第二章 3D打印数据简介讲解

第二章3D打印数据简介3D打印数据处理技术1.1三维模型数据的获取1.23D打印技术中的数据文件格式1.3新型的数据文件格式本章目录1.1三维数据的获取三维数据模型的获取是3D打印技术的基础和关键技术之一，目前获取三维模型的方式主要有正向设计数据和逆向工程数据。正向设计数据正向设计是指通过三维设计软件进行的设计，这是最重要、应用最广泛的数据来源。3D打印使用的软件设计方法主要分为实体建模和曲面建模。实体建模一般适用于制造领域和工业设计，主要是对形状规则的物体进行建模，对于形状不规则的、精细的、复杂的设计有些不能很好的胜任，如设计复杂的动漫形象；而曲面建模正好相反。目前一般的设计软件都是综合这2种建模方法来得到最理想的设计效果。使用较多的三维设计软件主要有AutoCAD、Catia、Delcam、Pro/E、Solidedge、MDT、UG等。1.1三维数据的获取逆向工程数据逆向工程（reverseengineering，RE）是将目标三维实体通过相关的数据采集转变为概念模型，并在此基础上进行后续创作，又称反向工程或反求工程。重构曲面处理数据三维建模采集数据逆向工程主要包括：采集数据三坐标测量仪法激光三角形法投影光栅法CT（computedtomography）扫描核磁共振法自动断层扫描法1.23D打印技术中的数据文件格式数据文件格式CAD三维数据文件格式STL、STEP、IGES、LEAF、RPI等二维层片文件格式SLC、CLI、HPGL等其中STL是最早用于CAD与CAPP间数据交换的文件格式，并且得到了广泛应用。目前，3D打印系统大部分都是基于STL格式设计的。除此之外，为了更真实地描述3D打印模型，新型的数据文件格式AMF（additivemanufacturingfileformat）、3MF（3Dmanufacturingformat）、RP等也被提出。1.23D打印技术中的数据文件格式1.2.1

三维数据文件格式1）STL文件STL数据文件格式是一种三维面片型的数据文件格式,3DSystems公司研究开发了该数据文件格式，其基本原理是采用小三角形面片(如图所示)去逼近三维实体的自由曲面，即它是对三维模型进行三角形网格化，类似于有限元中的网格划分，通过给出三角形法矢量和三角形的3个顶点坐标来实现。三角形面片STL文件有2种格式来对数据进行存储:ASCII码格式二进制格式1.23D打印技术中的数据文件格式STL文件作为目前3D打印中应用最广的数据接口格式，具有以下优点与缺点。输入文件广泛，三维数据模型几乎都可以通过三角形面片化生成STL文件；生成方法简单，大部分三维设计软件都具备将三维模型直接输出为STL文件格式的功能,且能初步控制三维模型的精度；简单的分层算法使得不能一次成型的模型，易于分割。数据量极大；在数据的转换过程中有时会出现错误；有冗余现象；由于是采用三角形面片的格式去逼近整个实体，因此存在逼近误差。优点缺点1.23D打印技术中的数据文件格式2）STEP文件以PDES（productdatarepresentationandexchangesystems）为基础，国际标准化组织的TC/184SC/14工作研究开发了STEP格式文件。STEP格式文件有4种交换方式工作格式交换方式数据库交换方式基于知识库的交换方式文件交换方式1.23D打印技术中的数据文件格式文件交换方式STEP文件格式作为一种中性文件格式，有专门的格式规定,采用ASCII码格式，通过处理器的转化来完成各系统间相应的数据交换。数据库交换方式在计算机/现代集成制造系统的环境下，各系统间需要进行传递较多的信息量并且结构复杂，同时由于并行工程发展的需要，使得数据库交换方式应运而生。基于知识库的交换方式该方式主要是通过人工智能的方式对数据进行约束检查和处理。它与上述的交换方式类似，不仅能够完成其所能完成的操作，而且还具备驱动规则和知识的能力。工作格式交换方式它是把需要处理的数据置于内存中，通过内存中的数据管理系统，对其进行集中处理，这种方式减轻了设计人员的工作负担，同时保证了运行速度。1.23D打印技术中的数据文件格式3）IGES文件IGES文件作为标准图形交换格式己列入ISO标准，是CAD、CAM、CAPP中不可或缺的有力工具。目前商用CAD软件，如AutoCAD、UG、SolidWorks等都支持IGES文件格式。目前，三维模型的几何信息一般是以固定行长的IGES格式存放。由于IGES文件是针对实体模型而生成的图形数据文件，因而其最大的优点：是具有丰富的图形信息，如点、线、面的属性以及各几何元素之间的拓扑关系等。IGES格式文件虽然是一个通用标准，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复杂；不支持面片格式的描述；若三维实体模型需设立支撑结构，则其支撑结构必须先在CAD系统内创建完成后，再转化成IGES格式，否则无法实现。因此与STL格式文件相比，采用IGES格式文件，工艺规划较为烦琐。1.23D打印技术中的数据文件格式4）LEAF文件由Helisinki理工大学提出文件格式--LEAF，是以多层扫描的方式对模型进行扫描。LEAF文件格式是通过二叉树形式来表示三维模型的分层，该文件的最顶层是包括一系列部件的堆层制造文件(layermanufacturetechnology，LMT)，如图所示，这一系列部件可能依次包含在其他的部件中，多义线和二维实体构成了最终层信息。LEAF文件格式的优点是独立性良好，且CSG(constructivesolidgeometry)模型可以用其来直接切片，但其缺点是结构非常复杂，不能直接导入3D打印系统。LMT文件组件Part层信息二维实体1.23D打印技术中的数据文件格式5）RPI文件RPI文件格式是由RensselacerDesaearchCentre与RensselarPolytechnicInstitute联合开发设计，可从STL格式数据中获取。该文件由实体集构成，定义了边、面片等实体类型，由字段组成的记录存放着所有的数据，每一个记录都与语法部分相对应。因此，RPI文件的优点是冗余性好、结构紧凑，并且提供了基本CSG描述,但其缺点是后续处理比较复杂，且不能识别近似实体的曲面，下表为几种三维数据文件格式的比较。数据文件格式准确性表达类型冗余性完备性STL一般三角模型一般无STEP好CSG好有IGES好面片化边界及CSG差无LEAFCSG一般有RPI一般面片化边界及CSG好有几种三维数据文件格式的比较1.23D打印技术中的数据文件格式1.2.2二维层片文件格式SLC文件格式是由Materialise公司为获取快速成型三维模型分层切片后的数据而提出的一种数据存储的文件格式。该文件格式可以通过多种途径得到，三维模型、表面模型、CT扫描机扫描获得的数据都可以转换成SLC格式数据模型存储。SLC数据模型对三维模型的轮廓表达采用的是2.5D模式，最终形成的三维模型是沿着z轴方向由一系列内外轮廓包围形成的小实体叠加而成的。该文件格式的优点是无需切片处理即可被3D打印系统所接受。但其缺点是由于其截面轮廓依旧是对实体截面的一种近似，因此精度不高。此外，它的计算较复杂、文件庞大、生成费时。1）SLC文件1.23D打印技术中的数据文件格式CLI是一种适用于LMT的层片文件格式，它是为了解决STL文件格式的接口问题而开发的。获取CLI文件的方式有3种:反求工程三维模型直接分层STL模型分层CLI文件是利用层、轮廓、填充线等来进行描述，通过一系列在高度上有序的二维层面(采用多边形为基本描述单元)叠加而成的三维实体模型。即叠加不同层的信息来表示三维实体模型，与SLC文件相似，每层都是由内外轮廓线构成，并且有一定的厚度。内外轮廓线是通过多义线来表征的。通常，CLI文件是STL文件进行分层处理后的文件格式，但是也可直接作为3D打印中加工路径的存储格式。2）CLI文件1.23D打印技术中的数据文件格式HPGL(Hewlett-Packardgraphicslanguage)文件格式是绘图仪的一种标准数据文件格式，它也属于二维的数据类型，包括样条线、文本、曲线、圆等信息。该文件格式的突出优点在于目前一般的三维CAD软件都具有输出HPGL文件的接口而不需另外开发；此外，采用HPGL文件格式不需进行切片就可直接传输到3D打印系统中进行快速制造。由于该文件对图形元素的排放是按照绘图人员设计的先后顺序进行的，并且曲线图元是通过对大量小线段进行自动插补完成的，因此以此为基础进行的加工效率低下，处理耗时长。3）HPGL文件数据文件格式准确性中性冗余性完备性SLC一般否无是CLI一般是无是HPGL一般是无是几种二维层片格式文件的比较1.3新型的数据文件格式该文件格式的基本原理类似于虚拟现实技术中的x3d(extensible3Dformat)等文件格式,采用点线面柱体的表达形式表示实体几何属性，并将材料属性添加到点、面或体上，采用汇编语言进行代码描述。该类方法是将材料属性添加到设计阶段，文件占用的存储空间较大。与STL文件格式相比，AMF克服了其精度不高、数据冗余大、工艺信息缺失、文件体积庞大、读取缓慢等缺点，同时引入了曲面三角形、颜色贴图、异质材料、功能梯度材料、微结构、排列方位等高级概念。由于AMF模型文件的设计与传统仅仅表达几何外形的设计方法差异较大，目前还没有出现能支持AMF格式完整功能的相关设计工具，无法提供全工艺信息的数据来源，3D打印软件也无法对AMF文件的全部信息予以支持。该文件格式被放置在网络上供研究者们讨论与完善，目前并没有应用到实际的多材料制造系统中。（1）AMF文件1.3新型的数据文件格式3MF(3Dmanufacturingformat)文件格式是由3MF的联盟-微软、惠普、Shapeways、欧特克、达索系统、netfabb和SLMSolution七家非常有实力的软硬件厂商于2015年联合开发的数据文件格式，其开发是以改变STL文件难以适应现有3D打印发展需要的现状为目的的。3MF能够更好地描述3D打印模型，可用于多种应用、不同平台、不同的服务以及不同类型的3D打印机。3MF格式具有以下的优点可以描述一个模型的内在和外在的信息、颜色以及其他的