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3D打印技术中的数据文件格式详解(一)

如下图所示,3D 打印中的数据文件格式主要分为2 类: CAD 三维数据文件格式和二维层片文件格式. CAD 三维数据文件格式包括: 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;二维层片文件格式包括:SLC(stereo lithography contour)、CLI(common layer interface)、HPGL(Hewlett-Packard graphics language)等. 其中STL是最早用于CAD 与CAPP 间数据交换的文件格式,并且得到了广泛的应用. 目前,3D 打印系统大部分都是基于STL 格式设计的.


 
除此之外,为了更真实地描述3D 打印模型,新型的数据文件格式AMF(additive manufacturing file format)、3MF(3D manufacturing format)、RP 等。

三维数据文件格式
1、STL 文件
    STL 数据文件格式是一种三维面片型的数据文件格式,3D Systems 公司研究开发了该数据文件格式,其基本原理是采用小三角形面片(如图3所示)去逼近三维实体的自由曲面,即它是对三维模型进
行三角形网格化,类似于有限元中的网格划分,通过给出三角形法矢量和三角形的3 个顶点坐标来实现. STL 文件有2 种格式来对数据进行存储:ASCII码格式和二进制格式. 通过保存矢量三角形的相关
信息来确保文件的通用性,并且这2 种文件格式间的相互转换不会引起任何信息的丢失.也被提出.

    目前,国际市场上的大多数CAD 软件几乎都配有STL 数据文件接口,该文件也是大多数快速成型系统使用最多的数据接口格式,它已成为该领域公认的行业标准. STL 文件作为目前3D 打印中应用最广的数据接口格式,具有以下显著优点:输入文件广泛,三维数据模型几乎都可以通过三角形面片化生成STL 文件;生成方法简单,大部分三维设计软件都具备将三维模型直接输出为STL 文件格式的功能,且能初步控制三维模型的精度;简单的分层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点:数据量极大;在数据的转换过程中有时会出现错误;有冗余现象;由于是采用三角形面片的格式去逼近整个实体,因此存在逼近误差。

2、STEP 文件
        以PDES ( product data representation and exchange systems) 为基础,国际标准化组织的TC/184SC/14 工作研究开发了STEP 格式文件 .STEP 格式文件有4 种交换方式:文件交换方式、工作格式交换方式、数据库交换方式、基于知识库的交换方式.
1) 文件交换方式
        STEP 文件格式作为一种中性文件格式,有专门的格式规定,采用ASCII 码格式,通过处理器的转化来完成各系统间相应的数据交换. 由于各系统大都使用统一的数据模型,因此,模型与文件之间相应的转化程序比较简单.
2) 工作格式交换方式
        它是把需要处理的数据置于内存中,通过内存中的数据管理系统,对其进行集中处理,这种方式减轻了设计人员的工作负担,同时保证了运行速度.
3) 数据库交换方式
        在计算机/ 现代集成制造系统( computer/contemporary integrated manufacturing systems,CIMS)的环境下,各系统间需要进行传递较多的信息量并且结构复杂,同时由于并行工程发展的需要,使得数据库交换方式应运而生. 此外,通过对数据库的管理与共享,实现数据的处理.
4) 基于知识库的交换方式
        该方式主要是通过人工智能的方式对数据进行约束检查和处理. 它与上述的交换方式类似,不仅能够完成其所能完成的操作,而且还具备驱动规则和知识的能力. 同时,它将使得多个数据库系统间的集成更易管理,这将是数据交换的未来发展方向.STEP 数据文件格式的缺点是其文件中包含许多3D 打印技术额外的冗余数据量. 因此在进行三维CAD 数据和3D 打印技术之间的接口转换时,首先去除一些冗余信息量,同时对数据量进行压缩并且加入拓扑信息等.

3、IGES 文件
       IGES 文件作为标准图形交换格式己列入ISO标准,是CAD、CAM、CAPP 中不可或缺的有力工具.目前商用CAD 软件,如AutoCAD、UG、Solidworks 等都支持IGES 文件格式. 该文件格式包括ASCII 码和二进制2 种, 其中, ASCII 格式又分为固定长ASCII 格式和压缩ASCII 格式. ASCII 格式的IGES文件阅读方便,而二进制格式适于对大容量的文件进行处理. IGES 文件标准定义的ASCII 格式,涵盖通信和工程特性所必须的数据,并且独立于CAD 系统. 目前,三维模型的几何信息一般是以固定行长的IGES 格式存放. 由于IGES 文件是针对实体模型而生成的图形数据文件,因而其最大的优点是具有丰富的图形信息,如点、线、面的属性以及各几何元素之间的拓扑关系等. IGES 格式文件虽然是一个通用标准,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复杂;不支持面片格式的描述;若三维实体模型需设立支撑结构,则其支撑结构必须先在CAD 系统内创建完成后,再转化成IGES 格式,否则无法实现. 因此与STL 格式文件相比,采用IGES 格式文件,工艺规划较为烦琐.

4、 LEAF 文件
       由Helisinki 理工大学提出文件格式—LEAF,是以多层扫描的方式对模型进行扫描.LEAF 文件格式是通过二叉树形式来表示三维模型的分层,该文件的最顶层是包括一系列部件的堆层制造文件(layer manufacture technology,LMT) ,如图 所示,这一系列部件可能依次包含在其他的部件中,多义线和二维实体构成了最终层信息. 多义线是由连续的直线段连接而成的,并且为封闭的有序链,其最后一点也即是第1 点. 同一层的子对象继承了相应的父对象特性,并且是通过相同的z 值得到的. LEAF 文件格式的优点是独立性良好,且CSG(constructive solid geometry)模型可以用其来直接切片,但其缺点是结构非常复杂,不能直接导入3D 打印系统.

5、RPI 文件
       RPI 文件格式是由Rensselacer Desaearch Centre与Rensselar Polytechnic Institute 联合开发设计,可从STL 格式数据中获取. 该文件由实体集构成,定义了边、面片等实体类型,并将其拓扑信息引入. 语法定义以及对应的数据构成了实体部分. 其中,语法定义部分包括记录号、实体名以及实体的结束标志. 由字段组成的记录存放着所有的数据,每一个记录都与语法部分相对应. 因此,RPI 文件的优点是冗余性好、结构紧凑,并且提供了基本CSG 描述,但其缺点是后续处理比较复杂,且不能识别近似实体的曲面.

下表为几种三维数据文件格式的比较.
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