上。目前常用的支撑类型如图2所示。随着上述支撑结构的不断应用，研究人员对支撑结构提出了更高的要求，相关研究总结如表1所示。1.2支撑生成算法在SLM加工过程中，当获取成形件模型数据后，针对不同的结构，如图3所示，如何根据模型设计算法确定支撑区域是软件处理过程中的重要问题。常用的支撑区域提取方法及相关研究如表2所示。支撑结构为满足支撑要求需要足够大的直径、倾斜角和强度，但同时也将增加打印时间与材料，因此支撑图1支撑示意图图2常用支撑结构需求考虑应力和应变接触面积尽可能小，减少支架拆除后的表面劣化增加局部热传导，防止内应力累积产生过度变形作者AllenWeiming WangCalignanoDumasMingdong Zhou相关研究轻薄网状支撑4绞架抗压支撑结构5树形支撑6桥状支撑7具有高效导热能力的支撑结构8具体内容使用轮廓线划分网格，将支撑结构转化为网状面片支撑结合建筑学的绞架结构设计了抗压的支撑结构使用树形支撑，并采用田口试验法最小化支撑结构根据打印过程中的悬垂和零件稳定性来选择支撑点，然后优化由桥梁和垂直支柱组成的支撑结构使用瞬态传热模型进行温度分布模拟，将结果导入到基于密度的结构拓扑优化方法得出支撑结构表1支撑结构新需求及相关研究内容生成方法利用三角面片与工作平面间的夹角提取待支撑区域4利用层间切片布尔差值判断支撑区域11优化打印件摆放的方向使支撑体积最小，甚至消除支撑相关研究悬垂结构特征的细分9-10切片布尔运算改进为扫描线方式12多目标函数来寻找最佳零件方向13多准则遗传算法最小化构建时间14基于水平集和Hadamard方法的拓扑优化15具体内容根据待支撑特征投影区域的几何特征，将其分为细小区域、细长区域以及环形区域等，针对各类区域的形状特点采用不同的填充算法进行二维支撑填充将传统方法中对切片进行布尔运算的方法进行优化，以提高切片精度采用基于一般满意度原理的多目标优化理论对阶梯效应、支撑面积和生产时间进行优化，获得最佳的零件构建方向使用多标准遗传算法同时最小化平均零件表面粗糙度和构建时间来确定最佳零件构建方向使用由水平集方法和 Hadamard方法计算的形状导数优化悬垂所需的投影面积和支撑体积图 3支撑生成区域提取表 2支撑生成方法2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期 10的生成应在材料、强度与打印效率中做出平衡。1.3自支撑研究在SLM制造过程中去除支撑结构难度较大，甚至会导致满足支撑结构的界面表面质量下降。因此研究人员们提出了在保持零件外观与满足机械特性的条件下，通过拓扑设计优化零件内部，形成自支撑结构的方法以减少打印的体积和后处理时间。相关方法及研究如表3所示。虽然这些自支撑方法可以使SLM过程不再需要支撑结构，但是现有的约束条件仍导致拓扑优化后的结构无法实现最佳性能，并且可能增加结构的体积。因此，需要提出一种计算效率高，具有通用性，且能够将拓扑优化后的模型导出为可打印的模型的方法。总体而言，面对大尺寸复杂模型时，如何高效生成以及优化支撑结构有待进一步研究。另一方面，如何使用自支撑结构设计的思路指导激光选区熔化打印模型的构建，在满足模型设计基本需求的前提下，对模型结构进一步优化，使之更契合激光选区熔化工艺的特点，也是支撑设计的研究重点。2模型切片模型的切片处理是用一系列平行平面（通常垂直于Z轴）截取模型，求取封闭交线的过程。传统SLM加工过程中的切片主要分为两类：等层切片法与自适应切片法，如表4所示。上述的方法都是使用STL模型进行切片，但在当前的SLM研究中，晶格结构在切片过