3D打印增材制造技術(shù) 課件 【ch01】增材制造中的三維模型及數(shù)據(jù)處理

第一章增材制造中的三維模型及數(shù)據(jù)處理高等學(xué)校動(dòng)畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01三維模型的構(gòu)建PARTONE計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)是指以計(jì)算機(jī)軟、硬件為依托，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中借助計(jì)算機(jī)參與新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制的一種新型的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方式，它以提高效率、增強(qiáng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、提高設(shè)計(jì)的可靠性、適應(yīng)信息化社會(huì)的生產(chǎn)方式為目的。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)表達(dá)中，主要傾向于對(duì)產(chǎn)品的形態(tài)、色彩、材料等設(shè)計(jì)要素的模擬，是當(dāng)今社會(huì)起主導(dǎo)作用的設(shè)計(jì)方式。3D打印是全新的領(lǐng)域，同樣，3D設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也非常廣泛，主要有建模、染、動(dòng)畫等多個(gè)方面。正向建模利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或3D建模軟件設(shè)計(jì)生成所需的3D模型。一般用于快速成型的CAD模型可以是實(shí)體模型、曲面模型和線框模型，通常的應(yīng)用以實(shí)體模型為主在CAD系統(tǒng)中完成三維造型后，就要把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成快速成型系統(tǒng)能夠識(shí)別的文件格式常用的有面片模型文件(如STL、CFL文件等)或?qū)悠Ｐ臀?如HPGL、LEAF、CLI文件等)。下面介紹幾款著名的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與建模軟件。1.1三維模型的構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助建模11.1三維模型的構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助建模11.UG軟件

UG(UniGraphics)是UniGraphicsSolutions公司推出的集CAD/CAE/CAM為一體的三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)，也是當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船等領(lǐng)域。UG是一個(gè)交互式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)。它具備了當(dāng)今機(jī)械加工領(lǐng)域所需的大多數(shù)工程設(shè)計(jì)和制圖功能。UG是一個(gè)全三維、雙精度的制造系統(tǒng)，使用戶能夠比較精確地描述任何幾何形體，通過(guò)對(duì)這些形體的組合，就可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和制圖。UG可以為機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及電器設(shè)計(jì)提供一套完整的設(shè)計(jì)、分析、制造方案:UG提供了包括特征造型、曲面造型、實(shí)體造型在內(nèi)的多種造型方法，同時(shí)提供了自頂向下和自底向上的裝配設(shè)計(jì)方法，也為產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果圖輸出提供了強(qiáng)大的渲染、材質(zhì)、紋理、動(dòng)畫、背景、可視化參數(shù)設(shè)置等支持。1.1三維模型的構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助建模12.SolidWorks軟件SolidWorks軟件是著名的三維CAD軟件開(kāi)發(fā)供應(yīng)商SolidWorks公司發(fā)布的領(lǐng)先市場(chǎng)的3D機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，SolidWorks軟件是基于Windows平臺(tái)的全參數(shù)化特征造型軟件，它可以十分方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維零件實(shí)體造型、復(fù)雜裝配和生成工程圖。該軟件可以應(yīng)用于以規(guī)則幾何形體為主的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)準(zhǔn)備工作中。SolidWorks軟件可以釋放設(shè)計(jì)師和工程師的創(chuàng)造力，使他們只需花費(fèi)同類軟件所需時(shí)間的一小部分即可設(shè)計(jì)出更好、更有吸引力、在市場(chǎng)上更受歡迎的產(chǎn)品。SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks軟件的三大特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得SolidWorks軟件成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案SolidWorks軟件能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案，可以減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤，以及提高產(chǎn)品質(zhì)量SolidWorks軟件主要有草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配模塊、工程圖模塊、金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)仿真等功能模塊。SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)公司(DassaultSysteesSA)下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)和銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有互聯(lián)網(wǎng)整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATTVA5就出自該公司之手，目前達(dá)索系統(tǒng)公司的CAD產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。1.1三維模型的構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助建模13.Pro/E軟件Pro/E(Pro/ENGINEER操作軟件)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(ParametricTechnologyCorporation;PTC)的重要產(chǎn)品，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAB/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。Pro/E是第一個(gè)提出參數(shù)化設(shè)計(jì)概念的軟件，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E軟件基于特征的方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且可以應(yīng)用到單機(jī)上。Pro/E軟件采用了模塊化方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、金設(shè)計(jì)加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。逆向工程(ReverseEngineering，RE)，是把已有的產(chǎn)品模型(實(shí)物模型)或者影像資料等信息作為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)及一系列分析方法等，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的解剖和制造特點(diǎn)的分析深化，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的掌握和對(duì)設(shè)計(jì)理念的探究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出更為優(yōu)化的同類產(chǎn)品的過(guò)程，也稱為反求工程。1.1三維模型的構(gòu)建逆向工程及建模21.Geomagic逆向工程軟件Geomagic是一家世界級(jí)的軟件及服務(wù)公司，在眾多工業(yè)領(lǐng)域(如汽車、航空、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品)得到廣泛應(yīng)用。GeomagicStudio軟件的主要功能:點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括去噪、采樣等:自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形(Polygon);多邊形階段處理，主要有刪除釘狀物、補(bǔ)洞、邊界修補(bǔ)、重疊三角形清理等;把多邊形轉(zhuǎn)換為NURBS曲面紋理貼圖輸出與CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGES、STL、DXF等)。GeomagicStudio提供了四個(gè)處理模塊:掃描數(shù)據(jù)處理(Capture)、多邊形編輯(Wrp)NURBS曲面建模(Shape)、CAD曲面建模(Fashion)。1.1三維模型的構(gòu)建逆向工程及建模22.MagicsRp逆向工程軟件MagicsRp是由比利時(shí)MaterialiseNV公司推出的基于STL文件的通用增材制造數(shù)據(jù)處理軟件，廣泛應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域，是當(dāng)今最具有影響力的第三方增材制造軟件之一。MagicsRp主要包括以下功能:STL文件的顯示、測(cè)量、編輯、糾錯(cuò)和切片;切片輪廓的正確性驗(yàn)證;模型各個(gè)部件間的沖突檢測(cè)，布爾運(yùn)算(包括模型的拼接、任意剖分，添加導(dǎo)流管等功能);模型加工時(shí)間預(yù)測(cè)、報(bào)價(jià)(依賴特定的增材制造設(shè)備);模型的鏤空、三維偏置;對(duì)STL模型添加FDM、SL藝要求的支撐結(jié)構(gòu)。1.1三維模型的構(gòu)建逆向工程及建模23.Imageware逆向工程軟件(1)讀入點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。Surfacer可以接收幾乎所有的三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)，此外還可以接收其他格式，如STL、VDA等。(2)曲線創(chuàng)建過(guò)程。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建曲線，可以通過(guò)改變控制點(diǎn)的數(shù)目來(lái)調(diào)整曲線。若控制點(diǎn)增多則形狀吻合度好，若控制點(diǎn)減少則曲線較為光順。我們可以通過(guò)曲線的曲率來(lái)判斷曲線的光順性、檢查曲線與點(diǎn)陣的吻合性，也可以通過(guò)改變曲線的曲率來(lái)改變曲線與其他曲線的連續(xù)性(連接、相切、曲率連續(xù))。(3)曲面創(chuàng)建過(guò)程。創(chuàng)建曲面的方法有很多，我們可以用點(diǎn)陣直接生成曲面(FitFreeForm)、用曲線通過(guò)蒙皮、掃掠、四個(gè)邊界線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點(diǎn)陣和曲線的信息來(lái)創(chuàng)建曲面，還可以通過(guò)其他如圓角、過(guò)橋面等生成曲面。1.1三維模型的構(gòu)建逆向工程及建模2

掃描儀先對(duì)物體做全方位的掃描，然后整理數(shù)據(jù)、三維造型、格式轉(zhuǎn)換、輸出結(jié)果。整個(gè)操作過(guò)程可以分為四個(gè)步驟:①物體數(shù)據(jù)化，普遍采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描儀來(lái)采集物體表面的空間坐標(biāo)值。②從采集的數(shù)據(jù)中分析物體的幾何特征，依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性，進(jìn)行分割，采用幾何特征和識(shí)別方法來(lái)分析物體的設(shè)計(jì)及加工特征。③物體三維模型重建，利用CAD軟件，對(duì)分割后的三維數(shù)據(jù)做表面模型擬合，得出實(shí)物的三維模型。④檢驗(yàn)、修正二維模型。1.1三維模型的構(gòu)建三維掃描測(cè)量技術(shù)31.三維激光掃描儀三維激光掃描儀基于光學(xué)原理，有非接觸、無(wú)損傷、高精度、高速度，以及易于在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量等一系列的特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代三維面形測(cè)量的重要途徑和發(fā)展方向。1.1三維模型的構(gòu)建三維掃描測(cè)量技術(shù)3

1.1三維模型的構(gòu)建三維掃描測(cè)量技術(shù)32.三維照相式掃描儀（1）三維照相式掃描儀的工作原理

二維照相式掃描儀采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的三維非接觸式測(cè)量方式，測(cè)量時(shí)光柵裝置先投射結(jié)構(gòu)光線到待測(cè)物體上，成一定夾角的兩個(gè)或者多個(gè)攝像頭同步采得相應(yīng)圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行相位和解碼計(jì)算，并利用匹配技術(shù)和三角形測(cè)量原理，解算出兩個(gè)或多個(gè)工業(yè)相機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體表面像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其特點(diǎn)是一次測(cè)量一個(gè)面，掃描速度極快，數(shù)秒內(nèi)可得到一百多萬(wàn)點(diǎn)，可搬到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，工件或測(cè)量頭可隨意調(diào)節(jié)成便于測(cè)量的姿勢(shì)，大景深(可達(dá)300~500mm)，測(cè)量范圍大，精度高，測(cè)量點(diǎn)分布非常規(guī)則，大型物體可以分塊測(cè)量、自動(dòng)拼合。1.1三維模型的構(gòu)建三維掃描測(cè)量技術(shù)32.三維照相式掃描儀（2）三維照相式掃描儀的特點(diǎn)

“照相式”掃描儀是針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品涉及領(lǐng)域的新一代掃描儀，與傳統(tǒng)的激光掃描儀和三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)比較，其測(cè)量速度提高了數(shù)十倍。由于有效地控制了整合誤差，該掃描儀的整體測(cè)量精度也大大提高。其采用可見(jiàn)光將特定的光柵條紋投影到測(cè)量工作表面，借助兩個(gè)高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)對(duì)光柵涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，可在極短時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜工作表面的完整點(diǎn)云。其獨(dú)特的流動(dòng)式設(shè)計(jì)和不同視角點(diǎn)云的自動(dòng)拼合技術(shù)使掃描大型工件變得高效、輕松和容易。其高質(zhì)量的完美掃描點(diǎn)云可用于汽車制造業(yè)中的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、逆向工程、快速成型、質(zhì)量控制，甚至可以實(shí)現(xiàn)直接加工。1.1三維模型的構(gòu)建三維掃描測(cè)量技術(shù)32.三維照相式掃描儀（3）三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

二維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用面非常寬廣，在諸多領(lǐng)域，如逆向工程、數(shù)據(jù)可視化、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境、數(shù)字文物、數(shù)字博物館、數(shù)字考古、地形勘測(cè)、犯罪現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、數(shù)字城市、城市規(guī)劃、數(shù)字娛樂(lè)(游戲、動(dòng)畫、電影)等，均有廣泛的應(yīng)用。1.1三維模型的構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理41.去除噪聲點(diǎn)無(wú)論使用何種數(shù)據(jù)采集方式，獲得的數(shù)據(jù)中均存在一定的超差點(diǎn)或錯(cuò)誤點(diǎn)，統(tǒng)稱為噪聲點(diǎn)，通常是測(cè)量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)或測(cè)量環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致的。常用的檢查方法如下。(1)將點(diǎn)云顯示在圖形終端上，或者生成曲線，采用半交瓦半自動(dòng)的光順?lè)椒▽?duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查調(diào)整，但對(duì)于數(shù)量較大的點(diǎn)云并不適宜。(2)考慮兩個(gè)連續(xù)點(diǎn)之間的角度，若某點(diǎn)與它前一點(diǎn)的角度超過(guò)某一規(guī)定值，則剔除該點(diǎn)。(3)將這些點(diǎn)移動(dòng)到一個(gè)平均值。(4)將測(cè)量點(diǎn)沿給定的軸在規(guī)定的距離范圍內(nèi)向上或向下移動(dòng)。1.1三維模型的構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理42.數(shù)據(jù)插補(bǔ)對(duì)于一些測(cè)量不到的區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白現(xiàn)象，這使得逆向建模變得困難，需要通過(guò)數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法來(lái)補(bǔ)齊缺失數(shù)據(jù)。目前應(yīng)用于逆向工程的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法或技術(shù)主要有實(shí)物填充法、造型設(shè)計(jì)法和曲線、曲面插值補(bǔ)充法。3.數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯(Gaussian)平均(Averaging)或中值(Median)濾波算法。高斯濾波算法在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時(shí)能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌。平均濾波算法采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)值，這種濾波算法消除數(shù)據(jù)毛刺的效果很好。實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)點(diǎn)云質(zhì)量和后續(xù)建模要求靈活選擇濾波算法。1.1三維模型的構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理44.數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)為提高高密度數(shù)據(jù)點(diǎn)云在曲面重構(gòu)時(shí)的效率和質(zhì)量，需要按一定要求精簡(jiǎn)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量。不同類型的點(diǎn)云可以采用不同的精簡(jiǎn)方式，散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云可以通過(guò)隨機(jī)采樣的方法來(lái)精簡(jiǎn)，掃描線點(diǎn)云和多邊形點(diǎn)云可以采用等間距精簡(jiǎn)、倍率精簡(jiǎn)、等量精簡(jiǎn)和弦偏差等方法來(lái)精簡(jiǎn);網(wǎng)格化點(diǎn)云可以采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域法等進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。1.1三維模型的構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理45.數(shù)據(jù)分割數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)成組，這樣全部數(shù)據(jù)劃分為特征單一、互不重疊的區(qū)域，為后續(xù)的曲面模型重建提供方便。目前數(shù)據(jù)分割方法主要有基于邊的方法、基于面的方法和基于群簇的方法。(1)基于邊的方法:它是先根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的局部幾何特性由點(diǎn)集中檢測(cè)到邊界點(diǎn)，然后進(jìn)行邊界點(diǎn)的連接，最后，根據(jù)檢測(cè)的邊界將整個(gè)數(shù)據(jù)集分割為獨(dú)立的多個(gè)點(diǎn)集。但該方法計(jì)算量大，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。(2)基于面的方法:該方法是根據(jù)指定的曲面方程擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)集，此過(guò)程是個(gè)迭代的過(guò)程，迭代過(guò)程可以分為自底向上、自頂向下兩種，自底向上方法是從一些種子點(diǎn)開(kāi)始，按某種規(guī)則不斷加進(jìn)周圍點(diǎn)。此方法的關(guān)鍵在于種子點(diǎn)的選擇、擴(kuò)充策略。自頂向下方法是假設(shè)所有點(diǎn)屬于同一個(gè)面，若擬合過(guò)程中誤差超出要求，則把原集合分為兩個(gè)子集。此方法的難點(diǎn)在于怎樣分割，目前有些方法采用直線分割。此類方法實(shí)際使用較少。(3)基于群簇的方法:它是通過(guò)群簇技術(shù)把局部幾何特征參數(shù)相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集為一類，但聚類方法需要預(yù)先指定分類的個(gè)數(shù)，容易出現(xiàn)細(xì)碎面片，往往要對(duì)細(xì)碎面片進(jìn)行進(jìn)步處理。1.1三維模型的構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理46.多視點(diǎn)云的對(duì)齊在逆向工程實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中，由于坐標(biāo)測(cè)量都有自己的測(cè)量范圍，因此無(wú)論我們采用哪種測(cè)量方法，都很難在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次完全測(cè)出。產(chǎn)品的數(shù)字化不能在同一坐標(biāo)系下完成，而在模型重建的時(shí)候又必須將這些不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下，這個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程就是多視點(diǎn)云的對(duì)齊，或數(shù)據(jù)拼合。02三維模型的STL文件PARTTWO1.2三維模型的STL文件1.STL數(shù)據(jù)文件格式STL數(shù)據(jù)文件格式是一種三維面片型的數(shù)據(jù)文件格式，基于STL文件的切片技術(shù)成為增材制造所需的切片數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。STL文件包含許多空間小三角形的數(shù)據(jù)，其基本原理是采用小三角形面片去逼近三維實(shí)體的自由曲面。其中每個(gè)三角形面片都用一個(gè)法向矢量、三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)描述。許許多多小三角形面片構(gòu)成了三維STL模型的所有表面。

STL只能用來(lái)表示封閉的面或者體。STL文件格式簡(jiǎn)單只能描述三維物體的幾何信息不支持顏色材質(zhì)等信息。1.2三維模型的STL文件1.STL件格式優(yōu)點(diǎn)

(1)格式簡(jiǎn)單，文件中只包含相互銜接的三角形面片節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其外部法向矢量坐標(biāo)。不涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表述上也沒(méi)有二義性，因而STL文件的讀寫都非常簡(jiǎn)單。(2)與CAD建模方法無(wú)關(guān),在當(dāng)前的商用CAD造型系統(tǒng)中,主要存在特征表示法FeatureRepresentation)構(gòu)造實(shí)體幾何法(ConstructiveSolidGeometry,CSG)邊界表示法(BoundaryRepresentation，B-Rep)等主要形體表示方法，以及參量表示法(ParametricRepresentation).單元表示法(CellRepresentation)等輔助形體表示方法。當(dāng)前的商用CAD軟件系統(tǒng)一般根據(jù)應(yīng)用的要求和計(jì)算機(jī)技術(shù)條件采用上述幾種表示方法的混合方式，其模型的內(nèi)部表示格式都非常復(fù)雜。但無(wú)論CAD系統(tǒng)采用何種表示方法及何種內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它表達(dá)的三維模型表面都可以離散成三角形面片并輸出STL文件。2.STL文件格式的優(yōu)缺點(diǎn)1.2三維模型的STL文件2.STL文件格式的缺點(diǎn)

(1)數(shù)據(jù)余，文件龐大。高精度的STL文件比原始CAD數(shù)據(jù)文件大許多倍，具有大量數(shù)據(jù)冗余，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率很低。(2)使用小三角形面片來(lái)近似二維曲面，存在曲面誤差。由于各系統(tǒng)網(wǎng)格化算法不同，誤差產(chǎn)生的原因與趨勢(shì)也各不相同。要想減少誤差，一般只能采用增大STL文件精度等級(jí)的方法，這導(dǎo)致文件長(zhǎng)度增加，結(jié)構(gòu)更加龐大。(3)缺乏拓?fù)湫畔?，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，切片算法復(fù)雜。由于各種CAD系統(tǒng)的STL轉(zhuǎn)換器不盡相同，在生成STL文件時(shí)，容易產(chǎn)生多種錯(cuò)誤，診斷規(guī)則復(fù)雜，并且修復(fù)非常困難，增加了增材制造技術(shù)的加工難度與制造成本。2.STL文件格式的優(yōu)缺點(diǎn)1.2三維模型的STL文件1.STL文件的ASCII格式(1)ASCI格式的STL文件結(jié)構(gòu)ASCII格式的STL文件結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成:引導(dǎo)關(guān)鍵詞、頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量坐標(biāo)。任何ASCII格式的STL文件都以solid引導(dǎo)開(kāi)始，以endsolid標(biāo)志結(jié)束，兩個(gè)關(guān)鍵詞之間就包含了所有三角形面片的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。每個(gè)三角形面片坐標(biāo)數(shù)據(jù)，均以facet引導(dǎo)開(kāi)始，以endfacet標(biāo)志結(jié)束。facet放置的法向矢量坐標(biāo)以normal引導(dǎo)開(kāi)始，而頂點(diǎn)坐標(biāo)以outerloop引導(dǎo)開(kāi)始，以endloop標(biāo)志結(jié)束，并利用vertex引導(dǎo)每個(gè)頂點(diǎn)的x、Z三個(gè)標(biāo)值。ASCII格式的STL文件逐行給出三角形面片的幾何信息，每一行以1個(gè)或2個(gè)關(guān)鍵字開(kāi)頭。在STL文件中的三角形面片的信息單元facet是一個(gè)帶矢量方向的三角形面片，STL三維模型就是由一系列這樣的三角形面片構(gòu)成的。整個(gè)STL文件首行給出了文件路徑及文件名。在一個(gè)STL文件中，每一個(gè)facet由7行數(shù)據(jù)組成，facetnormal是三角形面片指向?qū)嶓w外部的法向矢量坐標(biāo)，outerloop說(shuō)明隨后的3行數(shù)據(jù)分別是三角形面片的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，3頂點(diǎn)沿指向?qū)嶓w外部的法向矢量方向逆時(shí)針排列(右手法則，大拇指代表法向矢量)。1格式及精度1.2三維模型的STL文件1.STL文件的ASCII格式下面以Notepad記事本軟件中文本格式的STL文件的前幾行文字為例來(lái)簡(jiǎn)要介紹STL文件結(jié)構(gòu)。(“//”及其后文字為作者加的注釋文字)。1格式及精度solidfilename//自定義文件頭，solid及最后的endsolid表示其間文本代表整個(gè)三角形面片構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù):flename就是這個(gè)STL文件的文件名。facetnormalxyz/facet和后面的endfacet表示其間文本代表一個(gè)三角形面片的數(shù)據(jù);法向矢量的3個(gè)分量值，oral就是該三角形面片的法向矢量，x、y、Z是該法向矢量的三個(gè)數(shù)值。outerloopvertexxyz//三角形面片第一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)vertex是頂點(diǎn)的意思vertexxyz//三角形面片第二個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)vertexxyz//三角形面片第三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)end1oopendfacet//完成一個(gè)三角形面片定義。....endsolidfilenamestl//整個(gè)STL文件定義結(jié)束。1.STL文件的ASCII格式(2)ASCII格式的特點(diǎn)ASCII格式的特點(diǎn):能被人工識(shí)別并被修改:文件占用空間大(一般6倍于BINARY形式存儲(chǔ)的STL文件);主要用來(lái)調(diào)試程序。1.2三維模型的STL文件1格式及精度從STL數(shù)據(jù)模型可以看出，它擬合實(shí)體表面的三角形面片信息是散亂、無(wú)序存儲(chǔ)的，平面片與平面片之間沒(méi)有體現(xiàn)幾何拓?fù)潢P(guān)系的信息，因此不能保證實(shí)體模型的有效性、封閉性。在每一個(gè)三角形面片的信息中都給出組成三角形面片的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)值。在相鄰的三角形面片的信息中，這些頂點(diǎn)的坐標(biāo)值被重復(fù)給出，如果一個(gè)頂點(diǎn)為多個(gè)三角形面片所共有，那么同樣的頂點(diǎn)坐標(biāo)值將在每個(gè)三角形面片中重復(fù)給出，造成了大量的幾余數(shù)據(jù)。2.STL文件的二進(jìn)制格式(1)2STL文件的二進(jìn)制格式二進(jìn)制格式的STL文件用84字節(jié)的頭文件和0字節(jié)的后述文件來(lái)描述一個(gè)三角形。這種格式的STL文件是從偏移地址0開(kāi)始的，頭80字節(jié)的存儲(chǔ)空間用于存放頭文件信息，存放零件的名字，第80~83字節(jié)地址空間用來(lái)存放該模型總的三角形面片的數(shù)量，每個(gè)三角形面片的數(shù)據(jù)信息則存放在后面的地址空間中。1.2三維模型的STL文件1格式及精度二進(jìn)制格式的STL文件給每個(gè)三角形面片分配了50字節(jié)的地址，主要分配如下:頭3個(gè)4字節(jié)地址空間依次存放法向量的x、yz值;最后的2字節(jié)空間用來(lái)描述三角形面片的屬性信息，包括顏色、屬性等，中間的所有字節(jié)存放三角形面片的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，同樣是一個(gè)數(shù)據(jù)占4字節(jié)空間。2.STL文件的二進(jìn)制格式(2)二進(jìn)制格式的特點(diǎn)1.2三維模型的STL文件1格式及精度我們注意到每個(gè)面的大小都是50字節(jié)，如果所生成的STL文件是由10000個(gè)小三角形構(gòu)成的,加上84字節(jié)的頭文件，那么該二進(jìn)制格式的STL文件的大小便是84+50X10000=500084B05MB。若在同樣的精度下，采用ASCII形式輸出該STL文件，則此時(shí)的STI文件的大小約為6X0.5=3.0MB。1.2三維模型的STL文件弦差指的是近似三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離。從弦差、表面積誤差及體積誤差的本身對(duì)比和表面積誤差、體積誤差之間的對(duì)比可以看出:隨著三角形數(shù)目的增多，同一模型采用STL格式逼近的精度會(huì)顯著地提高:不同形狀特征的CAD模型，在相同的精度條件要求下，最終生成的三角形數(shù)目的差異很大。1格式及精度3.STL文件的精度(1)小三角形數(shù)量的多少直接影響著近似逼近的精度STL文件的數(shù)據(jù)格式采用小三角形來(lái)近似逼近三維實(shí)體模型的外表面，小三角形數(shù)量的多少直接影響著近似逼近的精度。從本質(zhì)上看，用有限的小三角形面片的組合來(lái)逼近CAD模型表面，是原始模型的一階近似，因?yàn)樗话徑雨P(guān)系信息，不可能完全表達(dá)原始設(shè)計(jì)的意圖，和真正的表面有一定的距離，而在邊界上有凸凹現(xiàn)象，所以無(wú)法避免誤差。1.2三維模型的STL文件1格式及精度3.STL文件的精度(2)過(guò)高的STL文件精度要求也是不必要的過(guò)高的精度要求可能會(huì)超出快速成型制造系統(tǒng)所能達(dá)到的精度標(biāo)準(zhǔn)，而且三角形數(shù)量的增多會(huì)引起計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的加大，同時(shí)使切片處理時(shí)間顯著增加，有時(shí)截面的輪廊會(huì)產(chǎn)生許多小線段，不利于激光頭的掃描運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下和表面不光潔。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型1.STL文件的基本規(guī)則

(1)共頂點(diǎn)規(guī)則每?jī)蓚€(gè)相鄰的小三角形面片必須且只能共享兩個(gè)頂點(diǎn)。也就是說(shuō)，一個(gè)小三角形面片的頂點(diǎn)不能落在相鄰的任何一個(gè)小三角形面片的邊上。圖1-2所示為三角形中存在問(wèn)題的點(diǎn)。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型1.STL文件的基本規(guī)則

(2)取規(guī)則對(duì)于每一個(gè)小三角形面片，其法向矢量必須向外，3個(gè)頂點(diǎn)連成的矢量方向按照逆時(shí)針?lè)较虻捻樞虼_定(右手法則)，而且，對(duì)于相鄰的小三角形面片，不能出現(xiàn)取向矛盾。圖1-3所示為切面的方向性示意圖。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型1.STL文件的基本規(guī)則

(3)取值規(guī)則：每個(gè)小三角形面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)值必須是正值，零和負(fù)值都會(huì)導(dǎo)致失敗。(4）充滿規(guī)則：在三維模型的所有表面上，必須布滿小三角形面片，不得有任何遺漏。這就叫作充滿規(guī)則，也被稱作合法實(shí)體規(guī)則。(5）歐拉式：STL文件中頂點(diǎn)數(shù)、邊數(shù)E、面片數(shù)F之間必須符合歐拉公式。F-E+V=2-2H其中，F(xiàn)(Face)、E(Edge)、7(Vertex)H(Hole)分別指面數(shù)、邊數(shù)、點(diǎn)數(shù)和實(shí)體中穿透的孔洞數(shù)。若輪廓不封閉，則不能產(chǎn)生填充掃描數(shù)據(jù)，會(huì)造成成型制作的失敗。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型2.STL文件錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因(1)將CAD模型轉(zhuǎn)化為STL文件時(shí)，會(huì)由于算法的不完善而產(chǎn)生錯(cuò)誤，如間隙、法向矢量錯(cuò)誤、重疊面等?，F(xiàn)代大多數(shù)CAD系統(tǒng)的曲面造型均建立在裁剪曲面體系上，絕大多數(shù)具有復(fù)雜外形的產(chǎn)品在曲面造型時(shí)要進(jìn)行多次裁剪操作,從而往往使曲面的邊界極不規(guī)則。特別是由于裁剪曲面(TrimmedSurface)邊界的近似性，導(dǎo)致兩個(gè)相鄰的裁剪曲面之間的公共邊界的表示精度不同，容易產(chǎn)生裂縫和重疊。(2)在把用面框模型方法設(shè)計(jì)的CAD模型轉(zhuǎn)化為STL文件時(shí)，由于面模型的局限性和算法的不完善，也容易產(chǎn)生相鄰三角形面片的法向矢量所確定的零件內(nèi)外不一致等錯(cuò)誤。(3)CAD設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題或錯(cuò)誤。3D打印模型的內(nèi)外表面必須是連續(xù)的、封閉的，不允許有間隙等缺陷。然而，CAD模型不總是滿足這些要求，特別是用面框模型方法構(gòu)造CAD模型時(shí)更是如此。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型3.常見(jiàn)的STL文件錯(cuò)誤類型(1)遺漏(間隙)遺漏錯(cuò)誤產(chǎn)生原因示意圖如圖1-4所示。出現(xiàn)遺漏的原因:一是2個(gè)小三角形面片在空間的交差[見(jiàn)圖1-4(a)]，這種情況主要是在低質(zhì)量的實(shí)體布爾運(yùn)算生成STL文件過(guò)程中產(chǎn)生的；二是2個(gè)連接表面在三角形化時(shí)不匹配[見(jiàn)圖1-4(b)]。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型3.常見(jiàn)的STL文件錯(cuò)誤類型(2)退化面一孤立面(OrphanSurface)退化的面是STL文件中另一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。退化面形成示意圖如圖1-5所示。不像上面所說(shuō)的錯(cuò)誤，它不會(huì)造成快速成型加工過(guò)程的失敗。這種錯(cuò)誤主要包括以下2種類型：0點(diǎn)共線[見(jiàn)圖1-5(a)]?；蛘呤?，不共線的面在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中形成了三點(diǎn)共線的面。@點(diǎn)重合[見(jiàn)圖1-5(b)]。或者是，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算時(shí)造成了這種結(jié)果。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型3.常見(jiàn)的STL文件錯(cuò)誤類型(2)退化面一孤立面(OrphanSurface)退化的面是STL文件中另一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。退化面形成示意圖如圖1-5所示。不像上面所說(shuō)的錯(cuò)誤，它不會(huì)造成快速成型加工過(guò)程的失敗。這種錯(cuò)誤主要包括以下2種類型：0點(diǎn)共線[見(jiàn)圖1-5(a)]?；蛘呤?，不共線的面在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中形成了三點(diǎn)共線的面。@點(diǎn)重合[見(jiàn)圖1-5(b)]?；蛘呤?，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算時(shí)造成了這種結(jié)果。1.2三維模型的STL文件2基本規(guī)則與錯(cuò)誤類型3.常見(jiàn)的STL文件錯(cuò)誤類型(4)法向矢量錯(cuò)誤拼接可以將多個(gè)尺寸相對(duì)偏小的STL模型合并成一個(gè)STL模型，并在同一工作臺(tái)上同時(shí)成型。目的是節(jié)省快速成型機(jī)的機(jī)時(shí)，降低成型費(fèi)用，提高成型效率。(3)模型錯(cuò)誤模型錯(cuò)誤不是在STL文件轉(zhuǎn)換過(guò)程中形成的，而是由CAD/CAM系統(tǒng)中原始模型的錯(cuò)誤引起的，這種錯(cuò)誤將在快速成型制造過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)。(5)重疊面如果存在一個(gè)內(nèi)部重疊面，那么掃描時(shí)會(huì)在重疊位置間斷，會(huì)引起成型制作的質(zhì)量問(wèn)題。1.2三維模型的STL文件3分割和拼接1.STL文件分割與拼接的意義(1)拼接可以將多個(gè)尺寸相對(duì)偏小的STL模型合并成一個(gè)STL模型，并在同一工作臺(tái)上同時(shí)成型。目的是節(jié)省快速成型機(jī)的機(jī)時(shí)，降低成型費(fèi)用，提高成型效率。在實(shí)際快速成型制作過(guò)程中，如果所要制作的模型尺寸相對(duì)于快速成型系統(tǒng)臺(tái)面尺寸過(guò)大或過(guò)小，那么必須要對(duì)STL模型進(jìn)行部切處理或者有必要進(jìn)行拼接處理。(2)如果一個(gè)STL模型的尺寸超過(guò)了成型機(jī)工作臺(tái)尺寸而無(wú)法一次成型，那么可采用分割STL模型的方法將一個(gè)STL模型分成多個(gè)STL模型，而后在成型機(jī)上依次加工，將加工好的各個(gè)部分黏合還原成整體模型，這樣就解決了快速成型機(jī)加工尺寸范圍有限的問(wèn)題。1.2三維模型的STL文件3分割和拼接2.分割的基本原理分割后的每部分必須要有構(gòu)成完整三維實(shí)體模型的幾何信息?？焖俪尚拖到y(tǒng)中的二維實(shí)體模型是由許多個(gè)空間三角形逼近的表面模型，因此分割實(shí)質(zhì)上就是如何將若工空間三角形以一個(gè)平面為界，分成若于空間三角形集合的問(wèn)題。位于平面不同側(cè)面的三角形集合構(gòu)成不司的小實(shí)體。但是，每個(gè)小實(shí)體均缺少一個(gè)封閉面，存在一個(gè)“空間”，就像一個(gè)桶缺少一個(gè)蓋子一樣因此，必須要生成一個(gè)封閉面，將每一個(gè)實(shí)體完全封閉。。將一個(gè)STL文件分成兩個(gè)新STL文件，即用多個(gè)面將一個(gè)STL模型分成若部分，每部分重新構(gòu)成一個(gè)STL模型，每個(gè)新STL文件對(duì)應(yīng)一個(gè)新生成的STL模型。具體地說(shuō)，分割就是用一個(gè)平面將一個(gè)空間物體分成兩部分，實(shí)際上是平面與空間物體的求交問(wèn)題。1.2三維模型的STL文件3分割和拼接2.分割的基本原理三維實(shí)體表面與切割平面相交的交線是截面輪廓線，顯然，截面輪廓線不可能直接構(gòu)成一個(gè)面，必須將截面輪廓的內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的區(qū)域、單個(gè)外環(huán)內(nèi)的區(qū)域用三角形網(wǎng)格填充封閉，形成輪廓截面，這個(gè)輪廓截面就是實(shí)體的封閉面。加入該封閉面，每個(gè)實(shí)體就可以形成個(gè)完整獨(dú)立的三維CAD實(shí)體模型。至此，一個(gè)實(shí)體被分割成兩個(gè)實(shí)體03三維模型的切片處理PARTTHREE三維打印中最重要的組成部分之一便是切片技術(shù)，切片技術(shù)使用切片算法，通過(guò)一定的方式將計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的二維數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為三維打印機(jī)器能夠識(shí)別的G代碼，指導(dǎo)二維打印機(jī)器實(shí)現(xiàn)二維打印，因此切片算法的選擇在很大程度上影響著三維打印產(chǎn)品的成型速度及成型質(zhì)量。目前，國(guó)際上部分STL瀏覽和編輯軟件具有STL文件的分制功能，最具代表性的有Magics、Netfabb、SolidView、Simplify3D、Cura等軟件系統(tǒng)。專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)包括模型設(shè)計(jì)處理和路徑規(guī)劃等較為完整的數(shù)據(jù)處理模塊，集成了增材制造所需的常用數(shù)據(jù)處理功能，如數(shù)據(jù)讀取、模型預(yù)處理、模型檢測(cè)、模型修復(fù)、支撐設(shè)計(jì)、切層輪廓生成、布局排樣路徑規(guī)劃等。1.3三維模型的切片處理切片的目的是要將模型以片層方式來(lái)描述。通過(guò)這種描述，無(wú)論零件多么復(fù)雜，對(duì)每一層來(lái)說(shuō)卻是很簡(jiǎn)單的平面。切片處理是將計(jì)算機(jī)中的幾何模型變成輪廓線來(lái)表述。這些輪廓線代表了片層的邊界，輪廓線是由一系列的環(huán)路來(lái)組成的，而一個(gè)環(huán)路是由許多點(diǎn)來(lái)組成的.切片軟件的主要任務(wù)是接收正確的STL文件，并生成指定方向的截面輪廓線和網(wǎng)格掃描線。圖1-6所示為切片軟件的主要作用及任務(wù)。1.3三維模型的切片處理1.3三維模型的切片處理模型的擺放和支撐結(jié)構(gòu)11.模型的擺放擺放方向可能對(duì)零件強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，特別是對(duì)于需要承受力的零件。FDM技術(shù)有各向異性的問(wèn)題，XY平面方向的強(qiáng)度會(huì)和Z方向的強(qiáng)度不一樣。FDM技術(shù)打印的零件如果在Z方向受到了拉伸力，那么會(huì)比較容易產(chǎn)生分層或者斷裂的問(wèn)題，同樣的力應(yīng)用到XY方向則可能沒(méi)有問(wèn)題。通過(guò)一些公開(kāi)的測(cè)試報(bào)告可知，XY方向承受拉伸力的強(qiáng)度有可能是7軸方向的5倍。1.3三維模型的切片處理模型的擺放和支撐結(jié)構(gòu)11.模型的擺放擺放方向可能對(duì)零件強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，特別是對(duì)于需要承受力的零件。FDM技術(shù)有各向異性的問(wèn)題，XY平面方向的強(qiáng)度會(huì)和Z方向的強(qiáng)度不一樣。FDM技術(shù)打印的零件如果在Z方向受到了拉伸力，那么會(huì)比較容易產(chǎn)生分層或者斷裂的問(wèn)題，同樣的力應(yīng)用到XY方向則可能沒(méi)有問(wèn)題。通過(guò)一些公開(kāi)的測(cè)試報(bào)告可知，XY方向承受拉伸力的強(qiáng)度有可能是7軸方向的5倍。1.3三維模型的切片處理不同的擺放方法，對(duì)添加支撐的要求也不一樣。選擇成型方向主要需要考慮以下幾條原則。(1)使垂直面數(shù)量最大化。(2)使法向上的水平面最大化。(3)使模型中孔的軸線平行于加工方向的數(shù)量最大化。(4)使平面內(nèi)曲線邊界的截面數(shù)量最大化。(5)使斜面的數(shù)量最少。(6)使懸臂結(jié)構(gòu)的數(shù)量最少。模型的擺放和支撐結(jié)構(gòu)11.3三維模型的切片處理2.支撐材料目前FDM技術(shù)常用的支撐材料有可剝離性支撐材料和水溶性支撐材料兩種。(1)可剝離性支撐材料，具有一定的脆性，并且與成型材料之間形成較弱的黏結(jié)力。(2)水溶性支撐材料，要保證良好的水溶性，應(yīng)能在一定時(shí)間內(nèi)溶于水或酸堿性水溶液與可剝離支撐材料相比較，水溶性支撐材料特別適合制造空心及微細(xì)特征零件，解決了手工不易去除支撐材料，或因模型特征太脆弱而被拆破的問(wèn)題，并且能夠提升支撐材料接觸面的光潔度。常用的水溶性支撐材料有PVA(可溶于水)HIPS(可溶于檸檬烯)，成型完畢后將制件置于水中，支撐材料即可融化，去除非常方便。支撐材料的收縮率越小越好，如果支撐材料收縮率大，那么會(huì)使支撐材料產(chǎn)生翹曲變形而起不到支撐作用。FDM過(guò)程中絲料要經(jīng)受固態(tài)一液態(tài)一固態(tài)的轉(zhuǎn)變，故要求支撐材料在相變過(guò)程中要有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。支撐材料要長(zhǎng)時(shí)間處于80C左右的工作環(huán)境中，所以要求材料應(yīng)有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且在80C左右的溫度下還應(yīng)保持一定的力學(xué)強(qiáng)度。模型的擺放和支撐結(jié)構(gòu)11.3三維模型的切片處理3.支撐的作用和類型支撐是為模型提供支撐和定位的輔助結(jié)構(gòu)，良好的支撐必須保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，防止變形和偏移。有的模型本身相對(duì)復(fù)雜，甚至有嵌套結(jié)構(gòu)，但是上下寬度相同，或是下大上小，沒(méi)有懸空的部分，因而也就不用添加支撐。任何超過(guò)45”的突出物都需要額外的支撐材料，添加完支撐之后還要進(jìn)行分層操作。支撐的主要類型有點(diǎn)支撐、線支撐、網(wǎng)支撐、塊支撐、輪廓支撐、三角支撐、整體支撐等。按其作用不同，支撐可分為基底支撐和對(duì)零件模型的支撐兩種。1)基底支撐的主要作用:便于將零件從工作臺(tái)上取出:保證預(yù)成型的制件處于水平位置，消除工作臺(tái)不平整所引起的誤差;有利于減小或消除翹曲變形。(2)對(duì)零件模型的支撐是為模型提供支撐和定位的輔助結(jié)構(gòu)，良好的支撐必須保證足夠的強(qiáng)度，使自身和其承載模型不會(huì)變形或偏移，保證零件模型的精度和質(zhì)量。模型的擺放和支撐結(jié)構(gòu)11.3三維模型的切片處理4.支撐的加工與去除支撐的加工必然要消耗一定時(shí)間，在滿足支撐作用的前提下，加工時(shí)間越短越好。因此在滿足強(qiáng)度的前提條件下，支撐應(yīng)盡可能小，也可加大支撐掃描間距，從而縮短支撐成型時(shí)間。目前，許多FDM成型機(jī)已經(jīng)采用雙噴頭進(jìn)行成型，一個(gè)噴頭加工實(shí)體材料，另一個(gè)加工支撐材料，實(shí)體材料和支撐材料并不相同，如此不僅可以節(jié)省加工時(shí)間，也便于去除支撐材料。制件制造完成后，需要將支撐和本體分開(kāi)。如果制件和支撐黏結(jié)過(guò)分牢固，那么不但不易去除，還會(huì)降低制件的表面質(zhì)量，甚至可能在去除時(shí)破壞制件。顯然，支撐與制件結(jié)合部分越小，支撐越容易去除。在不發(fā)生翹曲變形的前提下，建議將結(jié)合部分設(shè)計(jì)成鋸齒形以方便去除。模型的擺放和支撐結(jié)構(gòu)11.3三維模型的切片處理分層切片軟件2圖1-7所示為STL切片處理過(guò)程。幾何體指的是經(jīng)過(guò)STL格式化的模型。平面指的是垂直于成型方向的一組相互平行的平面。其算法的基本思想:計(jì)算每一層的截面輪廓時(shí)，分析各個(gè)三角形面片和切片平面的位置關(guān)系，若相交，則求交線。求出模型與該切片平面的所有交線后，將各段交線有序地連接起來(lái)，得到模型在該層的截面輪廓。1.3三維模型的切片處理分層切片軟件22.切片的過(guò)程如下

(1)將三維模型轉(zhuǎn)化成STL文件。(2)沿成型高度方向(一般為Z方向)，自上而下，每間隔一定高度(如0.1mm)，逐一用與Z軸正方向垂直的平面與STL格式化的模型相交，求取它們的交點(diǎn)。(3)在獲得交點(diǎn)后，可以根據(jù)一定的規(guī)則，選取有效頂點(diǎn)組成邊界輪廓線。(4)獲得邊界輪廓后，按照外輪廓逆時(shí)針、內(nèi)輪廓順時(shí)針的方向標(biāo)記，為后續(xù)掃描路徑生成中的算法處理做準(zhǔn)備。(5)切片的整個(gè)過(guò)程一般由快速成型系統(tǒng)所附帶的切片處理軟件來(lái)完成，切片處理軟件能按照設(shè)計(jì)的程序白動(dòng)提取模型的截面輪廓，并對(duì)內(nèi)外邊界進(jìn)行標(biāo)定。1.3三維模型的切片處理分層切片軟件23.切片軟件分層軟件，就是把3D模型按照層厚設(shè)置沿Z軸方向的分層，并得到G代碼，供設(shè)備使用。常見(jiàn)的通用切片軟件有Cura、Simplify3D、RepetierHost。(1)Cura是Ultimaker公司設(shè)計(jì)的3D打印軟件，以“高度整合性”和“容易使用”為設(shè)計(jì)目標(biāo)。它包含了所有3D打印需要的功能，有模型切片及打印機(jī)控制兩大部分。Cura的優(yōu)點(diǎn):快速3D模型切片預(yù)打印文件的切片精度最高可到20um;具有更加簡(jiǎn)單易用的軟件界面:支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件類型(STL/OBJ/DAE/AMF):設(shè)置4個(gè)簡(jiǎn)單參數(shù)便可快速入門打印;具有多參數(shù)設(shè)置的專家模式。Cura是一個(gè)通過(guò)Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，使用wxPython圖形界面架的3D打印切片界面軟件，說(shuō)它是界面軟件是因?yàn)镃ura本身并不會(huì)進(jìn)行實(shí)際的切片操作。實(shí)際的切片工作是由一個(gè)C+實(shí)現(xiàn)的CuraEngine命令行軟件來(lái)具體負(fù)責(zé)的,用戶在Cura界面上的絕大多數(shù)操作，如加載模型、平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)縮放、參數(shù)設(shè)置等最終會(huì)轉(zhuǎn)換并執(zhí)行一條CuraEngine命令;CuraEngine命令把輸入的STL、DAE或OBJ模型文件切片輸出成G-Code字符串返回給Cura;Cura再把G-Code在3D界面上可視化成路徑展現(xiàn)給用戶。1.3三維模型的切片處理分層切片軟件23.切片軟件(3)RepetierHost，這款軟件使用便捷，易于設(shè)置，具有手動(dòng)調(diào)試、模型切片等一系列功能。這款軟件非常適合創(chuàng)客發(fā)燒友使用，更方便、更廉價(jià)、更適合手動(dòng)調(diào)整。(2)Simplifv3D是一款專業(yè)實(shí)用的3D打印切片軟件，該軟件有強(qiáng)大的功能，可自由添加支撐，支持雙色打印和多模型打印，可預(yù)覽打印過(guò)程，且軟件自帶多種填充圖案，可以與主流的打印機(jī)兼容。1.3三維模型的切片處理切片的分類31.STL切片

(1)容錯(cuò)切片容錯(cuò)切片(TolerateErrorsSlicing):基本上避開(kāi)了STL文件三維層次上的糾錯(cuò)問(wèn)題，可以直接對(duì)STL文件切片，并在二維層次上進(jìn)行修復(fù)。由于二維輪廓信息十分簡(jiǎn)單，并具有閉合性、不相交等簡(jiǎn)單的約束條件，特別是對(duì)于一般機(jī)械零件實(shí)體模型而言，其切片輪廓多由簡(jiǎn)單的直線、圓弧、低次曲線組合而成，因而能容易地在輪廓信息層次上發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，依照以上多種條件與信息，進(jìn)行多余輪廓去除、輪廓斷點(diǎn)插補(bǔ)等操作，可以切出正確的輪廓。對(duì)于不封閉的輪廓，采用評(píng)價(jià)函數(shù)和裂紋跟蹤處理，在一般三維實(shí)體模型隨機(jī)丟失10%三角形的情況下，都可以切出有效的邊界輪廓。