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3D打印技术中的数据文件格式详解(三)

新型的3D打印数据文件格式
1、AMF 文件
    为了充分发挥3D 打印的优势, 2011 年美国材料与试验协会( American Society for Testing and Materials, ASTM)提出了一种多材料增材制造文件格式-AMF. 该文件格式的基本原理类似于虚拟现实技术中的x3d(extensible 3D format)等文件格式,采用点线面柱体的表达形式表示实体几何属性,并将材料属性添加到点、面或体上,采用汇编语言进行代码描述. 该类方法是将材料属性添加到设计阶段,文件占用的存储空间较大. 与STL 文件格式相比,AMF 克服了其精度不高、数据冗余大、工艺信息缺失、文件体积庞大、读取缓慢等缺点,同时引入了曲面三角形、颜色贴图、异质材料、功能梯度材料、微
结构、排列方位等高级概念. 其中,曲面三角形能够大幅提升模型的精度,其是利用各个顶点法线或切线方向来确定曲面曲率的,在进行数据处理切片时,曲面三角形可进行细分,便于获得理想精度. 不同区域的材料成分表达是通过空间点坐标公式来表述的,按常数比例混合的材料即为均质材料,按坐标值线性变化的比例即为梯度材料,还可表达非线性梯度材料. 当材料比例被赋为“0冶时,即表示该处为孔洞. 因此,AMF 格式包含的工艺信息更全、文件体积更小、模型错误更少,使得3D 打印过程中使用起来更加方便,模型设计过程也更加轻松.

    STL 模型不适用于多色、多材料、多尺度工艺结构的3D 打印,而AMF 能表述实体内部材料、工艺结构特征信息的实体模型. 与此对应,传统3D 打印的数据处理过程也将发生大幅度的更改. STL 文件数据处理最核心的环节是离散分层切片,由于切片结果为连续小线段组成的一系列轮廓环来指示实体的边界,所以损失了轮廓精度,且无内部实体材料与工艺结构信息. 因此,目前3D 打印数据处理流程中的2D 层面数据将逐步转换为采用样条曲线轮廓+光栅网格的混合数据结构. 构造样条曲线轮廓无损描述曲面三角形的离散化切片轮廓,且各个曲线节点不仅存储几何信息,还存储包括色彩在内的表面工艺信息,由此实现高精度、无信息损失的外轮廓数据表达;采用光栅网格表达模型内部的材料及结构信息,将基于区域模型、基于空间域函数描述梯度材料以及微工艺结构信息离散化到光栅网格的每个节点上. 由此该层面数据可统一描述3D 打印所需的全部工艺信息,包括多材料、多色、多尺度工艺结构.

然而, 由于AMF 模型文件的设计与传统仅仅表达几何外形的设计方法差异较大,目前还没有出现能支持AMF 格式完整功能的相关设计工具,无法提供全工艺信息的数据来源,3D 打印软件也无法对AMF 文件的全部信息予以支持. 该文件格式被放置在网络上供研究者们讨论与完善,目前并没有应用到实际的多材料制造系统中.

2、3MF 文件
        3MF(3D manufacturing format) 文件格式是由3MF 的联盟-微软、惠普、Shapeways、欧特克、达索系统、netfabb 和SLM Solution 七家非常有实力的软硬件厂商于2015 年联合开发的数据文件格式,其开发是以改变STL 文件难以适应现有3D 打印发展需要的现状为目的的. 3MF 能够更好地描述3D 打印模型,可用于多种应用、不同平台、不同的服务以及不同类型的3D 打印机. 3MF 是一种基于XML(eXtensible markup language)的数据文件格式,其中包括与3D 制造有关的数据定义,如适用于自定义数据的第三方扩展. 3MF 格式为Windows 8. 1 中对3D 打印的支持, 提供了坚实的基础, 类似于Windows 中3D 打印的“DNA冶. 应用将3MF 数据传输给Windows,Windows 接着又将这些数据转到3D打印设备驱动. 3MF 格式具有以下的优点:可以描述一个模型的内在和外在的信息、颜色以及其他的特性;可扩展,以支持三维打印新的创新;互操作性和开放性;实用、简单易懂、易于实现;可以解决其他广泛使用的文件格式固有的问题. 新的3D 打印格式文件“3MF冶已经发行,但是还未大量应用。

3、RP 文件
        RP 文件格式是由Deelip Menezes 公司开发的一种有效并且安全的数据文件格式. 3D 打印技术使用STL 文件格式为标准的数据交换方式,但是STL 文件格式存在两大问题:文件大和安全性低.STL 文件格式使用低效的数据存储方法,再加上冗余数据的规模,使得STL 文件大大增加,从而导致传输数据的问题,特别是通过互联网的传输. 大型STL 文件导致资源浪费,例如:存储空间、宽带以及
时间. 此外,STL 文件格式没有任何内置的安全机制. 一个STL 文件通常从NURBS 模型创建,它被认为是不可能从其底层NURBS 模型提取STL 文件.目前利用高质量的逆向工程软件,会使得STL 文件达到不可估量的损失. 而RP 文件格式的开发是以解决这2 个问题为目的的.

1) 解决大小问题. RP 文件是来自于STL 文件(ASCII 或二进制),它包含与STL 文件完全相同的几何数据. RP 文件中的数据采用先进的压缩算法进行压缩,这样大大减小了文件的大小. 与源文件STL 的ASCII 部分相比,RP 文件的大小只有STL 文件的3%. 与源文件STL 的二进制部分相比,RP 文件的大小只有STL 文件的10%.

2) 解决安全问题. RP 文件格式有2 个层面的安全性:文件自身和用户层面. 在文件自身方面,RP使用的是基于最先进的加密算法的加密文件. 在用户层面,RP 文件格式可以提供一个安全可选的用户自定义密码. 从STL 文件中压缩并加密后得到的RP 文件,经过解压之后的STL 文件将与初始的STL文件一致,不会产生数据的丢失.

结论与展望
        经过20 多年的发展,3D 打印技术不断地走向成熟,在打印精度与打印材料等方面都有较大提高,但仍存在一系列问题,因此3D 打印技术依然拥有非常大的潜力. 3D 打印整个制造过程中涉及大量的数字化模型文件的准备及处理,不同的模型文件的类型对加工过程和加工效果均有很大的影响.

        3D 打印过程中的三维模型数据可通过正向设计和逆向工程等2 种方式获得. 3D 打印过程中的数据文件格式主要分为2 类:CAD 三维数据文件格式(STL、IGES、STEP、LEAF、RPI、LMI 等)和二维层片文件格式(SLC、CLI、HPGL 等). 出现最早的STL文件格式是应用最广泛的数据交换格式,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;采用三角形面片的格式去逼近整个实体存在逼近误差,因此在实际应用中会有很多限制. 针对STL 文件格式存在的这些缺点,新型的数据文件格式AMF、3MF、RP 等进行了相关的优化. 其中,AMF 数据文件格式引入曲面三角形,利用各个顶点法线或切线方向来确定曲面曲率,在进行数据处理切片时,曲面三角形可进行细分,由此获得理想精度. 因此,AMF 格式包含的工艺信息更全、文件体积更小、模型错误更少;3MF数据文件格式可以描述一个模型内在和外在的信息,具有较好的互操作性和开放性,简单易懂,可用来解决其他广泛使用的文件格式固有的问题;RP 文件中的数据采用先进的压缩算法进行压缩,大大减小了文件的大小;此外,RP 在文件自身方面使用最先进的加密算法,在用户层面使用自定义密码,大大提高了文件的安全性. 这是STL 文件无法实现的.

        结合3D 打印的发展现状,我们认为新型数据文件格式未来的发展方向必然是数据量小、精度高、安全性高. 同时,应该建立一个统一的数据文件格式标准,实现数据共享,减少数据文件格式转换带来的数据丢失及错误等,以此来提高产品的质量以及稳定性.

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