第5章 快速成型的数据处理

1、第第5 5章快速成型的数据处理章快速成型的数据处理第5章快速成型的数据处理5.1概述5.2快速成型的数据来源5.3快速成型的数据接口5.4快速成型软件的分层数据处理5.4.1STL模型的检验与修复5.4.2Magics软件5.4.3工艺处理5.4.4三维模型的分层处理5.4.5层片扫描路径5.1概述快速成型是从零件的CAD模型或其它数据模型出发，用分层处理软件将三维数据模型离散成截面数据，输送到快速成型系统的过程，其数据处理流程见图5-1所示。从CAD系统、反求工程、CT或MRI获得的几何数据以快速成型分层软件能接受的数据格式保存，分层软件通过对三维模型的工艺处理、STL文件的处理、层片文件处

2、理等生成各层面扫描信息，然后以RP设备能够接受的数据格式输出到相应的快速成型机。5.1概述图5-1快速成型的数据处理流程5.2快速成型的数据来源1.三维CAD模型 是一种最重要、应用最广泛的数据来源。 由三维造型软件生成产品的三维CAD模型或实体模型，然后对实体模型或表面模型直接分层得到精确地截面轮廓。 最常用的方法是将CAD实体模型先转换成三角网络模型（STL文件），然后分层得到加工路径。 STL格式是快速成型行业公认的标准文件格式，现在商用的CAD软件均带有STL文件的输出功能模块，且快速成型设备大多是基于STL文件进行操作。2.逆向工程数据这种数据来源于通过逆向工程对已有零件进行数字化。

3、利用逆向测量设备采集零件表面点的数据，形成零件的表面数据点。这些表面数据点的处理方法有两种：一种是对数据点进行三角化生成STL文件，然后进行分层数据处理；另一种是对数据点直接进行分层数据处理。3.医学/体素数据通过人体断层扫描CT和核磁共振MRI获得的数据都是三维的即物体内部和表面都有数据。这种数据一般要经过三维CAD模型的重构、分层处理后，才能进行成型加工。5.3快速成型的数据接口1.三维面片模型格式2.CAD三维数据格式3.二维层片数据格式5.3.1数据接口格式1.三维面片模型格式图5-2三角面片三维面片模型格式主要有STL格式和CFL格式，STL格式是所有RP系统用得最多的数据转换格式。

4、 三维面片模型就是用小三角面片去逼近自由曲面。STL文件就是对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角形网络化得到的。 STL是一种用许多空间三角形小平面来逼近原CAD实体的数据模型，这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片。不同精度时有不同的三角形网格划分。STI 文件中每个三角形面片有4个数据项表示，即三角形的3个顶点坐标和三角形面片的外法线矢量，STL文件是多个三角形面片的集合，数据结构非常简单，而且与CAD系统无关。 STL文件只是无序地列出构成实体表面的所有三角形的几何信息，不包含任何三角形之间的拓扑邻接信息。然而，在许多基于STL的应用系统中，建立三角面片之间的拓扑关系是十分必要的

5、。 STL文件格式优点： 1）数据格式简单，分层处理方便，与具体CAD系统无关。 2）与原CAD模型的近似度高。 3）具有三维几何信息，模型用三角面片表示，三角面片可直接作为有限元分析的网格。 4）为几乎所有的RP设备所接受，已成为行业公认的RP数据转换标准。 缺点： 1）只是三维模型的近似描述，造成一定的精度损失 2）不含CAD拓扑关系 3）文件含有大量的冗余数据 4）模型易产生重叠面、孔洞、法向量和交叉面等错误和缺陷 5）必须经过分层处理 6）欲提高模型精度，需重新生成模型。2.CAD三维数据格式有实体模型格式IGES和表面模型格式DXF两种，和STL相比，能精确表示CAD模型，为大多CA

6、D系统支持，但：1）转换数据时定义的数据会部分丢失，不能完全精确地转换数据2）不能把两个零件的信息放在同一个文件中3）产生的数据量太大4）必须经过分层5）难以对模型自动加支撑。3.二维层片数据格式包括：CLI、SLC只是STL文件的补充，是一种中性文件，与RP设备和工艺无关，它的出现使三维模型与RP设备之间的联系更丰富，对逆向工程与RP技术的集成具有重要的意义。与STL文件相比的优点：1）大大降低了文件数据量2）由于直接在CAD系统内分层模型精度大大提高3）省略了STL分层，降低了RP系统的前处理时间4）因是二维文件，错误较少、无需复杂的检验和修复程序5）可从某些反求工程CT、MRI中得到。

7、与STL文件相比，缺点： 1）不宜添加支撑 2）零件无法重新定位、无法旋转 3）对设计者要求更高，因为加支撑、选择最优的成型方向均要在分层之前在CAD系统内有设计者完成。 4）分层厚度固定，这对某些RP系统不太合适。5.3.2STL文件1.STL文件格式2.STL文件的规范3.STL文件的精度1. STL文件格式 STL文件有ASCII文件格式及二进制文件格式两种形式。 ASCII文件格式的特点是能被人工识别并修改，但因该格式的文件占用空间太大，主要用来调试程序。采用四个数据项表示一个三角形面片，即三角形的三个顶点坐标和三角形面片的外法线矢量 二进制STL文件用固定的字节数来给出三角面片的几何

8、信息。用80字节的头文件和50字节的后述文件来描述一个三角形。2.STL文件的规范图5-3共顶点规则1）取向原则 每个小三角面片的法矢量必须由内部指向外部，小三角面片三个顶点排列的顺序同法矢量，符合右手法则。2）共顶点原则 相邻的两个小三角面片只能共享两个顶点，即一个顶点不能落在相邻的任何一个小三角面片的边上。2.STL文件的规范3）取值原则 STL文件的所有顶点坐标都必须是正的，及STL模型必须落在第一象限。4）充满原则 在STL模型的所有表面必须不满小三角面片。3.STL文件的精度图5-4自由曲面的三角形面片逼近 STL文件是三维实体模型经过三角网络化处理之后得到的数据文件，它将实体表面离

9、散化成大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三维实体模型。逼近的精度通常由曲面到三角形平面的距离误差或是曲面到三角形边的弦高差控制。 误差越小，所需的三角形面片数量越多，形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。但精度的提高会使STL文件变大，同时分层处理的时间将显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小直线段，不利于轮廓的扫描运动，导致表面不光滑且成型效率降低。 所以，从CAD软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数应根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进行综合考虑。5.3.3CLI文件CLI文件是目前快速成型设备普遍接受的一种数据接口文件，它是三维模型分层后加工路径的

10、数据文件存储格式。CLI文件是一种简单、高效。无二义性的RP系统输入格式，有二进制和文本两种格式。 CLI文件包含有分层信息、轮廓描述和填充线数据。轮廓定义了实体区域的边界，它必须是封闭的，没有自相交或与其他轮廓线相交的现象。填充线是一系列直线，有一个起点和一个终点来定义。CLI文件主要由头文件和几何数据两部分组成。头文件主要记录计量单位、文件创建日期、总层数及用户数据。几何数据部分主要记录用于描述二维截面的层、描述多边形轮廓线的多线段、填充线等数据单元。5.4快速成型软件的分层数据处理快速成型的分层数据处理包括对三维模型的工艺处理、STL文件的处理、层片文件处理。其中STL文件的处理、层片文

11、件处理部分主要考虑离散、堆积过程中的离散过程，他们将各种三维几何实体或表面模型转化为RP设备所能接受的分层格式并作相应处理。工艺处理与具体的RP工艺、材料及相应的零件后处理过程密切相关，根据具体工艺和材料的不同要求，工艺处理也有较大的不同。5.4.1STL模型的检验与修复快速成型工艺对STL文件的正确性和合理性有较高的要求，主要是要保证STL模型无裂缝、空洞、悬面、重叠面和交叉面，如果不纠正这些错误，会造成分层后出现不封闭的环和歧义现象。错误原因的查找和自动修复一直是快速造型软件领域研究的一个重要方向。在快速成型制造领域常见的STL文件错误主要有：1)间隙错误(或称裂纹，空洞)，如图5-5a所

12、示。由三角面片的丢失引起的。当CAD模型的表面有较大曲率的曲面相交时，在曲面的相交部分会出现三角面片的丢失而造成空洞。2)法向量错误，如图5-5b所示。这是进行STL格式转换时，未按正确的顺序右手法则排列构成三角形的顶点而导致计算错误，所得法向量的方向没有指向外部。3)顶点错误，如图5-3b所示， 即三角形的顶点落在另一三角形的某条边上，使得两个相邻三角形只共享了一个点，违背了STL文件的共点原则。5.4.1STL模型的检验与修复图5-5STL文件的常见错误4)重叠和分离错误，如图5-5c所示。主要由三角形顶点计算时的舍入误差造成的5)面片退化，如图5-5d所示。是指小三角面片的三条边共线。常

13、发生在曲率剧烈变化的两相交曲面的相交线附近，主要由CAD软件的三角网络化算法不完善造成的。6)拓扑信息的紊乱。主要由某些细微特征在三角网络化时的圆整造成的。出现图5-6三种STL文件不允许的情况，STL文件必须重建。6)拓扑信息的紊乱。图5-6紊乱的拓扑信息 STL文件出现的许多问题往往来源于CAD模型中存在的一些问题，对于一些较大的问题，如空洞、多面片丢失、较大的体自交，最好返回CAD系统处理。对一些较小的问题可采用快速成型数据处理软件提供的自动修复功能，不用回到CAD系统重新输出，这样可节约时间，提高工作效率。 这里重点介绍比利时Materialise N.V.公司开发的Magics软件，

14、它能提供对STL文件强大的编辑、修复功能。下面介绍其对STL文件的编辑和处理过程。5.4.2Magics软件Magics软件是全球著名的STL处理平台，有一整套基于STL的解决方案。Magics RP功能：1)对STL文件的浏览，测量和操作。2)修改STL文件，组装壳体，切片分析。3)对STL文件进行分割，冲孔。4)布尔运算，生成中心腔体。5)生成引用文件，以及进行时间分析。6)进行表面缺陷及零件冲突的检测。STL文件修改工具，可以在两种层次上修改零件：对零件的全局性修改和局部性修改。全局性修改针对的是整个零件，是完全自动的，并能自动修复STL文件面片的矢量错误、间隙、空洞、重叠面、面片的交叉

15、等错误局部性修改是手动逐一修改经自动修改后仍存在的残留错误，当所有的坏三角形和边都修复完成后，零件将成为一个连贯的整体。软件对STL文件面片错误修改的主要步骤：1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析2.自动修复法向错误3.自动修复损坏的边界4.修改残留错误1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析图5-7打开STL文件1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析图5-8零件显示菜单1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析图5-9可视化后的模型1.导入零件的STL数据文件，对STL模型进行分析图5-10对STL文件错误进行诊断的对话框1.导入零件的STL数据文

16、件，对STL模型进行分析图5-11对STL文件错误诊断分析结果2.自动修复法向错误图5-12对STL文件法向错误进行自动修复的对话框2.自动修复法向错误图5-13面片修复工具栏3.自动修复损坏的边界图5-14损坏的边界3.自动修复损坏的边界图5-15零件STL文件属性对话框4.修改残留错误5.4.3工艺处理1.零件分割拼合2.添加支撑3.定向、排样合并1.零件分割拼合图5-16密封条三维模型的分割1.零件分割拼合图5-17电视机前面板的制作当零件的结构复杂，成型支撑无法去除或大型零件的尺寸超出成型机工作范围时，需对零件进行分割与拼合。2.添加支撑图5-18零件的支撑 RP工艺能加工任意复杂形状

17、的零件，但层层堆积的特点决定了原型在成型过程中必须具有支撑，RP工艺中所用的支撑相当于传统加工中的夹具，起固定原型的作用。 有些成型工艺中的支撑是生产过程中自然产生的，如分层实体制造LOM中切碎的纸、三维打印3DP中为粘接的粉末、选择性激光烧结SLS中未烧结的材料都可以成为后续层的支撑。 而对于熔融堆积成型FDM和光固化成型SLA必须由人工加支撑或通过软件自动加支撑，否则会出现悬空而发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使零件不能成型。 支撑按其作用不同分为基地支撑和对零件原型的支撑。它的作用主要有： 1）便于零件从工作台上取出 2）保证预成型的零件原型处于水平位置，消除工作台的平面度误

18、差所引起的误差。 3）有利于减小或消除翘曲变形。 添加支撑的方法有手工和软件自动添加两种，手工添加法因质量难保证、工艺规划时间长和不灵活，应用很少。 添加支撑应考虑： 1）支撑的强度和稳定性 2）支撑的加工时间 3）支撑的可去除性 1）支撑的强度和稳定性 支撑是为原型提供支撑和定位的辅助结构，良好的支撑必须保证足够的强度和稳定性，使得自身和它上面的原型不会变形或偏移，提高零件原型的精度和质量。 2）支撑的加工时间 支撑加工必然要消耗一定加工时间，在满足支撑作用时，要求加工时间越短越好，在满足强度条件下，支撑应尽可能小，支撑扫描间距可加大，从而减少支撑成型时间。 现在很多FDM成型机采用双喷头成

19、型机，一个喷头用来加工实体材料，一个喷头用来加工实体材料，使实体材料和实体材料采用不同材料。不仅可以节省加工时间，而且可以便于支撑材料的去除 3）支撑的可去除性 当原型制造完成后，需将支撑和本体分开。原型和支撑粘接过牢固，不但不易去除，而且会降低原型的表面质量，甚至在去除时会破坏原型。 支撑与原型结合部分越小，越容易去除。故两者结合部位应尽可能小。在不发生翘曲变形的条件下可将结合部分设计成锯齿形方便去除。 现在FDM工艺采用水溶性支撑材料，造型完毕后，将原型置于水中，支撑可以融化，非常容易去除。3.定向、排样合并 在快速成型制造中，STL模型的定向决定了成型方向，即成型时每层的叠加方向，它是影

20、响原型制作精度、时间、成本、强度及所需支撑多少的重要因素。在成型时首先要选择一个优化的分层（成型）方向。优化原则是： 1）使垂直面的数量最大化 2）使法向上的水平面最大化 3）使零件中孔的轴线平行于加工方向的数量最大化 4）使平面内曲线边界的截面数量最大化 5）使斜面的数量最少 6）使悬臂结构的数量最少3.定向、排样合并图5-19手机面板成型方向 根据原型精度要求和成形设备的加工空间，合理安排原型的摆放位置和成形方向，以使成型空间得到最大利用，提高成形效率。必要时需将一个原型分解成多个部分分别成型，也可将多个STL文件模型调入合并成一个STL模型并保存。 一个零件的制作时间是各层制作时间的总和

21、。每层的制作时间包括扫描时间和辅助时间。由于制作单个零件和多个零件所需的辅助时间基本相近，可以通过每次制作多个零件来减少每个零件的辅助时间，从而提高成型效率。 对于同一个零件，通过减少零件堆积方向的高度尺寸，可以减少零件的分层数目，降低零件制作的辅助时间。但高度尺寸的减少可能导致零件制作过程中支撑数量的增加，从而增加了支撑的制作时间，增加了材料的损耗和后处理的难度。因此从支撑角度而言，制作方向的优化应该尽可能减少零件待加工支撑区域的面积，从而减少零件制作过程的支撑扫描时间。 RP技术是一种离散/堆积分层制造技术，零件的定向和摆放对零件的成型过程的正常进行，成型精度和表面质量，加工时间以及支撑的

22、添加均有较大影响。在工艺处理时，需根据零件具体要求综合考虑。 如果制作原型的主要目的是为了外观评价，那么选择成形方向时则应把保证原型表面质量放在首要位置来考虑； 如果制作原型的主要目的是为了装配检验，那么选择成形方向时首要考虑的是装配结构的成型精度，至于表面质量则可通过后处理的打磨来保证。5.4.4三维模型的分层处理对进行工艺处理后的原型和支撑，按照设定的参数高度进行分层，得到在该高度上的零件二维轮廓。由快速成型的工艺过程可知：成型过程，实际上是以各层截面图形为底，高度为分层厚度的一个个柱形体依次叠加，形成一个三维实体，如图5-20所示。从图5-20c中可看出，这种叠加制造原理将不可避免导致在

23、原型的表面出现所谓的“阶梯效应”，由此产生的误差属于叠层制造系统的原理误差，它是影响加工件表面质量的一个重要因素。图5-20切片示意图5.4.4三维模型的分层处理三维模型的分层是基于STL文件进行的，其表面由一个个三角面片组成，如图5-21a所示，当相邻两切平面切在同一个三角面片时，在该三角面片上所形成的阶梯如图5-21b所示。图5-21三角面片分层高度和阶梯高度之间关系其中：Si 为轮廓表面的一个三角面片；hi 为相邻两切平面的距离（分层厚度）； 是三角面片法向与切平面法向（成型方向）的夹角；i 为 O 点到 Si 三角平面的垂线高度； 阶梯高度：coshii当三角面片的法向一定时，分层厚度越大，阶梯高度越大，原型表面越粗糙；分层厚度一定时，三角面片法向与切平面法向的夹角是影响所形成阶梯高度的直接因素；当为900时，该三角面片上不形成阶梯，此时层片轮廓是对实体该处轮廓的精确拟合。根据快速成形原理，对于同一个原型，分层厚度越大，所需加工层数越少，其加工效率越高，反之加工效率越低。加工效率和原型表面质量是一对矛盾。目前快速原型系统中普遍采用的等分层厚度的处理方法，这一矛盾很难得到解决。要想提高加工效率，就要加大分层厚度，从而导致各个面片上阶梯高度增加，降低了原型表面质量。而要提高原型表面质量，就要降低分层厚度，导致加工时间