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详解3D打印常见数据格式

魔猴君  知识堂   792天前

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3D 打印技术诞生于 19 世纪末,随着科学技术的不断发展,在汽车、航空航天、医疗、军工、艺术设计、建筑等方面均有着广阔的应用价值及前景. 在世界各国家和地区,3D 打印技术已受到广泛关注,并取得长足的发展. 2013 年,中国科技部在《3D 打印技术发展综述报告》中指出将支持3D 打印相关的设计方法研究,并将其作为未来 5 年的技术方向和重点之一,该技术被提升到国家战 略性发展规划中. 3D 打印技术作为快速成型技术的一种,也被 称为增材制造( additive manufacturing,AM) ,是先 进制造技术的重要组成部分. 该技术以数字化模型文件为基础,通过逐层打印、层层累积的策略来 制造三维实体 . 


与传统技术相比,3D 打印技术 具有诸多优势. 首先,数字化的成型基础可省去多 种传统制造步骤,从而减少制造时间,拓宽设计空 间;其次,增材制造的方式避免了材料浪费,实现 了能源节约. 增材制造是多种技术的统称,根据使用材料的 不同 可 分 为 以 下 几 种: 熔 融 沉 积 制 造 ( fused deposition modeling, FDM ) 、 选 区 激 光 烧 结 ( selective laser sintering, SLS )  、 叠 层 制 造 (laminated object manufacturing,LOM)  、光固化成 型(stereolithograph apparatus,SLA) 和选区激光熔 化(selective laser melting,SLM)  等. 由于所有技 术工艺均以数字化模型文件为基础,在 3D 打印的 整个制造过程中都需要进行大量的数字化模型文件 的准备及处理,所以,不同的数据文件格式会直接影 响加工过程和加工效果. 因此,研究 3D 打印过程中 的数据文件格式是十分必要的. 这里主要介绍了 3D 打印过程中的数据文件格 式,包括三维数据文件格式( STL、IGES、STEP)、二 维层片文件格式(SLC、CLI、HPGL)以及新型的数据 文件格( 式AMF、3MF、RP),并对其各自的优缺点进 行了分析和比较。


三维模型数据的获取 

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. 2. 1 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 .


逆向工程数据 

逆向工程(reverse engineering,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. 逆向工程主要包括:采集数据、处理数据、重构曲面和三维建模. 首先处理采集到的数据,而后对 处理完的有限点云数据进行曲面重构和三维建模. 数据采集的主要方法包括:三坐标测量仪法 、激 光 三 角 形 法、 投 影 光 栅 法 、 CT ( computed tomography ) 扫 描、 核 磁 共 振 法 ( magnetic resonance imaging, MRI ) 以 及 自 动 断 层 扫 描 法[21] . CT 扫描是通过逐层扫描物体来获取截面数 据的. 而后将 CT 扫描得到的 DICOM 数据导入 Mimics、Geomagic、Imageware、Surfacer 等软件中进行 设计优化,最后根据所建模型的用途输出相应的格 式文件. 利用 Surfacer 软件进行优化设计时, 利用 鼠标对图像进行切割,提取外形轮廓,而后进行相关 的设计处理,最终输出相应的数据文件格式,一般为 STL 格式. 核磁共振技术是 1973 年开始应用于医 学领域的,该技术主要是基于拉莫尔定理,从测得的 信号中对某种参数及其相关的图像进行重现恢复. 自动断层扫描法是通过对样件进行逐层的机械式切 削来自动摄取每一层轮廓影像,再通过对轮廓影像 进行分析来提取相应的轮廓数据。


3D 打印技术中的数据文件格式 

如图所示,3D 打印中的数据文件格式主要分 为 2 类: CAD 三维数据文件格式和二维层片文件格 式. CAD 三 维 数 据 文 件 格 式 包 括: STL ( stereo lithography)  、 STEP ( standard for the exchange of product modal data )  、 IGES ( initial graphics exchange specification )  、 LEAF ( layer exchange ASCII format )  、 RPI ( rapid prototyping interface) 、LMI( layer manufacturing interface)  等;二维层片文件格式包括:SLC( stereo lithography contour) 、CLI( common layer interface)  、HPGL (Hewlett-Packard graphics language) 等. 其中 STL 是最早用于 CAD 与 CAPP 间数据交换的文件格式, 并且得到了广泛的应用. 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( additive manufacturing file format) 、3MF(3D manufacturing format) 、RP 等 也被提出。


三维数据文件格式

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, 3D Systems 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.

 STL 文件有 2 种格式来对数据进行存储:ASCII 码格式和二进制格式. 通过保存矢量三角形的相关 信息来确保文件的通用性,并且这 2 种文件格式间 的相互转换不会引起任何信息的丢失.目前,国际市场上的大多数 CAD 软件几乎都配 有 STL 数据文件接口,该文件也是大多数快速成型 系统使用最多的数据接口格式,它已成为该领域公 认的行业标准.


 STL 文件作为目前 3D 打印中应用 最广的数据接口格式,具有以下显著优点: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. 但是 STL 文件格式也有自身的缺点: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。


STEP 文件 

以 PDES ( product data representation and exchange systems) 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:文件交换方式、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.

 1) 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. 由于各系统大都 使用统一的数据模型,因此,模型与文件之间相应的 转化程序比较简单.


 2) 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. 


3) 数据库交换方式 在 计 算 机/ 现 代 集 成 制 造 系 统 ( computer/ contemporary integrated manufacturing systems,CIMS) 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. 此外,通过对数据库的管 理与共享,实现数据的处理. 


4) 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. 同时,它将使得多个数据库系统间 的集成更易管理,这将是数据交换的未来发展方向.


 STEP 数据文件格式的缺点是其文件中包含许 多 3D 打印技术额外的冗余数据量. 因此在进行三 维 CAD 数据和 3D 打印技术之间的接口转换时,首 先去除一些冗余信息量,同时对数据量进行压缩并 且加入拓扑信息等.


 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. 该文件格式包括 ASCII 码 和二进制 2 种, 其 中, ASCII 格 式 又 分 为 固 定 长 ASCII 格式和压缩 ASCII 格式. ASCII 格式的 IGES 文件阅读方便,而二进制格式适于对大容量的文件 进行处理. IGES 文件标准定义的 ASCII 格式,涵盖 通信和工程特性所必须的数据,并且独立于 CAD 系 统. 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. 


LEAF 文件 

由 Helisinki 理 工 大 学 提 出 文 件 格 式— LEAF [24] ,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(layer manufacture technology,LMT) ,如图 4 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. 多义线 是由连续的直线段连接而成的,并且为封闭的有序 链,其最后一点也即是第 1 点. 同一层的子对象继 承了相应的父对象特性,并且是通过相同的 z 值得 到[34]的. LEAF 文件格式的优点是独立性良好,且 CSG(constructive solid geometry)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.

RPI 文件 

RPI 文件格式是由 Rensselacer Desaearch Centre 与 Rensselar Polytechnic Institute 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,并将其拓扑信息引入语法定义以及对应的数据构成了实体部分. 其中,语 法定义部分包括记录号、实体名以及实体的结束标 志. 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. 表 1 为几种三维数据文件格式的比较.


 二维层片文件格式 

SLC 文件 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. SLC 格式使用的 实体有轮廓边界、轮廓层、直线段和多义线. 其中轮 廓边界是指按逆时针排序的外边界与按顺时针排序 的内边界. 轮廓层是指由实体材料的内外边界线所 组成的部分. 直线段指的是位于二维平面上的 2 点 间的连线. 

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。


CLI 文件 

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 层以及 STL 模型分层,如图 5 所示 . CLI 文件格 式也分为 ASCII 码和二进制码 2 种格式,它是独立 于制造系统与软件开发的,部分独立于应用程序. 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. 与 STL 文件不同的是,CLI 文件是对二维层片信息进 行描述的,因此文件中具有较少且单一的错误类型. 此外,CLI 的文件规模远小于 STL 文件. CLI 格式广泛应用于分层制造技术和医学 CT,并且在粉末烧结或激光树脂层加工等快速成型系统 中得到应用. 但是由于 CLI 文件格式把直线段作为 基本描述单元,因而降低了轮廓精度,并且零件无法 重新定向.


 HPGL 文件 

HPGL( Hewlett-Packard graphics language) 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. 

表 2 为几种二维层片格式文件的比较


新型的数据文件格式

 AMF 文件 

为了充分发挥 3D 打印的优势, 2011 年美国材 料与 试 验 协 会 ( American Society for Testing and Materials, ASTM)提出了一种多材料增材制造文件 格式-AMF. 该文件格式的基本原理类似于虚拟现 实技术中的 x3d( extensible 3D format)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. 其中,曲面三角形能够 大幅提升模型的精度,其是利用各个顶点法线或切 线方向来确定曲面曲率的,在进行数据处理切片时, 曲面三角形可进行细分,便于获得理想精度. 不同 区域的材料成分表达是通过空间点坐标公式来表述 的,按常数比例混合的材料即为均质材料,按坐标值 线性变化的比例即为梯度材料,还可表达非线性梯 度材料. 当材料比例被赋为“0冶时,即表示该处为孔 洞. 因此,AMF 格式包含的工艺信息更全、文件体积 更小、模型错误更少,使得 3D 打印过程中使用起来 更加方便,模型设计过程也更加轻松.


STL 模型不适用于多色、多材料、多尺度工艺结 构的 3D 打印,而 AMF 能表述实体内部材料、工艺 结构特征信息的实体模型. 与此对应,传统 3D 打印 的数据处理过程也将发生大幅度的更改. STL 文件 数据处理最核心的环节是离散分层切片,由于切片 结果为连续小线段组成的一系列轮廓环来指示实体 的边界,所以损失了轮廓精度,且无内部实体材料与 工艺结构信息. 因此,目前 3D 打印数据处理流程中 的 2D 层面数据将逐步转换为采用样条曲线轮廓 + 光栅网格的混合数据结构. 构造样条曲线轮廓无损 描述曲面三角形的离散化切片轮廓,且各个曲线节 点不仅存储几何信息,还存储包括色彩在内的表面 工艺信息,由此实现高精度、无信息损失的外轮廓数 据表达;采用光栅网格表达模型内部的材料及结构 信息,将基于区域模型、基于空间域函数描述梯度材 料以及微工艺结构信息离散化到光栅网格的每个节 点上. 由此该层面数据可统一描述 3D 打印所需的 全部工艺信息,包括多材料、多色、多尺度工艺结构. 


然而, 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. 


3MF 文件 

3MF(3D manufacturing format) 文件格式是由 3MF 的联盟-微软、惠普、Shapeways、欧特克、达索系统、netfabb 和 SLM Solution 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 是 一 种 基 于 XML (eXtensible markup language)的数据文件格式,其中 包括与 3D 制造有关的数据定义,如适用于自定义 数据的第三方扩展. 3MF 格式为 Windows 8. 1 中对 3D 打 印 的 支 持, 提 供 了 坚 实 的 基 础, 类 似 于 Windows 中 3D 打印的“DNA冶. 应用将 3MF 数据传 输给 Windows,Windows 接着又将这些数据转到 3D 打印设备驱动. 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 特性;可扩展,以支持三维打印新的创新;互操作性 和开放性;实用、简单易懂、易于实现;可以解决其他 广泛使用的文件格式固有的问题. 新的 3D 打印格 式文件“3MF冶已经发行,但是还未大量应用. 


 RP 文件

RP 文件格式是由 Deelip Menezes 公司开发的 一种有效并且安全的数据文件格式. 3D 打印技术 使用 STL 文件格式为标准的数据交换方式,但是 STL 文件格式存在两大问题:文件大和安全性低. STL 文件格式使用低效的数据存储方法,再加上冗 余数据的规模,使得 STL 文件大大增加,从而导致 传输数据的问题,特别是通过互联网的传输. 大型 STL 文件导致资源浪费,例如:存储空间、宽带以及 时间. 此外,STL 文件格式没有任何内置的安全机 制. 一个 STL 文件通常从 NURBS 模型创建,它被认 为是不可能从其底层 NURBS 模型提取 STL 文件. 目前利用高质量的逆向工程软件,会使得 STL 文件 达到不可估量的损失. 而 RP 文件格式的开发是以 解决这 2 个问题为目的的.


 1) 解决大小问题. RP 文件是来自于 STL 文件 (ASCII 或二进制),它包含与 STL 文件完全相同的 几何数据. RP 文件中的数据采用先进的压缩算法 进行压缩,这样大大减小了文件的大小. 与源文件 STL 的 ASCII 部分相比,RP 文件的大小只有 STL 文 件的 3% . 与源文件 STL 的二进制部分相比,RP 文 件的大小只有 STL 文件的 10% . 


2) 解决安全问题. RP 文件格式有 2 个层面的 安全性:文件自身和用户层面. 在文件自身方面,RP 使用的是基于最先进的加密算法的加密文件. 在用 户层面,RP 文件格式可以提供一个安全可选的用户自定义密码. 从 STL 文件中压缩并加密后得到的 RP 文件,经过解压之后的 STL 文件将与初始的 STL 文件一致,不会产生数据的丢失. 


4 结论与展望


经过 20 多年的发展,3D 打印技术不断地走向 成熟,在打印精度与打印材料等方面都有较大提高, 但仍存在一系列问题,因此 3D 打印技术依然拥有 非常大的潜力. 3D 打印整个制造过程中涉及大量 的数字化模型文件的准备及处理,不同的模型文件 的类型对加工过程和加工效果均有很大的影响.


 3D 打印过程中的三维模型数据可通过正向设 计和逆向工程等 2 种方式获得. 3D 打印过程中的 数据文件格式主要分为 2 类:CAD 三维数据文件格 式(STL、IGES、STEP、LEAF、RPI、LMI 等) 和二维层 片文件格式(SLC、CLI、HPGL 等). 出现最早的 STL 文件格式是应用最广泛的数据交换格式,但是 STL 文件格式也有自身的缺点: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;采用三角形 面片的格式去逼近整个实体存在逼近误差,因此在 实际应用中会有很多限制. 针对 STL 文件格式存在 的这些缺点,新型的数据文件格式 AMF、3MF、RP 等 进行了相关的优化. 其中,AMF 数据文件格式引入 曲面三角形,利用各个顶点法线或切线方向来确定 曲面曲率,在进行数据处理切片时,曲面三角形可进 行细分,由此获得理想精度. 因此,AMF 格式包含的 工艺信息更全、文件体积更小、模型错误更少;3MF 数据文件格式可以描述一个模型内在和外在的信 息,具有较好的互操作性和开放性,简单易懂,可用 来解决其他广泛使用的文件格式固有的问题;RP 文 件中的数据采用先进的压缩算法进行压缩,大大减 小了文件的大小;此外,RP 在文件自身方面使用最 先进的加密算法,在用户层面使用自定义密码,大大 提高了文件的安全性. 这是 STL 文件无法实现的. 


结合 3D 打印的发展现状,作者认为新型数据 文件格式未来的发展方向必然是数据量小、精度高、 安全性高. 同时,应该建立一个统一的数据文件格 式标准,实现数据共享,减少数据文件格式转换带来 的数据丢失及错误等,以此来提高产品的质量以及 稳定性. 

本文提到的3D打印材料简介

适合做早期原型、模型,或者雕塑的造型设计,表面较粗糙
   
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