第二章 3D打印數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介講解

第二章3D打印數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介3D打印數(shù)據(jù)處理技術(shù)1.1三維模型數(shù)據(jù)的獲取1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式1.3新型的數(shù)據(jù)文件格式本章目錄1.1三維數(shù)據(jù)的獲取三維數(shù)據(jù)模型的獲取是3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，目前獲取三維模型的方式主要有正向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和逆向工程數(shù)據(jù)。正向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)正向設(shè)計(jì)是指通過三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行的設(shè)計(jì)，這是最重要、應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)來源。3D打印使用的軟件設(shè)計(jì)方法主要分為實(shí)體建模和曲面建模。實(shí)體建模一般適用于制造領(lǐng)域和工業(yè)設(shè)計(jì)，主要是對(duì)形狀規(guī)則的物體進(jìn)行建模，對(duì)于形狀不規(guī)則的、精細(xì)的、復(fù)雜的設(shè)計(jì)有些不能很好的勝任，如設(shè)計(jì)復(fù)雜的動(dòng)漫形象；而曲面建模正好相反。目前一般的設(shè)計(jì)軟件都是綜合這2種建模方法來得到最理想的設(shè)計(jì)效果。使用較多的三維設(shè)計(jì)軟件主要有AutoCAD、Catia、Delcam、Pro/E、Solidedge、MDT、UG等。1.1三維數(shù)據(jù)的獲取逆向工程數(shù)據(jù)逆向工程（reverseengineering，RE）是將目標(biāo)三維實(shí)體通過相關(guān)的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍钅Ｐ停⒃诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)創(chuàng)作，又稱反向工程或反求工程。重構(gòu)曲面處理數(shù)據(jù)三維建模采集數(shù)據(jù)逆向工程主要包括：采集數(shù)據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x法激光三角形法投影光柵法CT（computedtomography）掃描核磁共振法自動(dòng)斷層掃描法1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式數(shù)據(jù)文件格式CAD三維數(shù)據(jù)文件格式STL、STEP、IGES、LEAF、RPI等二維層片文件格式SLC、CLI、HPGL等其中STL是最早用于CAD與CAPP間數(shù)據(jù)交換的文件格式，并且得到了廣泛應(yīng)用。目前，3D打印系統(tǒng)大部分都是基于STL格式設(shè)計(jì)的。除此之外，為了更真實(shí)地描述3D打印模型，新型的數(shù)據(jù)文件格式AMF（additivemanufacturingfileformat）、3MF（3Dmanufacturingformat）、RP等也被提出。1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式1.2.1

三維數(shù)據(jù)文件格式1）STL文件STL數(shù)據(jù)文件格式是一種三維面片型的數(shù)據(jù)文件格式,3DSystems公司研究開發(fā)了該數(shù)據(jù)文件格式，其基本原理是采用小三角形面片(如圖所示)去逼近三維實(shí)體的自由曲面，即它是對(duì)三維模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格化，類似于有限元中的網(wǎng)格劃分，通過給出三角形法矢量和三角形的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。三角形面片STL文件有2種格式來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ):ASCII碼格式二進(jìn)制格式1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式STL文件作為目前3D打印中應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)接口格式，具有以下優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。輸入文件廣泛，三維數(shù)據(jù)模型幾乎都可以通過三角形面片化生成STL文件；生成方法簡(jiǎn)單，大部分三維設(shè)計(jì)軟件都具備將三維模型直接輸出為STL文件格式的功能,且能初步控制三維模型的精度；簡(jiǎn)單的分層算法使得不能一次成型的模型，易于分割。數(shù)據(jù)量極大；在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤；有冗余現(xiàn)象；由于是采用三角形面片的格式去逼近整個(gè)實(shí)體，因此存在逼近誤差。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式2）STEP文件以PDES（productdatarepresentationandexchangesystems）為基礎(chǔ)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的TC/184SC/14工作研究開發(fā)了STEP格式文件。STEP格式文件有4種交換方式工作格式交換方式數(shù)據(jù)庫(kù)交換方式基于知識(shí)庫(kù)的交換方式文件交換方式1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式文件交換方式STEP文件格式作為一種中性文件格式，有專門的格式規(guī)定,采用ASCII碼格式，通過處理器的轉(zhuǎn)化來完成各系統(tǒng)間相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)庫(kù)交換方式在計(jì)算機(jī)/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的環(huán)境下，各系統(tǒng)間需要進(jìn)行傳遞較多的信息量并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)由于并行工程發(fā)展的需要，使得數(shù)據(jù)庫(kù)交換方式應(yīng)運(yùn)而生?；谥R(shí)庫(kù)的交換方式該方式主要是通過人工智能的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束檢查和處理。它與上述的交換方式類似，不僅能夠完成其所能完成的操作，而且還具備驅(qū)動(dòng)規(guī)則和知識(shí)的能力。工作格式交換方式它是把需要處理的數(shù)據(jù)置于內(nèi)存中，通過內(nèi)存中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行集中處理，這種方式減輕了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)保證了運(yùn)行速度。1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式3）IGES文件IGES文件作為標(biāo)準(zhǔn)圖形交換格式己列入ISO標(biāo)準(zhǔn)，是CAD、CAM、CAPP中不可或缺的有力工具。目前商用CAD軟件，如AutoCAD、UG、SolidWorks等都支持IGES文件格式。目前，三維模型的幾何信息一般是以固定行長(zhǎng)的IGES格式存放。由于IGES文件是針對(duì)實(shí)體模型而生成的圖形數(shù)據(jù)文件，因而其最大的優(yōu)點(diǎn)：是具有豐富的圖形信息，如點(diǎn)、線、面的屬性以及各幾何元素之間的拓?fù)潢P(guān)系等。IGES格式文件雖然是一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，但包含了大量的冗余信息量；其切片算法比STL格式文件的切片算法復(fù)雜；不支持面片格式的描述；若三維實(shí)體模型需設(shè)立支撐結(jié)構(gòu)，則其支撐結(jié)構(gòu)必須先在CAD系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建完成后，再轉(zhuǎn)化成IGES格式，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此與STL格式文件相比，采用IGES格式文件，工藝規(guī)劃較為煩瑣。1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式4）LEAF文件由Helisinki理工大學(xué)提出文件格式--LEAF，是以多層掃描的方式對(duì)模型進(jìn)行掃描。LEAF文件格式是通過二叉樹形式來表示三維模型的分層，該文件的最頂層是包括一系列部件的堆層制造文件(layermanufacturetechnology，LMT)，如圖所示，這一系列部件可能依次包含在其他的部件中，多義線和二維實(shí)體構(gòu)成了最終層信息。LEAF文件格式的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立性良好，且CSG(constructivesolidgeometry)模型可以用其來直接切片，但其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不能直接導(dǎo)入3D打印系統(tǒng)。LMT文件組件Part層信息二維實(shí)體1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式5）RPI文件RPI文件格式是由RensselacerDesaearchCentre與RensselarPolytechnicInstitute聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)，可從STL格式數(shù)據(jù)中獲取。該文件由實(shí)體集構(gòu)成，定義了邊、面片等實(shí)體類型，由字段組成的記錄存放著所有的數(shù)據(jù)，每一個(gè)記錄都與語(yǔ)法部分相對(duì)應(yīng)。因此，RPI文件的優(yōu)點(diǎn)是冗余性好、結(jié)構(gòu)緊湊，并且提供了基本CSG描述,但其缺點(diǎn)是后續(xù)處理比較復(fù)雜，且不能識(shí)別近似實(shí)體的曲面，下表為幾種三維數(shù)據(jù)文件格式的比較。數(shù)據(jù)文件格式準(zhǔn)確性表達(dá)類型冗余性完備性STL一般三角模型一般無(wú)STEP好CSG好有IGES好面片化邊界及CSG差無(wú)LEAFCSG一般有RPI一般面片化邊界及CSG好有幾種三維數(shù)據(jù)文件格式的比較1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式1.2.2二維層片文件格式SLC文件格式是由Materialise公司為獲取快速成型三維模型分層切片后的數(shù)據(jù)而提出的一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件格式。該文件格式可以通過多種途徑得到，三維模型、表面模型、CT掃描機(jī)掃描獲得的數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換成SLC格式數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)。SLC數(shù)據(jù)模型對(duì)三維模型的輪廓表達(dá)采用的是2.5D模式，最終形成的三維模型是沿著z軸方向由一系列內(nèi)外輪廓包圍形成的小實(shí)體疊加而成的。該文件格式的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需切片處理即可被3D打印系統(tǒng)所接受。但其缺點(diǎn)是由于其截面輪廓依舊是對(duì)實(shí)體截面的一種近似，因此精度不高。此外，它的計(jì)算較復(fù)雜、文件龐大、生成費(fèi)時(shí)。1）SLC文件1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式CLI是一種適用于LMT的層片文件格式，它是為了解決STL文件格式的接口問題而開發(fā)的。獲取CLI文件的方式有3種:反求工程三維模型直接分層STL模型分層CLI文件是利用層、輪廓、填充線等來進(jìn)行描述，通過一系列在高度上有序的二維層面(采用多邊形為基本描述單元)疊加而成的三維實(shí)體模型。即疊加不同層的信息來表示三維實(shí)體模型，與SLC文件相似，每層都是由內(nèi)外輪廓線構(gòu)成，并且有一定的厚度。內(nèi)外輪廓線是通過多義線來表征的。通常，CLI文件是STL文件進(jìn)行分層處理后的文件格式，但是也可直接作為3D打印中加工路徑的存儲(chǔ)格式。2）CLI文件1.23D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式HPGL(Hewlett-Packardgraphicslanguage)文件格式是繪圖儀的一種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式，它也屬于二維的數(shù)據(jù)類型，包括樣條線、文本、曲線、圓等信息。該文件格式的突出優(yōu)點(diǎn)在于目前一般的三維CAD軟件都具有輸出HPGL文件的接口而不需另外開發(fā)；此外，采用HPGL文件格式不需進(jìn)行切片就可直接傳輸?shù)?D打印系統(tǒng)中進(jìn)行快速制造。由于該文件對(duì)圖形元素的排放是按照繪圖人員設(shè)計(jì)的先后順序進(jìn)行的，并且曲線圖元是通過對(duì)大量小線段進(jìn)行自動(dòng)插補(bǔ)完成的，因此以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的加工效率低下，處理耗時(shí)長(zhǎng)。3）HPGL文件數(shù)據(jù)文件格式準(zhǔn)確性中性冗余性完備性SLC一般否無(wú)是CLI一般是無(wú)是HPGL一般是無(wú)是幾種二維層片格式文件的比較1.3新型的數(shù)據(jù)文件格式該文件格式的基本原理類似于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的x3d(extensible3Dformat)等文件格式,采用點(diǎn)線面柱體的表達(dá)形式表示實(shí)體幾何屬性，并將材料屬性添加到點(diǎn)、面或體上，采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行代碼描述。該類方法是將材料屬性添加到設(shè)計(jì)階段，文件占用的存儲(chǔ)空間較大。與STL文件格式相比，AMF克服了其精度不高、數(shù)據(jù)冗余大、工藝信息缺失、文件體積龐大、讀取緩慢等缺點(diǎn)，同時(shí)引入了曲面三角形、顏色貼圖、異質(zhì)材料、功能梯度材料、微結(jié)構(gòu)、排列方位等高級(jí)概念。由于AMF模型文件的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)僅僅表達(dá)幾何外形的設(shè)計(jì)方法差異較大，目前還沒有出現(xiàn)能支持AMF格式完整功能的相關(guān)設(shè)計(jì)工具，無(wú)法提供全工藝信息的數(shù)據(jù)來源，3D打印軟件也無(wú)法對(duì)AMF文件的全部信息予以支持。該文件格式被放置在網(wǎng)絡(luò)上供研究者們討論與完善，目前并沒有應(yīng)用到實(shí)際的多材料制造系統(tǒng)中。（1）AMF文件1.3新型的數(shù)據(jù)文件格式3MF(3Dmanufacturingformat)文件格式是由3MF的聯(lián)盟-微軟、惠普、Shapeways、歐特克、達(dá)索系統(tǒng)、netfabb和SLMSolution七家非常有實(shí)力的軟硬件廠商于2015年聯(lián)合開發(fā)的數(shù)據(jù)文件格式，其開發(fā)是以改變STL文件難以適應(yīng)現(xiàn)有3D打印發(fā)展需要的現(xiàn)狀為目的的。3MF能夠更好地描述3D打印模型，可用于多種應(yīng)用、不同平臺(tái)、不同的服務(wù)以及不同類型的3D打印機(jī)。3MF格式具有以下的優(yōu)點(diǎn)可以描述一個(gè)模型的內(nèi)在和外在的信息、顏色以及其他的