詳解3D打印常見數據格式

魔猴君  知識堂   2814天前

3D 打印技術誕生于 19 世紀末,隨著科學技術的不斷發展,在汽車、航空航天、醫療、軍工、藝術設計、建筑等方面均有著廣闊的應用價值及前景. 在世界各國家和地區,3D 打印技術已受到廣泛關注,并取得長足的發展. 2013 年,中國科技部在《3D 打印技術發展綜述報告》中指出將支持3D 打印相關的設計方法研究,并將其作為未來 5 年的技術方向和重點之一,該技術被提升到國家戰 略性發展規劃中. 3D 打印技術作為快速成型技術的一種,也被 稱為增材制造( additive manufacturing,AM) ,是先 進制造技術的重要組成部分. 該技術以數字化模型文件為基礎,通過逐層打印、層層累積的策略來 制造三維實體 . 

與傳統技術相比,3D 打印技術 具有諸多優勢. 首先,數字化的成型基礎可省去多 種傳統制造步驟,從而減少制造時間,拓寬設計空 間;其次,增材制造的方式避免了材料浪費,實現 了能源節約. 增材制造是多種技術的統稱,根據使用材料的 不同 可 分 為 以 下 幾 種: 熔 融 沉 積 制 造 ( fused deposition modeling, FDM ) 、 選 區 激 光 燒 結 ( selective laser sintering, SLS )  、 疊 層 制 造 (laminated object manufacturing,LOM)  、光固化成 型(stereolithograph apparatus,SLA) 和選區激光熔 化(selective laser melting,SLM)  等. 由于所有技 術工藝均以數字化模型文件為基礎,在 3D 打印的 整個制造過程中都需要進行大量的數字化模型文件 的準備及處理,所以,不同的數據文件格式會直接影 響加工過程和加工效果. 因此,研究 3D 打印過程中 的數據文件格式是十分必要的. 這里主要介紹了 3D 打印過程中的數據文件格 式,包括三維數據文件格式( STL、IGES、STEP)、二 維層片文件格式(SLC、CLI、HPGL)以及新型的數據 文件格( 式AMF、3MF、RP),并對其各自的優缺點進 行了分析和比較。

三維模型數據的獲取 

三維數據模型的獲取是 3D 打印技術的基礎和 關鍵技術之一,目前獲取三維模型的方式主要有正 向設計數據和逆向工程數據. 2. 1 正向設計數據 正向設計是指通過三維設計軟件進行的設計, 這是最重要、應用最廣泛的數據來源 . 3D 打印使用的軟件設計方法主要分為實體建 模和曲面建模. 實體建模一般適用于制造領域和工 業設計,主要是對形狀規則的物體進行建模,對于形 狀不規則的、精細的、復雜的設計有些不能很好的勝 任,如設計復雜的動漫形象;而曲面建模正好相反. 目前一般的設計軟件都是綜合這 2 種建模方法來得 到最理想的設計效果. 使用較多的三維設計軟件主 要 有AutoCAD、 Catia、 Delcam、 Pro / E、 Solidedge、 MDT、UG 等 .

逆向工程數據 

逆向工程(reverse engineering,RE)是將目標三 維實體通過相關的數據采集轉變為概念模型,并在 此基礎上進行后續創作,又稱反向工程或反求工程. 逆向工程主要包括:采集數據、處理數據、重構曲面和三維建模. 首先處理采集到的數據,而后對 處理完的有限點云數據進行曲面重構和三維建模. 數據采集的主要方法包括:三坐標測量儀法 、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 斷 層 掃 描 法[21] . CT 掃描是通過逐層掃描物體來獲取截面數 據的. 而后將 CT 掃描得到的 DICOM 數據導入 Mimics、Geomagic、Imageware、Surfacer 等軟件中進行 設計優化,最后根據所建模型的用途輸出相應的格 式文件. 利用 Surfacer 軟件進行優化設計時, 利用 鼠標對圖像進行切割,提取外形輪廓,而后進行相關 的設計處理,最終輸出相應的數據文件格式,一般為 STL 格式. 核磁共振技術是 1973 年開始應用于醫 學領域的,該技術主要是基于拉莫爾定理,從測得的 信號中對某種參數及其相關的圖像進行重現恢復. 自動斷層掃描法是通過對樣件進行逐層的機械式切 削來自動攝取每一層輪廓影像,再通過對輪廓影像 進行分析來提取相應的輪廓數據。

3D 打印技術中的數據文件格式 

如圖所示,3D 打印中的數據文件格式主要分 為 2 類: CAD 三維數據文件格式和二維層片文件格 式. CAD 三 維 數 據 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 間數據交換的文件格式, 并且得到了廣泛的應用. 目前,3D 打印系統大部分 都是基于 STL 格式設計的。

除此之外,為了更真實地描述 3D 打印模型,新 型的數據文件格式 AMF( additive manufacturing file format) 、3MF(3D manufacturing format) 、RP 等 也被提出。

三維數據文件格式

STL 文件

STL 數據文件格式是一種三維面片型的數據文件格式, 3D Systems 公司研究開發了該數據文件格式,其基本原理是采用小三角形面片(如圖 所示) 去逼近三維實體的自由曲面,即它是對三維模型進 行三角形網格化,類似于有限元中的網格劃分,通過 給出三角形法矢量和三角形的 3 個頂點坐標來實 現.

 STL 文件有 2 種格式來對數據進行存儲:ASCII 碼格式和二進制格式. 通過保存矢量三角形的相關 信息來確保文件的通用性,并且這 2 種文件格式間 的相互轉換不會引起任何信息的丟失.目前,國際市場上的大多數 CAD 軟件幾乎都配 有 STL 數據文件接口,該文件也是大多數快速成型 系統使用最多的數據接口格式,它已成為該領域公 認的行業標準.

 STL 文件作為目前 3D 打印中應用 最廣的數據接口格式,具有以下顯著優點:輸入文件 廣泛,三維數據模型幾乎都可以通過三角形面片化 生成 STL 文件;生成方法簡單,大部分三維設計軟 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:數據量極大;在數據的轉 換過程中有時會出現錯誤;有冗余現象;由于是采用 三角形面片的格式去逼近整個實體,因此存在逼近誤差。

STEP 文件 

以 PDES ( product data representation and exchange systems) 為基礎,國際標準化組織的 TC / 184SC / 14 工 作 研 究 開 發 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、數據庫交換方式、基于知識庫的交 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,有專門的格式規定,采用 ASCII 碼格式,通過處理器的轉化 來完成各系統間相應的數據交換. 由于各系統大都 使用統一的數據模型,因此,模型與文件之間相應的 轉化程序比較簡單.

 2) 工作格式交換方式 它是把需要處理的數據置于內存中,通過內存 中的數據管理系統,對其進行集中處理,這種方式減 輕了設計人員的工作負擔,同時保證了運行速度. 

3) 數據庫交換方式 在 計 算 機/ 現 代 集 成 制 造 系 統 ( computer/ contemporary integrated manufacturing systems,CIMS) 的環境下,各系統間需要進行傳遞較多的信息量并 且結構復雜,同時由于并行工程發展的需要,使得數 據庫交換方式應運而生. 此外,通過對數據庫的管 理與共享,實現數據的處理. 

4) 基于知識庫的交換方式 該方式主要是通過人工智能的方式對數據進行 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,而且還具備驅動規則 和知識的能力. 同時,它將使得多個數據庫系統間 的集成更易管理,這將是數據交換的未來發展方向.

 STEP 數據文件格式的缺點是其文件中包含許 多 3D 打印技術額外的冗余數據量. 因此在進行三 維 CAD 數據和 3D 打印技術之間的接口轉換時,首 先去除一些冗余信息量,同時對數據量進行壓縮并 且加入拓撲信息等.

 IGES 文件

IGES 文件作為標準圖形交換格式己列入 ISO 標準,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 和二進制 2 種, 其 中, ASCII 格 式 又 分 為 固 定 長 ASCII 格式和壓縮 ASCII 格式. ASCII 格式的 IGES 文件閱讀方便,而二進制格式適于對大容量的文件 進行處理. IGES 文件標準定義的 ASCII 格式,涵蓋 通信和工程特性所必須的數據,并且獨立于 CAD 系 統. 目前,三維模型的幾何信息一般是以固定行長 的 IGES 格式存放. 由于 IGES 文件是針對實體模型 而生成的圖形數據文件,因而其最大的優點是具有 豐富的圖形信息,如點、線、面的屬性以及各幾何元 素之間的拓撲關系等 . IGES 格式文件雖然是一 個通用標準,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雜;不支持面片格 式的描述;若三維實體模型需設立支撐結構,則其支撐結構必須先在 CAD 系統內創建完成后,再轉化成 IGES 格式,否則無法實現. 因此與 STL 格式文件相 比,采用 IGES 格式文件,工藝規劃較為煩瑣. 

LEAF 文件 

由 Helisinki 理 工 大 學 提 出 文 件 格 式— LEAF [24] ,是以多層掃描的方式對模型進行掃描. 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(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,多義線和二維實體構成了最終層信息. 多義線 是由連續的直線段連接而成的,并且為封閉的有序 鏈,其最后一點也即是第 1 點. 同一層的子對象繼 承了相應的父對象特性,并且是通過相同的 z 值得 到[34]的. LEAF 文件格式的優點是獨立性良好,且 CSG(constructive solid geometry)模型可以用其來直 接切片,但其缺點是結構非常復雜,不能直接導入 3D 打印系統.

RPI 文件 

RPI 文件格式是由 Rensselacer Desaearch Centre 與 Rensselar Polytechnic Institute 聯合開發設計,可 從 STL 格式數據中獲取. 該文件由實體集構成,定 義了邊、面片等實體類型,并將其拓撲信息引入語法定義以及對應的數據構成了實體部分. 其中,語 法定義部分包括記錄號、實體名以及實體的結束標 志. 由字段組成的記錄存放著所有的數據,每一個 記錄都與語法部分相對應. 因此,RPI 文件的優點 是冗余性好、結構緊湊,并且提供了基本 CSG 描述, 但其缺點是后續處理比較復雜,且不能識別近似實 體的曲面. 表 1 為幾種三維數據文件格式的比較.

 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據而提出的一種數據 存儲的文件格式. 該文件格式可以通過多種途徑得 到,三維模型、表面模型、CT 掃描機掃描獲得的數據 都可以轉換成 SLC 格式數據模型存儲. SLC 數據模 型對三維模型的輪廓表達采用的是 2.5D 模式,最 終形成的三維模型是沿著 z 軸方向由一系列內外輪 廓包圍形成的小實體疊加而成的. SLC 格式使用的 實體有輪廓邊界、輪廓層、直線段和多義線. 其中輪 廓邊界是指按逆時針排序的外邊界與按順時針排序 的內邊界. 輪廓層是指由實體材料的內外邊界線所 組成的部分. 直線段指的是位于二維平面上的 2 點 間的連線. 

該文件格式的優點是無需切片處理即可被 3D 打印系統所接受. 但其缺點是由于其截面輪廓依舊 是對實體截面的一種近似,因此精度不高. 此外,它 的計算較復雜、文件龐大、生成費時。

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 文件格式的接口問題而開發的. 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 碼和二進制碼 2 種格式,它是獨立 于制造系統與軟件開發的,部分獨立于應用程序. CLI 文件是利用層、輪廓、填充線等來進行描述,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)疊加而成的三維實體模型 . 即疊 加不同層的信息來表示三維實體模型,與 SLC 文件 相似,每層都是由內外輪廓線構成,并且有一定的厚 度. 內外輪廓線是通過多義線來表征的. 通常,CLI 文件是 STL 文件進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格式. 與 STL 文件不同的是,CLI 文件是對二維層片信息進 行描述的,因此文件中具有較少且單一的錯誤類型. 此外,CLI 的文件規模遠小于 STL 文件. CLI 格式廣泛應用于分層制造技術和醫學 CT,并且在粉末燒結或激光樹脂層加工等快速成型系統 中得到應用. 但是由于 CLI 文件格式把直線段作為 基本描述單元,因而降低了輪廓精度,并且零件無法 重新定向.

 HPGL 文件 

HPGL( Hewlett-Packard graphics language) 文件 格式是繪圖儀的一種標準數據文件格式,它也屬于 二維的數據類型,包括樣條線、文本、曲線、圓等信 息. 該文件格式的突出優點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;此外,采用 HPGL 文件格式不需進行切片就 可直接傳輸到 3D 打印系統中進行快速制造.

 由于該文件對圖形元素的排放是按照繪圖人員 設計的先后順序進行的,并且曲線圖元是通過對大 量小線段進行自動插補完成的,因此以此為基礎進 行的加工效率低下,處理耗時長. 

表 2 為幾種二維層片格式文件的比較

新型的數據文件格式

 AMF 文件 

為了充分發揮 3D 打印的優勢, 2011 年美國材 料與 試 驗 協 會 ( 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似于虛擬現 實技術中的 x3d( extensible 3D format)等文件格式, 采用點線面柱體的表達形式表示實體幾何屬性,并 將材料屬性添加到點、面或體上,采用匯編語言進行代碼描述. 該類方法是將材料屬性添加到設計階 段,文件占用的存儲空間較大. 與 STL 文件格式相 比,AMF 克服了其精度不高、數據冗余大、工藝信息 缺失、文件體積龐大、讀取緩慢等缺點,同時引入了 曲面三角形、顏色貼圖、異質材料、功能梯度材料、微 結構、排列方位等高級概念. 其中,曲面三角形能夠 大幅提升模型的精度,其是利用各個頂點法線或切 線方向來確定曲面曲率的,在進行數據處理切片時, 曲面三角形可進行細分,便于獲得理想精度. 不同 區域的材料成分表達是通過空間點坐標公式來表述 的,按常數比例混合的材料即為均質材料,按坐標值 線性變化的比例即為梯度材料,還可表達非線性梯 度材料. 當材料比例被賦為“0冶時,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、模型錯誤更少,使得 3D 打印過程中使用起來 更加方便,模型設計過程也更加輕松.

STL 模型不適用于多色、多材料、多尺度工藝結 構的 3D 打印,而 AMF 能表述實體內部材料、工藝 結構特征信息的實體模型. 與此對應,傳統 3D 打印 的數據處理過程也將發生大幅度的更改. STL 文件 數據處理最核心的環節是離散分層切片,由于切片 結果為連續小線段組成的一系列輪廓環來指示實體 的邊界,所以損失了輪廓精度,且無內部實體材料與 工藝結構信息. 因此,目前 3D 打印數據處理流程中 的 2D 層面數據將逐步轉換為采用樣條曲線輪廓 + 光柵網格的混合數據結構. 構造樣條曲線輪廓無損 描述曲面三角形的離散化切片輪廓,且各個曲線節 點不僅存儲幾何信息,還存儲包括色彩在內的表面 工藝信息,由此實現高精度、無信息損失的外輪廓數 據表達;采用光柵網格表達模型內部的材料及結構 信息,將基于區域模型、基于空間域函數描述梯度材 料以及微工藝結構信息離散化到光柵網格的每個節 點上. 由此該層面數據可統一描述 3D 打印所需的 全部工藝信息,包括多材料、多色、多尺度工藝結構. 

然而, 由于 AMF 模型文件的設計與傳統僅僅 表達幾何外形的設計方法差異較大,目前還沒有出 現能支持 AMF 格式完整功能的相關設計工具,無法 提供全工藝信息的數據來源,3D 打印軟件也無法對 AMF 文件的全部信息予以支持. 該文件格式被放置 在網絡上供研究者們討論與完善,目前并沒有應用 到實際的多材料制造系統中. 

3MF 文件 

3MF(3D manufacturing format) 文件格式是由 3MF 的聯盟-微軟、惠普、Shapeways、歐特克、達索系統、netfabb 和 SLM Solution 七家非常有實力的軟硬 件廠商于 2015 年聯合開發的數據文件格式,其開發 是以改變 STL 文件難以適應現有 3D 打印發展需要 的現狀為目的的. 3MF 能夠更好地描述 3D 打印模 型,可用于多種應用、不同平臺、不同的服務以及不 同類 型 的 3D 打 印 機. 3MF 是 一 種 基 于 XML (eXtensible markup language)的數據文件格式,其中 包括與 3D 制造有關的數據定義,如適用于自定義 數據的第三方擴展. 3MF 格式為 Windows 8. 1 中對 3D 打 印 的 支 持, 提 供 了 堅 實 的 基 礎, 類 似 于 Windows 中 3D 打印的“DNA冶. 應用將 3MF 數據傳 輸給 Windows,Windows 接著又將這些數據轉到 3D 打印設備驅動. 3MF 格式具有以下的優點:可以描 述一個模型的內在和外在的信息、顏色以及其他的 特性;可擴展,以支持三維打印新的創新;互操作性 和開放性;實用、簡單易懂、易于實現;可以解決其他 廣泛使用的文件格式固有的問題. 新的 3D 打印格 式文件“3MF冶已經發行,但是還未大量應用. 

 RP 文件

RP 文件格式是由 Deelip Menezes 公司開發的 一種有效并且安全的數據文件格式. 3D 打印技術 使用 STL 文件格式為標準的數據交換方式,但是 STL 文件格式存在兩大問題:文件大和安全性低. STL 文件格式使用低效的數據存儲方法,再加上冗 余數據的規模,使得 STL 文件大大增加,從而導致 傳輸數據的問題,特別是通過互聯網的傳輸. 大型 STL 文件導致資源浪費,例如:存儲空間、寬帶以及 時間. 此外,STL 文件格式沒有任何內置的安全機 制. 一個 STL 文件通常從 NURBS 模型創建,它被認 為是不可能從其底層 NURBS 模型提取 STL 文件. 目前利用高質量的逆向工程軟件,會使得 STL 文件 達到不可估量的損失. 而 RP 文件格式的開發是以 解決這 2 個問題為目的的.

 1) 解決大小問題. RP 文件是來自于 STL 文件 (ASCII 或二進制),它包含與 STL 文件完全相同的 幾何數據. RP 文件中的數據采用先進的壓縮算法 進行壓縮,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 的二進制部分相比,RP 文 件的大小只有 STL 文件的 10% . 

2) 解決安全問題. RP 文件格式有 2 個層面的 安全性:文件自身和用戶層面. 在文件自身方面,RP 使用的是基于最先進的加密算法的加密文件. 在用 戶層面,RP 文件格式可以提供一個安全可選的用戶自定義密碼. 從 STL 文件中壓縮并加密后得到的 RP 文件,經過解壓之后的 STL 文件將與初始的 STL 文件一致,不會產生數據的丟失. 

4 結論與展望

經過 20 多年的發展,3D 打印技術不斷地走向 成熟,在打印精度與打印材料等方面都有較大提高, 但仍存在一系列問題,因此 3D 打印技術依然擁有 非常大的潛力. 3D 打印整個制造過程中涉及大量 的數字化模型文件的準備及處理,不同的模型文件 的類型對加工過程和加工效果均有很大的影響.

 3D 打印過程中的三維模型數據可通過正向設 計和逆向工程等 2 種方式獲得. 3D 打印過程中的 數據文件格式主要分為 2 類:CAD 三維數據文件格 式(STL、IGES、STEP、LEAF、RPI、LMI 等) 和二維層 片文件格式(SLC、CLI、HPGL 等). 出現最早的 STL 文件格式是應用最廣泛的數據交換格式,但是 STL 文件格式也有自身的缺點:數據量極大;在數據的轉 換過程中有時會出現錯誤;有冗余現象;采用三角形 面片的格式去逼近整個實體存在逼近誤差,因此在 實際應用中會有很多限制. 針對 STL 文件格式存在 的這些缺點,新型的數據文件格式 AMF、3MF、RP 等 進行了相關的優化. 其中,AMF 數據文件格式引入 曲面三角形,利用各個頂點法線或切線方向來確定 曲面曲率,在進行數據處理切片時,曲面三角形可進 行細分,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、模型錯誤更少;3MF 數據文件格式可以描述一個模型內在和外在的信 息,具有較好的互操作性和開放性,簡單易懂,可用 來解決其他廣泛使用的文件格式固有的問題;RP 文 件中的數據采用先進的壓縮算法進行壓縮,大大減 小了文件的大小;此外,RP 在文件自身方面使用最 先進的加密算法,在用戶層面使用自定義密碼,大大 提高了文件的安全性. 這是 STL 文件無法實現的. 

結合 3D 打印的發展現狀,作者認為新型數據 文件格式未來的發展方向必然是數據量小、精度高、 安全性高. 同時,應該建立一個統一的數據文件格 式標準,實現數據共享,減少數據文件格式轉換帶來 的數據丟失及錯誤等,以此來提高產品的質量以及 穩定性.