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

與傳統(tǒng)技術(shù)(shù)相比,3D 打印技術(shù)(shù) 具有諸多優(yōu)(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)(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)(shí)現(xiàn) 了能源節(jié)約. 增材制造是多種技術(shù)(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)(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)(gè)制造過(guò)(guò)程中都需要進(jìn)(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 )(huì)直接影 響加工過(guò)(guò)程和加工效果. 因此,研究 3D 打印過(guò)(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)(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)(yōu)缺點(diǎn)(diǎn)進(jìn)(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)(shù)的基礎(chǔ)和 關(guān)(guān)鍵技術(shù)(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)(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)(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)(lái)源 . 3D 打印使用的軟件設(shè)計(jì)方法主要分為實(shí)(shí)體建 模和曲面建模. 實(shí)(shí)體建模一般適用于制造領(lǐng)(lǐng)域和工 業(yè)(yè)設(shè)計(jì),主要是對(duì)形狀規(guī)則的物體進(jìn)(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)(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)(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)(shí)體通過(guò)(guò)相關(guān)(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)(jìn)行后續(xù)創(chuàng )(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)(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)(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)(dòng) 斷 層 掃 描 法[21] . CT 掃描是通過(guò)(guò)逐層掃描物體來(lái)(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)(jìn)行 設(shè)計(jì)優(yōu)(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)(jìn)行優(yōu)(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)(shí), 利用 鼠標(biāo)對(duì)圖像進(jìn)(jìn)行切割,提取外形輪廓,而后進(jìn)(jìn)行相關(guān)(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)(shù)是 1973 年開(kāi)(kāi)始應(yīng)用于醫(yī) 學(xué)(xué)領(lǐng)(lǐng)域的,該技術(shù)(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)(guān)的圖像進(jìn)(jìn)行重現(xiàn)恢復(fù). 自動(dòng)(dòng)斷層掃描法是通過(guò)(guò)對(duì)樣件進(jìn)(jìn)行逐層的機(jī)械式切 削來(lái)(lái)自動(dòng)(dòng)攝取每一層輪廓影像,再通過(guò)(guò)對(duì)輪廓影像 進(jìn)(jìn)行分析來(lái)(lái)提取相應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)。

3D 打印技術(shù)(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)(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)(kāi)發(fā)(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)(shí)體的自由曲面,即它是對(duì)三維模型進(jìn)(jìn) 行三角形網(wǎng)(wǎng)格化,類(lèi)似于有限元中的網(wǎng)(wǎng)格劃分,通過(guò)(guò) 給出三角形法矢量和三角形的 3 個(gè)(gè)頂點(diǎn)(diǎn)坐標(biāo)來(lái)(lái)實(shí)(shí) 現(xiàn).

 STL 文件有 2 種格式來(lái)(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)(jìn)行存儲(chǔ):ASCII 碼格式和二進(jìn)(jìn)制格式. 通過(guò)(guò)保存矢量三角形的相關(guān)(guān) 信息來(lái)(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 )(huì)引起任何信息的丟失.目前,國(guó)際市場(chǎng)(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)(lǐng)域公 認(rèn)的行業(yè)(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(zhù)優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn):輸入文件 廣泛,三維數(shù)據(jù)模型幾乎都可以通過(guò)(guò)三角形面片化 生成 STL 文件;生成方法簡(jiǎn)(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)(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)(diǎn):數(shù)據(jù)量極大;在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn) 換過(guò)(guò)程中有時(shí)(shí)會(huì )(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)(gè)實(shí)(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)(kāi) 發(fā)(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)(guò)處理器的轉(zhuǎn)化 來(lái)(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)(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)(guò)內(nèi)存 中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)(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)(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)(huán)境下,各系統(tǒng)間需要進(jìn)(jìn)行傳遞較多的信息量并 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)(shí)由于并行工程發(fā)(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)(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管 理與共享,實(shí)(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)(guò)人工智能的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)(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)(dòng)規(guī)則 和知識(shí)的能力. 同時(shí)(shí),它將使得多個(gè)(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)(lái)發(fā)(fā)展方向.

 STEP 數(shù)據(jù)文件格式的缺點(diǎn)(diǎn)是其文件中包含許 多 3D 打印技術(shù)(shù)額外的冗余數(shù)據(jù)量. 因此在進(jìn)(jìn)行三 維 CAD 數(shù)據(jù)和 3D 打印技術(shù)(shù)之間的接口轉(zhuǎn)換時(shí)(shí),首 先去除一些冗余信息量,同時(shí)(shí)對(duì)數(shù)據(jù)量進(jìn)(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)(jìn)制 2 種, 其 中, ASCII 格 式 又 分 為 固 定 長(cháng)(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)(jìn)制格式適于對(duì)大容量的文件 進(jìn)(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(cháng)(zhǎng) 的 IGES 格式存放. 由于 IGES 文件是針對(duì)實(shí)(shí)體模型 而生成的圖形數(shù)據(jù)文件,因而其最大的優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)是具有 豐富的圖形信息,如點(diǎn)(diǎn)、線(xiàn)、面的屬性以及各幾何元 素之間的拓?fù)潢P(guān)(guān)系等 . IGES 格式文件雖然是一 個(gè)(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)(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 )(chuàng)建完成后,再轉(zhuǎn)化成 IGES 格式,否則無(wú)(wú)法實(shí)(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)(xué) 提 出 文 件 格 式— LEAF [24] ,是以多層掃描的方式對(duì)模型進(jìn)(jìn)行掃描. LEAF 文件格式是通過(guò)(guò)二叉樹(shù)(shù)形式來(lái)(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)(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)(diǎn)也即是第 1 點(diǎn)(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)(guò)相同的 z 值得 到[34]的. LEAF 文件格式的優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)是獨(dú)立性良好,且 CSG(constructive solid geometry)模型可以用其來(lái)(lái)直 接切片,但其缺點(diǎn)(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)(lián)合開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)設(shè)計(jì),可 從 STL 格式數(shù)據(jù)中獲取. 該文件由實(shí)(shí)體集構(gòu)成,定 義了邊、面片等實(shí)(shí)體類(lèi)型,并將其拓?fù)湫畔⒁胝Z(yǔ)(yǔ)法定義以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)構(gòu)成了實(shí)(shí)體部分. 其中,語(yǔ)(yǔ) 法定義部分包括記錄號(hào)、實(shí)(shí)體名以及實(shí)(shí)體的結(jié)束標(biāo) 志. 由字段組成的記錄存放著(zhù)所有的數(shù)據(jù),每一個(gè)(gè) 記錄都與語(yǔ)(yǔ)法部分相對(duì)應(yīng). 因此,RPI 文件的優(yōu)(yōu)點(diǎn)(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)(diǎn)是后續(xù)處理比較復(fù)雜,且不能識(shí)別近似實(shí)(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)(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(zhù) z 軸方向由一系列內(nèi)外輪 廓包圍形成的小實(shí)(shí)體疊加而成的. SLC 格式使用的 實(shí)(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)(shí)針排序的外邊界與按順時(shí)(shí)針排序 的內(nèi)邊界. 輪廓層是指由實(shí)(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)(diǎn) 間的連線(xiàn). 

該文件格式的優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)是無(wú)(wú)需切片處理即可被 3D 打印系統(tǒng)所接受. 但其缺點(diǎn)(diǎn)是由于其截面輪廓依舊 是對(duì)實(shí)(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)(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)(wèn)題而開(kāi)(kāi)發(fā)(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)(jìn)制碼 2 種格式,它是獨(dú)立 于制造系統(tǒng)與軟件開(kāi)(kāi)發(fā)(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)(lái)進(jìn)(jìn)行描述,通 過(guò)(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)(shí)體模型 . 即疊 加不同層的信息來(lái)(lái)表示三維實(shí)(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)(guò)多義線(xiàn)來(lái)(lái)表征的. 通常,CLI 文件是 STL 文件進(jìn)(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)(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)(shù)和醫(yī)學(xué)(xué) CT,并且在粉末燒結(jié)或激光樹(shù)(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)(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)(yōu)點(diǎn)(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)(kāi)發(fā)(fā);此外,采用 HPGL 文件格式不需進(jìn)(jìn)行切片就 可直接傳輸?shù)?3D 打印系統(tǒng)中進(jìn)(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)(jìn)行的,并且曲線(xiàn)圖元是通過(guò)(guò)對(duì)大 量小線(xiàn)段進(jìn)(jìn)行自動(dòng)(dòng)插補(bǔ)完成的,因此以此為基礎(chǔ)進(jìn)(jìn) 行的加工效率低下,處理耗時(shí)(shí)長(cháng)(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)(fā)揮 3D 打印的優(yōu)(yōu)勢(shì), 2011 年美國(guó)材 料與 試 驗(yàn) 協(xié)(xié) 會(huì )(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)(shí)技術(shù)(shù)中的 x3d( extensible 3D format)等文件格式, 采用點(diǎn)(diǎn)線(xiàn)面柱體的表達(dá)形式表示實(shí)(shí)體幾何屬性,并 將材料屬性添加到點(diǎn)(diǎn)、面或體上,采用匯編語(yǔ)(yǔ)言進(jìn)(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)(diǎn),同時(shí)(shí)引入了 曲面三角形、顏色貼圖、異質(zhì)(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)(gè)頂點(diǎn)(diǎn)法線(xiàn)或切 線(xiàn)方向來(lái)(lái)確定曲面曲率的,在進(jìn)(jìn)行數(shù)據(jù)處理切片時(shí)(shí), 曲面三角形可進(jìn)(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)(guò)空間點(diǎn)(diǎn)坐標(biāo)公式來(lái)(lái)表述 的,按常數(shù)比例混合的材料即為均質(zhì)(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)(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)(guò)程中使用起來(lái)(lái) 更加方便,模型設(shè)計(jì)過(guò)(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)(shí)體內(nèi)部材料、工藝 結(jié)構(gòu)特征信息的實(shí)(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)(guò)程也將發(fā)(fā)生大幅度的更改. STL 文件 數(shù)據(jù)處理最核心的環(huán)(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)(huán)來(lái)(lái)指示實(shí)(shí)體 的邊界,所以損失了輪廓精度,且無(wú)(wú)內(nèi)部實(shí)(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)(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)(wú)損 描述曲面三角形的離散化切片輪廓,且各個(gè)(gè)曲線(xiàn)節(jié) 點(diǎn)(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)(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)(wú)信息損失的外輪廓數(shù) 據(jù)表達(dá);采用光柵網(wǎng)(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)(wǎng)格的每個(gè)(gè)節(jié) 點(diǎn)(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)(méi)有出 現(xiàn)能支持 AMF 格式完整功能的相關(guān)(guān)設(shè)計(jì)工具,無(wú)(wú)法 提供全工藝信息的數(shù)據(jù)來(lái)(lái)源,3D 打印軟件也無(wú)(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)(wǎng)絡(luò )(luò)上供研究者們討論與完善,目前并沒(méi)(méi)有應(yīng)用 到實(shí)(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)(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)(shí)力的軟硬 件廠(chǎng)商于 2015 年聯(lián)(lián)合開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)的數(shù)據(jù)文件格式,其開(kāi)(kāi)發(fā)(fā) 是以改變 STL 文件難以適應(yīng)現(xiàn)有 3D 打印發(fā)(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)(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)(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)(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(zhù)又將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到 3D 打印設(shè)備驅(qū)動(dòng)(dòng). 3MF 格式具有以下的優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn):可以描 述一個(gè)(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 )(chuàng)新;互操作性 和開(kāi)(kāi)放性;實(shí)(shí)用、簡(jiǎn)(jiǎn)單易懂、易于實(shí)(shí)現(xiàn);可以解決其他 廣泛使用的文件格式固有的問(wèn)(wèn)題. 新的 3D 打印格 式文件“3MF冶已經(jīng)(jīng)發(fā)(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)(kāi)發(fā)(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)(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)(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)(wèn)題,特別是通過(guò)(guò)互聯(lián)(lián)網(wǎng)(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)(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)(gè) STL 文件通常從 NURBS 模型創(chuàng )(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)(zhì)量的逆向工程軟件,會(huì )(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)(kāi)發(fā)(fā)是以 解決這 2 個(gè)(gè)問(wèn)(wèn)題為目的的.

 1) 解決大小問(wèn)(wèn)題. RP 文件是來(lái)(lái)自于 STL 文件 (ASCII 或二進(jìn)(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)(jìn)的壓縮算法 進(jìn)(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)(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)(wèn)題. RP 文件格式有 2 個(gè)(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)(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)(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)(jīng)過(guò)(guò)解壓之后的 STL 文件將與初始的 STL 文件一致,不會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失. 

4 結(jié)論與展望

經(jīng)(jīng)過(guò)(guò) 20 多年的發(fā)(fā)展,3D 打印技術(shù)(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)(wèn)題,因此 3D 打印技術(shù)(shù)依然擁有 非常大的潛力. 3D 打印整個(gè)(gè)制造過(guò)(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)(guò)程和加工效果均有很大的影響.

 3D 打印過(guò)(guò)程中的三維模型數(shù)據(jù)可通過(guò)(guò)正向設(shè) 計(jì)和逆向工程等 2 種方式獲得. 3D 打印過(guò)(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)(diǎn):數(shù)據(jù)量極大;在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn) 換過(guò)(guò)程中有時(shí)(shí)會(huì )(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)(gè)實(shí)(shí)體存在逼近誤差,因此在 實(shí)(shí)際應(yīng)用中會(huì )(huì)有很多限制. 針對(duì) STL 文件格式存在 的這些缺點(diǎn)(diǎn),新型的數(shù)據(jù)文件格式 AMF、3MF、RP 等 進(jìn)(jìn)行了相關(guān)(guān)的優(yōu)(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)(gè)頂點(diǎn)(diǎn)法線(xiàn)或切線(xiàn)方向來(lái)(lái)確定 曲面曲率,在進(jìn)(jìn)行數(shù)據(jù)處理切片時(shí)(shí),曲面三角形可進(jìn)(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)(gè)模型內(nèi)在和外在的信 息,具有較好的互操作性和開(kāi)(kāi)放性,簡(jiǎn)(jiǎn)單易懂,可用 來(lái)(lái)解決其他廣泛使用的文件格式固有的問(wèn)(wèn)題;RP 文 件中的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)(jìn)的壓縮算法進(jìn)(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)(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)(wú)法實(shí)(shí)現(xiàn)的. 

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