3D 打印技術(shù)誕生于 19 世紀(jì)末,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,在汽車(chē)、航空航天、醫(yī)療、軍工、藝術(shù)設(shè)計(jì)、建筑等方面均有著廣闊的應(yīng)用價(jià)值及前景. 在世界各國(guó)家和地區(qū),3D 打印技術(shù)已受到廣泛關(guān)注,并取得長(zhǎng)足的發(fā)展. 2013 年,中國(guó)科技部在《3D 打印技術(shù)發(fā)展綜述報(bào)告》中指出將支持3D 打印相關(guān)的設(shè)計(jì)方法研究,并將其作為未來(lái) 5 年的技術(shù)方向和重點(diǎn)之一,該技術(shù)被提升到國(guó)家戰(zhàn) 略性發(fā)展規(guī)劃中. 3D 打印技術(shù)作為快速成型技術(shù)的一種,也被 稱(chēng)為增材制造( additive manufacturing,AM) ,是先 進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分. 該技術(shù)以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ),通過(guò)逐層打印、層層累積的策略來(lái) 制造三維實(shí)體 . 

與傳統(tǒng)技術(shù)相比,3D 打印技術(shù) 具有諸多優(yōu)勢(shì). 首先,數(shù)字化的成型基礎(chǔ)可省去多 種傳統(tǒng)制造步驟,從而減少制造時(shí)間,拓寬設(shè)計(jì)空 間;其次,增材制造的方式避免了材料浪費(fèi),實(shí)現(xiàn) 了能源節(jié)約. 增材制造是多種技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng),根據(jù)使用材料的 不同 可 分 為 以 下 幾 種: 熔 融 沉 積 制 造 ( fused deposition modeling, FDM ) 、 選 區(qū) 激 光 燒 結(jié) ( selective laser sintering, SLS )  、 疊 層 制 造 (laminated object manufacturing,LOM)  、光固化成 型(stereolithograph apparatus,SLA) 和選區(qū)激光熔 化(selective laser melting,SLM)  等. 由于所有技 術(shù)工藝均以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ),在 3D 打印的 整個(gè)制造過(guò)程中都需要進(jìn)行大量的數(shù)字化模型文件 的準(zhǔn)備及處理,所以,不同的數(shù)據(jù)文件格式會(huì)直接影 響加工過(guò)程和加工效果. 因此,研究 3D 打印過(guò)程中 的數(shù)據(jù)文件格式是十分必要的. 這里主要介紹了 3D 打印過(guò)程中的數(shù)據(jù)文件格 式,包括三維數(shù)據(jù)文件格式( STL、IGES、STEP)、二 維層片文件格式(SLC、CLI、HPGL)以及新型的數(shù)據(jù) 文件格( 式AMF、3MF、RP),并對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn) 行了分析和比較。

三維模型數(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). 2. 1 正向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 正向設(shè)計(jì)是指通過(guò)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(lái)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(lái)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 .

逆向工程數(shù)據(jù) 

逆向工程(reverse engineering,RE)是將目標(biāo)三 維實(shí)體通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍钅Ｐ?并在 此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)創(chuàng)作,又稱(chēng)反向工程或反求工程. 逆向工程主要包括:采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、重構(gòu)曲面和三維建模. 首先處理采集到的數(shù)據(jù),而后對(duì) 處理完的有限點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)和三維建模. 數(shù)據(jù)采集的主要方法包括:三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x法 、激 光 三 角 形 法、 投 影 光 柵 法 、 CT ( computed tomography ) 掃 描、 核 磁 共 振 法 ( magnetic resonance imaging, MRI ) 以 及 自 動(dòng) 斷 層 掃 描 法[21] . CT 掃描是通過(guò)逐層掃描物體來(lái)獲取截面數(shù) 據(jù)的. 而后將 CT 掃描得到的 DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics、Geomagic、Imageware、Surfacer 等軟件中進(jìn)行 設(shè)計(jì)優(yōu)化,最后根據(jù)所建模型的用途輸出相應(yīng)的格 式文件. 利用 Surfacer 軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí), 利用 鼠標(biāo)對(duì)圖像進(jìn)行切割,提取外形輪廓,而后進(jìn)行相關(guān) 的設(shè)計(jì)處理,最終輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件格式,一般為 STL 格式. 核磁共振技術(shù)是 1973 年開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域的,該技術(shù)主要是基于拉莫爾定理,從測(cè)得的 信號(hào)中對(duì)某種參數(shù)及其相關(guān)的圖像進(jìn)行重現(xiàn)恢復(fù). 自動(dòng)斷層掃描法是通過(guò)對(duì)樣件進(jìn)行逐層的機(jī)械式切 削來(lái)自動(dòng)攝取每一層輪廓影像,再通過(guò)對(duì)輪廓影像 進(jìn)行分析來(lái)提取相應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)。

3D 打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)文件格式 

如圖所示,3D 打印中的數(shù)據(jù)文件格式主要分 為 2 類(lèi): CAD 三維數(shù)據(jù)文件格式和二維層片文件格 式. CAD 三 維 數(shù) 據(jù) 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;二維層片文件格式包括:SLC( stereo lithography contour) 、CLI( common layer interface)  、HPGL (Hewlett-Packard graphics language) 等. 其中 STL 是最早用于 CAD 與 CAPP 間數(shù)據(jù)交換的文件格式, 并且得到了廣泛的應(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( additive manufacturing file format) 、3MF(3D manufacturing format) 、RP 等 也被提出。

三維數(shù)據(jù)文件格式

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, 3D Systems 公司研究開(kāi)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(lèi)似于有限元中的網(wǎng)格劃分,通過(guò) 給出三角形法矢量和三角形的 3 個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)實(shí) 現(xiàn).

 STL 文件有 2 種格式來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ):ASCII 碼格式和二進(jìn)制格式. 通過(guò)保存矢量三角形的相關(guān) 信息來(lái)確保文件的通用性,并且這 2 種文件格式間 的相互轉(zhuǎn)換不會(huì)引起任何信息的丟失.目前,國(guó)際市場(chǎng)上的大多數(shù) CAD 軟件幾乎都配 有 STL 數(shù)據(jù)文件接口,該文件也是大多數(shù)快速成型 系統(tǒng)使用最多的數(shù)據(jù)接口格式,它已成為該領(lǐng)域公 認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

 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,具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):輸入文件 廣泛,三維數(shù)據(jù)模型幾乎都可以通過(guò)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. 但是 STL 文件格式也有自身的缺點(diǎn):數(shù)據(jù)量極大;在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn) 換過(guò)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。

STEP 文件 

以 PDES ( product data representation and exchange systems) 為基礎(chǔ),國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的 TC / 184SC / 14 工 作 研 究 開(kāi) 發(fā) 了 STEP 格 式 文 件 . STEP 格式文件有 4 種交換方式:文件交換方式、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.

 1) 文件交換方式 STEP 文件格式作為一種中性文件格式,有專(zhuān)門(mén)的格式規(guī)定,采用 ASCII 碼格式,通過(guò)處理器的轉(zhuǎn)化 來(lái)完成各系統(tǒng)間相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換. 由于各系統(tǒng)大都 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,因此,模型與文件之間相應(yīng)的 轉(zhuǎn)化程序比較簡(jiǎn)單.

 2) 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(guò)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. 

3) 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) ( computer/ contemporary integrated manufacturing systems,CIMS) 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. 此外,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管 理與共享,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理. 

4) 基于知識(shí)庫(kù)的交換方式 該方式主要是通過(guò)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(lèi)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. 同時(shí),它將使得多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間 的集成更易管理,這將是數(shù)據(jù)交換的未來(lái)發(fā)展方向.

 STEP 數(shù)據(jù)文件格式的缺點(diǎn)是其文件中包含許 多 3D 打印技術(shù)額外的冗余數(shù)據(jù)量. 因此在進(jìn)行三 維 CAD 數(shù)據(jù)和 3D 打印技術(shù)之間的接口轉(zhuǎn)換時(shí),首 先去除一些冗余信息量,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮并 且加入拓?fù)湫畔⒌?

 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. 該文件格式包括 ASCII 碼 和二進(jìn)制 2 種, 其 中, ASCII 格 式 又 分 為 固 定 長(zhǎng) ASCII 格式和壓縮 ASCII 格式. ASCII 格式的 IGES 文件閱讀方便,而二進(jìn)制格式適于對(duì)大容量的文件 進(jìn)行處理. IGES 文件標(biāo)準(zhǔn)定義的 ASCII 格式,涵蓋 通信和工程特性所必須的數(shù)據(jù),并且獨(dú)立于 CAD 系 統(tǒng). 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(xiàn)、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. 

LEAF 文件 

由 Helisinki 理 工 大 學(xué) 提 出 文 件 格 式— LEAF [24] ,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(guò)二叉樹(shù)形式來(lái)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(layer manufacture technology,LMT) ,如圖 4 所示,這一系列部件可能依次包含在其他的部件 中,多義線(xiàn)和二維實(shí)體構(gòu)成了最終層信息. 多義線(xiàn) 是由連續(xù)的直線(xiàn)段連接而成的,并且為封閉的有序 鏈,其最后一點(diǎn)也即是第 1 點(diǎn). 同一層的子對(duì)象繼 承了相應(yīng)的父對(duì)象特性,并且是通過(guò)相同的 z 值得 到[34]的. LEAF 文件格式的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立性良好,且 CSG(constructive solid geometry)模型可以用其來(lái)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).

RPI 文件 

RPI 文件格式是由 Rensselacer Desaearch Centre 與 Rensselar Polytechnic Institute 聯(lián)合開(kāi)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(lèi)型,并將其拓?fù)湫畔⒁胝Z(yǔ)法定義以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)構(gòu)成了實(shí)體部分. 其中,語(yǔ) 法定義部分包括記錄號(hào)、實(shí)體名以及實(shí)體的結(jié)束標(biāo) 志. 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. 表 1 為幾種三維數(shù)據(jù)文件格式的比較.

 二維層片文件格式 

SLC 文件 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(guò)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. SLC 格式使用的 實(shí)體有輪廓邊界、輪廓層、直線(xiàn)段和多義線(xiàn). 其中輪 廓邊界是指按逆時(shí)針排序的外邊界與按順時(shí)針排序 的內(nèi)邊界. 輪廓層是指由實(shí)體材料的內(nèi)外邊界線(xiàn)所 組成的部分. 直線(xiàn)段指的是位于二維平面上的 2 點(diǎn) 間的連線(xiàn). 

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)。

CLI 文件 

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(wèn)題而開(kāi)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 層以及 STL 模型分層,如圖 5 所示 . CLI 文件格 式也分為 ASCII 碼和二進(jìn)制碼 2 種格式,它是獨(dú)立 于制造系統(tǒng)與軟件開(kāi)發(fā)的,部分獨(dú)立于應(yīng)用程序. CLI 文件是利用層、輪廓、填充線(xiàn)等來(lái)進(jìn)行描述,通 過(guò)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(lái)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(xiàn)構(gòu)成,并且有一定的厚 度. 內(nèi)外輪廓線(xiàn)是通過(guò)多義線(xiàn)來(lái)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. 與 STL 文件不同的是,CLI 文件是對(duì)二維層片信息進(jìn) 行描述的,因此文件中具有較少且單一的錯(cuò)誤類(lèi)型. 此外,CLI 的文件規(guī)模遠(yuǎn)小于 STL 文件. CLI 格式廣泛應(yīng)用于分層制造技術(shù)和醫(yī)學(xué) CT,并且在粉末燒結(jié)或激光樹(shù)脂層加工等快速成型系統(tǒng) 中得到應(yīng)用. 但是由于 CLI 文件格式把直線(xiàn)段作為 基本描述單元,因而降低了輪廓精度,并且零件無(wú)法 重新定向.

 HPGL 文件 

HPGL( Hewlett-Packard graphics language) 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(lèi)型,包括樣條線(xiàn)、文本、曲線(xiàn)、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(kāi)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)?3D 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(xiàn)圖元是通過(guò)對(duì)大 量小線(xiàn)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). 

表 2 為幾種二維層片格式文件的比較

新型的數(shù)據(jù)文件格式

 AMF 文件 

為了充分發(fā)揮 3D 打印的優(yōu)勢(shì), 2011 年美國(guó)材 料與 試 驗(yàn) 協(xié) 會(huì) ( American Society for Testing and Materials, ASTM)提出了一種多材料增材制造文件 格式-AMF. 該文件格式的基本原理類(lèi)似于虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)中的 x3d( extensible 3D format)等文件格式, 采用點(diǎn)線(xiàn)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(lèi)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. 其中,曲面三角形能夠 大幅提升模型的精度,其是利用各個(gè)頂點(diǎn)法線(xiàn)或切 線(xiàn)方向來(lái)確定曲面曲率的,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理切片時(shí), 曲面三角形可進(jìn)行細(xì)分,便于獲得理想精度. 不同 區(qū)域的材料成分表達(dá)是通過(guò)空間點(diǎn)坐標(biāo)公式來(lái)表述 的,按常數(shù)比例混合的材料即為均質(zhì)材料,按坐標(biāo)值 線(xiàn)性變化的比例即為梯度材料,還可表達(dá)非線(xiàn)性梯 度材料. 當(dāng)材料比例被賦為“0冶時(shí),即表示該處為孔 洞. 因此,AMF 格式包含的工藝信息更全、文件體積 更小、模型錯(cuò)誤更少,使得 3D 打印過(guò)程中使用起來(lái) 更加方便,模型設(shè)計(jì)過(guò)程也更加輕松.

STL 模型不適用于多色、多材料、多尺度工藝結(jié) 構(gòu)的 3D 打印,而 AMF 能表述實(shí)體內(nèi)部材料、工藝 結(jié)構(gòu)特征信息的實(shí)體模型. 與此對(duì)應(yīng),傳統(tǒng) 3D 打印 的數(shù)據(jù)處理過(guò)程也將發(fā)生大幅度的更改. STL 文件 數(shù)據(jù)處理最核心的環(huán)節(jié)是離散分層切片,由于切片 結(jié)果為連續(xù)小線(xiàn)段組成的一系列輪廓環(huán)來(lái)指示實(shí)體 的邊界,所以損失了輪廓精度,且無(wú)內(nèi)部實(shí)體材料與 工藝結(jié)構(gòu)信息. 因此,目前 3D 打印數(shù)據(jù)處理流程中 的 2D 層面數(shù)據(jù)將逐步轉(zhuǎn)換為采用樣條曲線(xiàn)輪廓 + 光柵網(wǎng)格的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 構(gòu)造樣條曲線(xiàn)輪廓無(wú)損 描述曲面三角形的離散化切片輪廓,且各個(gè)曲線(xiàn)節(jié) 點(diǎn)不僅存儲(chǔ)幾何信息,還存儲(chǔ)包括色彩在內(nèi)的表面 工藝信息,由此實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)信息損失的外輪廓數(shù) 據(jù)表達(dá);采用光柵網(wǎng)格表達(dá)模型內(nèi)部的材料及結(jié)構(gòu) 信息,將基于區(qū)域模型、基于空間域函數(shù)描述梯度材 料以及微工藝結(jié)構(gòu)信息離散化到光柵網(wǎng)格的每個(gè)節(jié) 點(diǎn)上. 由此該層面數(shù)據(jù)可統(tǒng)一描述 3D 打印所需的 全部工藝信息,包括多材料、多色、多尺度工藝結(jié)構(gòu). 

然而, 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(méi)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(lái)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(méi)有應(yīng)用 到實(shí)際的多材料制造系統(tǒng)中. 

3MF 文件 

3MF(3D manufacturing format) 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 SLM Solution 七家非常有實(shí)力的軟硬 件廠商于 2015 年聯(lián)合開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)文件格式,其開(kāi)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(lèi) 型 的 3D 打 印 機(jī). 3MF 是 一 種 基 于 XML (eXtensible markup language)的數(shù)據(jù)文件格式,其中 包括與 3D 制造有關(guān)的數(shù)據(jù)定義,如適用于自定義 數(shù)據(jù)的第三方擴(kuò)展. 3MF 格式為 Windows 8. 1 中對(duì) 3D 打 印 的 支 持, 提 供 了 堅(jiān) 實(shí) 的 基 礎(chǔ), 類(lèi) 似 于 Windows 中 3D 打印的“DNA冶. 應(yīng)用將 3MF 數(shù)據(jù)傳 輸給 Windows,Windows 接著又將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到 3D 打印設(shè)備驅(qū)動(dòng). 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 特性;可擴(kuò)展,以支持三維打印新的創(chuàng)新;互操作性 和開(kāi)放性;實(shí)用、簡(jiǎn)單易懂、易于實(shí)現(xiàn);可以解決其他 廣泛使用的文件格式固有的問(wèn)題. 新的 3D 打印格 式文件“3MF冶已經(jīng)發(fā)行,但是還未大量應(yīng)用. 

 RP 文件

RP 文件格式是由 Deelip Menezes 公司開(kāi)發(fā)的 一種有效并且安全的數(shù)據(jù)文件格式. 3D 打印技術(shù) 使用 STL 文件格式為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換方式,但是 STL 文件格式存在兩大問(wèn)題:文件大和安全性低. STL 文件格式使用低效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法,再加上冗 余數(shù)據(jù)的規(guī)模,使得 STL 文件大大增加,從而導(dǎo)致 傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題,特別是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的傳輸. 大型 STL 文件導(dǎo)致資源浪費(fèi),例如:存儲(chǔ)空間、寬帶以及 時(shí)間. 此外,STL 文件格式?jīng)]有任何內(nèi)置的安全機(jī) 制. 一個(gè) STL 文件通常從 NURBS 模型創(chuàng)建,它被認(rèn) 為是不可能從其底層 NURBS 模型提取 STL 文件. 目前利用高質(zhì)量的逆向工程軟件,會(huì)使得 STL 文件 達(dá)到不可估量的損失. 而 RP 文件格式的開(kāi)發(fā)是以 解決這 2 個(gè)問(wèn)題為目的的.

 1) 解決大小問(wèn)題. RP 文件是來(lái)自于 STL 文件 (ASCII 或二進(jìn)制),它包含與 STL 文件完全相同的 幾何數(shù)據(jù). RP 文件中的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)的壓縮算法 進(jìn)行壓縮,這樣大大減小了文件的大小. 與源文件 STL 的 ASCII 部分相比,RP 文件的大小只有 STL 文 件的 3% . 與源文件 STL 的二進(jìn)制部分相比,RP 文 件的大小只有 STL 文件的 10% . 

2) 解決安全問(wèn)題. RP 文件格式有 2 個(gè)層面的 安全性:文件自身和用戶(hù)層面. 在文件自身方面,RP 使用的是基于最先進(jìn)的加密算法的加密文件. 在用 戶(hù)層面,RP 文件格式可以提供一個(gè)安全可選的用戶(hù)自定義密碼. 從 STL 文件中壓縮并加密后得到的 RP 文件,經(jīng)過(guò)解壓之后的 STL 文件將與初始的 STL 文件一致,不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失. 

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展,3D 打印技術(shù)不斷地走向 成熟,在打印精度與打印材料等方面都有較大提高, 但仍存在一系列問(wèn)題,因此 3D 打印技術(shù)依然擁有 非常大的潛力. 3D 打印整個(gè)制造過(guò)程中涉及大量 的數(shù)字化模型文件的準(zhǔn)備及處理,不同的模型文件 的類(lèi)型對(duì)加工過(guò)程和加工效果均有很大的影響.

 3D 打印過(guò)程中的三維模型數(shù)據(jù)可通過(guò)正向設(shè) 計(jì)和逆向工程等 2 種方式獲得. 3D 打印過(guò)程中的 數(shù)據(jù)文件格式主要分為 2 類(lèi):CAD 三維數(shù)據(jù)文件格 式(STL、IGES、STEP、LEAF、RPI、LMI 等) 和二維層 片文件格式(SLC、CLI、HPGL 等). 出現(xiàn)最早的 STL 文件格式是應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)交換格式,但是 STL 文件格式也有自身的缺點(diǎn):數(shù)據(jù)量極大;在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn) 換過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤;有冗余現(xiàn)象;采用三角形 面片的格式去逼近整個(gè)實(shí)體存在逼近誤差,因此在 實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很多限制. 針對(duì) STL 文件格式存在 的這些缺點(diǎn),新型的數(shù)據(jù)文件格式 AMF、3MF、RP 等 進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)化. 其中,AMF 數(shù)據(jù)文件格式引入 曲面三角形,利用各個(gè)頂點(diǎn)法線(xiàn)或切線(xiàn)方向來(lái)確定 曲面曲率,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理切片時(shí),曲面三角形可進(jìn) 行細(xì)分,由此獲得理想精度. 因此,AMF 格式包含的 工藝信息更全、文件體積更小、模型錯(cuò)誤更少;3MF 數(shù)據(jù)文件格式可以描述一個(gè)模型內(nèi)在和外在的信 息,具有較好的互操作性和開(kāi)放性,簡(jiǎn)單易懂,可用 來(lái)解決其他廣泛使用的文件格式固有的問(wèn)題;RP 文 件中的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)的壓縮算法進(jìn)行壓縮,大大減 小了文件的大小;此外,RP 在文件自身方面使用最 先進(jìn)的加密算法,在用戶(hù)層面使用自定義密碼,大大 提高了文件的安全性. 這是 STL 文件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的. 

結(jié)合 3D 打印的發(fā)展現(xiàn)狀,作者認(rèn)為新型數(shù)據(jù) 文件格式未來(lái)的發(fā)展方向必然是數(shù)據(jù)量小、精度高、 安全性高. 同時(shí),應(yīng)該建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件格 式標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,減少數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換帶來(lái) 的數(shù)據(jù)丟失及錯(cuò)誤等,以此來(lái)提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及 穩(wěn)定性.