《3D打印入门》教学课件—4.1-3D打印数据的处理

1、3D打印激发生活梦想3D打印3D打印入门工坊3D PRINTING INTRODUCTION 04认识3D打印建模技术3D 打印数据的处理目录认识3D打印建模技术044.1.1 3D 打印的数据来源4.1认识3D 打印打印建模技术3D打印技术是通过逐层增加材料来制造零件的，3D打印数据流程都如下图所示。三维数据源STL模型加工路径加工制造3D打印制造中间数据流程认识3D打印建模技术04 3D打印的数据来源十分广泛，既可以直接从三维数据获得加工路径，也可以经三维数据网格化得到STL模型获得加工路径。3D打印的数据来源大体可以分为以下几类：1. 三维CAD模型 由三维CAD造型软件生成产品的三维C

2、AD曲面模型或实体模型，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。 最常用的具体方法是将CAD模型先转换为三角形网格模型（STL模型），然后分层得到加工路径。 目前，STL文件已经成为3D打印领域一种标准的数据格式，它是由美国3D Systemss公司1988年开发的，各商用CAD软件均带有STL文件的输出功能模块。 认识3D打印建模技术042. 逆向工程数据 这种数据来源于通过逆向工程对已有零件的复制，利用三坐标测量仪或光学测量仪采集零件表面的点数据，形成零件表面数据的数据点云。对数据点云可以进行三角化生成STL文件，然后进行分层。 另一种方法是对数据直接分层。测量仪采集点数据CT

3、三维重构技术形成数据点云三角化生成STL文件分层认识3D打印建模技术043. 数学几何数据 这种数据来源于一些实验数据或数学几何数据，然后，用3D打印的方法把用数学公式表达的曲面制作成看得见、摸得着的物理实体。 人体断层扫描获得的医学数据，这些数据都是真三维的，即物体的内部和表面都有数据，是通过人体断层扫描（简称CT）和核磁共振（简称NMR）获得的。这种数据一般要经过三维重组才能进行加工。4.医学/人体素数据5.分层数据 3D打印的数据源也可以是通过直接获得的分层或截面轮廓数据，例如地形学上的等高线等。认识3D打印建模技术044.1.2三维模型的STL格式化STL文件标准是美国3D Syste

4、ms公司于1988年制定的一个接口协议。内容： STL模型所描述的是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型。 这种文件格式类似于有限元的网络划分，它将物体表面划分成很多小三角形，即用很多个三角面片去逼近CAD实体模型。表现形式： STL文件有二进制格式和文本格式两种。 文本格式简单明了，而二进制格式则紧凑得多，如果表示同一个零件，它的文件大小只有文本格式的六分之一。1. STL文件的格式含义：认识3D打印建模技术04 STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。但是就本身面向3

5、D打印所要求的CAD模型的STL文件，过高的精度要求也是不必要的。因为过高的精度要求，可能会超出3D打印系统所能达到的精度指标，而且三角形数量的增多需要加大计算机存储容量，同时带来切片处理时间的显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小线段，不利于激光头的扫描运动，导致低的生产效率和表面不光洁。所以从CAD/CAM软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数，应该根据CAD模型的复杂程度以及快速原型精度要求的高低进行综合考虑。 不同的CAD/CAM系统，输出STL格式文件的精度控制参数是不一样的，但最终反映STL文件逼近CAD模型的精度指标不是表面上小三角形的数量，实质上是三角形平面逼近曲面时的弦

6、差的大小。 弦差指的是，近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。从本质上看，用有限的小三角面的组合来逼近CAD模型表面，是原始模型的一阶近似，它不包含邻接关系信息，不可能完全表达原始设计的意图，离真正的表面有一定的距离，而在边界上有凸凹现象，所以无法避免误差。2. STL文件的精度认识3D打印建模技术043. STL文件的纠错处理（1）STL文件的基本规则取向规则点点准则认识3D打印建模技术04取值规则合法实体规则认识3D打印建模技术04（2）常见的STL文件错误遗漏 像其他的CAD/CAM常用的交换数据一样，STL也经常出现数据错误和格式错误，其中最常见的错误如下：尽管在STL数据文件标准中

7、没有特别指明所有STL数据文件所包含的面必须构成一个或多个合理的法定实体，但是正确的STL文件所含有的点、边、面和构成的实体数量必须满足如下的欧拉公式：F-E+V=2-2H 如果一个STL文件中的数据不符合该公式，则该STL文件就有漏洞。在切片软件进行运算时，一般是无法检测该类错误的，这样在切片时就会产生某一边不封闭的后果，直接造成在3D打印中激光束或刀具行走时漏过该边。有些公司的软件可以纠正类似的错误，像3D Systems公司的3D Light Year软件、比利时Materialise公司的Magics软件等。F：面数H：实体中穿透的孔洞数V：点数E：边数认识3D打印建模技术04退化面

8、出现遗漏的原因一般有如下两个方面：一是两个小三角形面在空间的交差，这种情况主要是由于低质量的实体布尔运算生成STL，在文件生成过程中产生；二是在两个连接表面三角形化时不匹配造成的，如图所示： 退化面是STL文件中另一个常见的错误，但它不会造成3D打印加工过程的失败。这种错误主要包括以下两种类型： 点共线，或不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。 点重合，或在数据转换运算时造成这种结果。（2）常见的STL文件错误认识3D打印建模技术04错误法向量面 这种错误不是在STL文件转换过程中形成的，而是由于CAD/CAM系统中原始模型的错误引起的。 这种错误将在3D打印制造过程中表现出来。模型错

9、误进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法向量的方向相反。为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。（2）常见的STL文件错误认识3D打印建模技术044. STL文件的输出 当CAD模型在一个CAD/CAM系统中完成之后，在进行快速原型制作之前，需要进行STL文件的输出。 目前，几乎所有的商业化CAD/CAM系统都有STL文件的输出数据接口，而且操作和控制也十分方便。在STL文件输出过程中，根据模型的复杂程度和所要求的精度指标，可以选择STL文件的输出精度。认识3D打印建模技术045. 分割与处理文件3D打印是基于

10、离散-堆积成形原理的成形方法，无论是离散或者是堆积都与层片处理有关。先将CAD实体模型分切成许多的层片，即分层或切片处理。离散将分切的层片重组成实体模型。堆积（1）STL文件的分割处理3D打印技术又称为层片制造技术。3D打印技术的核心技术：分层技术。自适应分层曲面分层认识3D打印建模技术045. 分割与处理文件 Magics RP是一款对STL文件进行编辑修改、缝补的软件，具有如下功能：（2）STL文件处理认识3D打印建模技术044.1.33D打印技术的其他数据接口开发宗旨： 使数据格式独立于制造系统和应用程序，一般不独立使用，只作为STL文件切片后的数据存储格式。1. CLI数据接口除了ST

11、L数据接口，3D打印技术的其他数据接口如下：CLI文件格式是3D打印设备普遍接受的一种数据接口，它是一种三维模型分层后的数据存储格式。认识3D打印建模技术042. IGES文件格式 初始图形交换规范（简称IGES）的作用是在不同的CAD/CAM系统间交换数据。 IGES格式能精确表示CAD模型，可以采用结构实体几何法（简称CSG）和边界表示法（简称B-REP）两种方法描述实体。优点：它可被大多数的CAD系统接受。缺点：数据量太大，数据易丢失、数据转换存在错误等。认识3D打印建模技术043. STEP标准接口 产品模型数据交互规范（简称STEP）是一种产品数据交换国际标准，正逐渐被各种CAD系统接受。 STEP作为CAD和3D打印系统的接口，具有如下优点：通用性作为产品数据交换的国际标准，获得所有CAD系统支持。完整性对数据交换的描述完整，能充分满足CAD系统与3D打印系统之间的数据交换需求。独立性独立于软、硬件系统之外，文件大小也比较适中。 在STEP中，产品模型信息分为应用层、逻辑层和物理层三层结构。它强调建立一个产品模型的完整表示，而不只是产品的图形和可视表示。正因为其的普适性，对于3D打印系统来说有冗余的数据信息，需要开发必要的算法和解释器才能将有用数据转换到3D打印系统中。认识3D打印建模技术044. LMI格式 LMI接口格式为新加坡南洋理工大学