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    3D打印技術中的數據文件格式詳解(一)

    如下圖所示,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。

    三維數據文件格式
    1、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3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.也被提出.

        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。

    2、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.

    3、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.

    4、 LEAF 文件
           由Helisinki 理工大學提出文件格式—LEAF,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 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.

    5、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.

    下表為幾種三維數據文件格式的比較.
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