3D打印數(shù)據(jù)格式目錄TOC\h\h第1章緒論\h1.13D打印概述\h1.23D打印工藝分類\h1.33D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)\h1.43D打印發(fā)展趨勢(shì)\h1.53D打印的未來(lái)\h1.5.14D打印技術(shù)\h1.5.25D打印技術(shù)\h第2章3D打印的數(shù)學(xué)模型\h2.13D打印的本質(zhì)\h2.2實(shí)體建模方法\h2.3傳統(tǒng)3D打印\h2.3.1傳統(tǒng)3D打印處理過(guò)程\h2.3.2傳統(tǒng)3D模型來(lái)源\h2.3.3相關(guān)格式體系\h2.4現(xiàn)代3D打印\h2.4.1現(xiàn)代3D打印主要內(nèi)容\h2.4.2統(tǒng)一數(shù)字化表達(dá)模型\h2.4.3相關(guān)格式體系\h第3章3D打印中三維實(shí)體建模數(shù)據(jù)格式\h3.1STL格式\h3.1.1STL概述\h3.1.2STL組織構(gòu)成\h3.1.3STL格式分析\h3.2AMF格式\h3.2.1AMF概述\h3.2.2AMF組織構(gòu)成\h3.2.3AMF格式分析\h3.2.4AMF對(duì)彩色信息的支持詳解\h3.2.5AMF對(duì)曲面三角形的支持詳解\h3.2.6AMF對(duì)微結(jié)構(gòu)的支持詳解\h3.33MF格式\h3.3.13MF概述\h3.3.23MF文檔組織\h3.3.33MF格式分析\h3.4IGES格式\h3.4.1IGES概述\h3.4.2IGES文件組織構(gòu)成\h3.4.3IGES格式實(shí)例分析\h3.4.4IGES格式分析\h3.5SAT格式\h3.5.1SAT概述\h3.5.2SAT組織構(gòu)成\h3.5.3SAT格式分析\h3.6STEP格式\h3.6.1STEP概述\h3.6.2STEP組織構(gòu)成\h3.6.3STEP格式分析\h3.7PLY格式\h3.7.1PLY概述\h3.7.2PLY組織構(gòu)成\h3.7.3PLY格式分析\h3.8OBJ格式\h3.8.1OBJ概述\h3.8.2OBJ/MTL組織構(gòu)成\h3.8.3OBJ/MTL文件分析\h3.9VRML/X3D格式\h3.9.1VRML概述\h3.9.2X3D概述\h3.9.3VRML組織構(gòu)成\h3.9.4VRML格式分析\h3.10FBX格式\h3.10.1FBX概述\h3.10.2FBX組織構(gòu)成\h3.10.3FBX格式分析\h3.11DICOM格式\h3.11.1DICOM格式概述\h3.11.2DICOM格式標(biāo)準(zhǔn)概述\h3.11.3DICOM格式文件的三層模型\h3.12PCD格式\h3.12.1點(diǎn)云表達(dá)方法介紹\h3.12.2PCD格式概述\h3.12.3PCD組織構(gòu)成\h3.12.4PCD格式分析\h第4章3D打印中二維層面數(shù)據(jù)格式\h4.1SLC格式\h4.1.1SLC概述\h4.1.2SLC組織構(gòu)成\h4.1.3SLC格式分析\h4.2CLI格式\h4.2.1CLI概述\h4.2.2CLI組織構(gòu)成\h4.2.3CLI格式分析\h4.3ZIF格式\h4.3.1ZIF概述\h4.3.2ZIF組織構(gòu)成\h4.3.3ZIF格式分析\h4.4BMP格式\h4.4.1BMP概述\h4.4.2BMP組織構(gòu)成\h4.5PNG格式\h4.5.1PNG概述\h4.5.2PNG文件結(jié)構(gòu)\h4.5.3PNG格式特點(diǎn)\h4.5.4BMP/PNG格式對(duì)比\h4.6HPGL格式\h4.6.1HPGL概述\h4.6.2HPGL組織構(gòu)成\h4.6.3HPGL格式分析\h第5章3D打印中加工層次數(shù)據(jù)格式\h5.1GCode語(yǔ)言\h5.1.1GCode概述\h5.1.2GCode結(jié)構(gòu)分析\h5.2ST語(yǔ)言\h5.2.1ST概述\h5.2.2ST組織構(gòu)成\h5.2.3ST語(yǔ)言分析第1章緒論1.13D打印概述3D打?。?Dprinting)技術(shù)，又稱為增材制造（additivemanufacturing，AM)技術(shù)，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體的一種先進(jìn)制造技術(shù)，體現(xiàn)了信息技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)與數(shù)字制造技術(shù)的交叉融合。相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造（材料去除，如切削加工)技術(shù)，3D打印是一種“自下而上”進(jìn)行材料累加的制造方法。3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代末誕生以來(lái)不斷發(fā)展，期間也被稱為“材料累加制造”（materia1increasemanufacturing)、“快速原型”（rapidprototyping)、“分層制造”（1ayeredmanufacturing)、“實(shí)體自由制造”（so1idfreeformfabrication)等技術(shù)。名稱各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)。3D打印作為一個(gè)術(shù)語(yǔ)，有多個(gè)層次的含義。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM)F42國(guó)際委員會(huì)對(duì)增材制造和3D打印兩個(gè)詞匯有明確的概念定義。增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)將材料連接制作物體的過(guò)程，相對(duì)于減材制造它通常是一種逐層累加的制造過(guò)程。狹義層次上的3D打印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)沉積材料來(lái)制造物體的技術(shù)，在特指設(shè)備時(shí)，3D打印通常指相對(duì)價(jià)格或總體功能低端的增材制造設(shè)備；廣義層次上的3D打印也常用來(lái)表示增材制造技術(shù)，在本書中，取其廣義含義。3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”，解決許多過(guò)去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問(wèn)題，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且對(duì)于結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的產(chǎn)品，采用3D打印技術(shù)制造的優(yōu)勢(shì)越顯著。近30年來(lái)，3D打印技術(shù)取得了快速的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用，如在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。3D打印最顯著的特點(diǎn)是特別適合單件或小批量的快速制造，這一技術(shù)特點(diǎn)決定了3D打印在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著的作用。同時(shí)，美國(guó)惠普公司的多射流熔融（mu1tijetfusion)與惠普金屬噴射（HPmeta1jet)技術(shù)，美國(guó)Carbon3D公司的連續(xù)液面生產(chǎn)（continuous1iquidinterfaceproduction)等新型3D打印技術(shù)則有望在批量制造(萬(wàn)件甚至更高)中獲得與傳統(tǒng)注塑機(jī)及加工中心基本一致的生產(chǎn)效率，而加工的形狀可以非常復(fù)雜，每一件產(chǎn)品都可以具備個(gè)性化的設(shè)計(jì)，有可能顛覆未來(lái)的制造業(yè)。美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”之一。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志于2012年4月發(fā)表《第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng)新》的專題報(bào)道，其中將3D打印技術(shù)與前兩次工業(yè)革命技術(shù)(蒸汽機(jī)技術(shù)、電力技術(shù))進(jìn)行類比，并定義了以3D打印技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命。該報(bào)道認(rèn)為該技術(shù)改變了未來(lái)的生產(chǎn)與生活模式，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造，每個(gè)人都可以成為一個(gè)工廠，它將改變制造商品的方式，并改變世界的經(jīng)濟(jì)格局，進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳罘绞?。例如，日后的制造業(yè)，原材料的形式有可能是粉體或液體材料，每個(gè)家庭都可以成為一個(gè)工廠，企業(yè)可能只生產(chǎn)一些控制部件，外殼之類的部件完全可以自己打印。這一方面節(jié)約了成本，另外也能滿足個(gè)性化的需求。設(shè)計(jì)師也有可能不再隸屬于某個(gè)企業(yè)，而是成為一個(gè)“創(chuàng)客”，他們的設(shè)計(jì)可直接放在云計(jì)算平臺(tái)上，顧客看到漂亮的設(shè)計(jì)圖可以直接購(gòu)買、下載、打印。1.23D打印工藝分類自20世紀(jì)80年代美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)商用3D打印設(shè)備(光固化成形機(jī))后，3D打印技術(shù)在至今30多年時(shí)間內(nèi)得到了快速發(fā)展，各種風(fēng)格迥異的3D打印工藝層出不窮。但它們都是基于離散降維思想的材料累加制造，即將具備復(fù)雜形貌乃至多材料、多尺度結(jié)構(gòu)特征的三維零件分解為一系列二維離散層面(可以為平面或者曲面)或者連續(xù)的一維加工路徑，由此以一種統(tǒng)一的、簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)零件的逐點(diǎn)逐域成形。ASTM在3D打印工藝層面將當(dāng)前主流的3D打印技術(shù)分為以下七類：材料擠壓(materia1extrusion)、光固化(vatphotopo1ymerization)、粉末床融化(powderbedfusion)、黏合劑噴射(binderjetting)、材料噴射(materia1jetting)、層積(sheet1amination)、定向能量沉積(directedenergydeposition)。(1)材料擠壓工藝，所用的材料為塑料絲材或者泥漿(建筑打印領(lǐng)域)等，通過(guò)加熱在擠出頭以液態(tài)的形式擠出，逐層打印最終在成形臺(tái)面形成3D實(shí)體制件，如圖1—1(a)所示。該工藝設(shè)備價(jià)格低廉，系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單，支撐去除簡(jiǎn)單，無(wú)須化學(xué)清洗，可用于桌面打印辦公環(huán)境，且打印出來(lái)的制件結(jié)構(gòu)性能較高。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：FDM(fuseddepositionmode1ing)等。(2)光固化工藝，所用的材料主要是光敏樹脂，利用光敏樹脂在激光、紫外線或者投影的照射下發(fā)生固化反應(yīng)，凝固成產(chǎn)品的形狀，如圖1—1(b)所示。該工藝成形過(guò)程自動(dòng)化程度高，成形制件具有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：SLA(stereo1ithographyapparatus)，DLP(digita11ightprocessing)、FFF(fusedfi1amentfabrication)等。(3)粉末床融化工藝，所用的材料主要是塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、砂等，通過(guò)每一層有選擇性地融化粉末床材料，逐層打印最終成形制件實(shí)體，如圖1—1(c)所示。該工藝所用材料廣泛，打印的過(guò)程不需要考慮支撐情況，制作工藝比較簡(jiǎn)單。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：SLS(se1ective1asersintering)、SLM(se1ective1aserme1ting)、EBM(e1ectronbeamme1ting)、MJF(mu1tijetfusion)、DMLS(directmeta11asersintering)等。圖1—1ASTM劃分的七種3D打印工藝(4)黏合劑噴射工藝，所用的材料主要是塑料粉末、金屬粉末、陶瓷粉末等，通過(guò)噴射黏合劑逐層擠入到材料粉末床上，最終成形制件實(shí)體，如圖1—1(d)所示。該工藝所用材料廣泛且支持全彩打印，粉末在成形過(guò)程中起支撐作用，且成形結(jié)束后比較容易去除。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：3DP(3Dprinting)等。(5)材料噴射工藝，所用的材料主要是樹脂、蠟等，將材料一層一層地鋪放，并通過(guò)化學(xué)樹脂、熱熔材料成形制件，如圖1—1(e)所示。該工藝可以打印出高質(zhì)量、細(xì)節(jié)清晰的3D模型，可以成形全彩制件以及同時(shí)含有多種材料的制件。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：Po1yJet、SCP(smoothcurvaturesprinting)、MJM(mu1tijetmode1)等。(6)層積工藝，所用的材料主要是紙張、塑料以及金屬鉑等，將片狀材料利用黏膠化學(xué)方法或者超聲焊接、釬焊的方式壓合在一起，多余的部分被層層切割，并在最終制件成形后剝離取出，如圖1—1(f)所示。該工藝打印成本較低。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：LOM(1aminatedobjectmanufacture)、SDL(se1ectivedeposition1amination)、UAM(u1trasonicadditivemanufacturing)等。(7)定向能量沉積工藝，所用的材料主要是金屬粉末、金屬絲材、陶瓷等，利用激光或者電子束將金屬粉末或者金屬絲材等材料在制件表面上熔融固化，如圖1—1(g)所示。此工藝容易實(shí)現(xiàn)大尺寸制件加工，且配合機(jī)械手加工自由度較高，可以在同一種制件上采用多種材料進(jìn)行加工處理。在市場(chǎng)上應(yīng)用此工藝的典型技術(shù)有：LMD(1asermeta1deposition）、LENS(1aserengineerednetshaping）、DMD(directmeta1deposition）等。1.33D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)3D打印技術(shù)將三維實(shí)體加工變?yōu)槿舾啥S平面的堆積成形，規(guī)避了刀具干涉效應(yīng)，因而不需要考慮傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺(tái)設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的制件，大大降低了制造復(fù)雜度，從而實(shí)現(xiàn)了零件"自由制造"。而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其優(yōu)勢(shì)就越顯著?；谥瘘c(diǎn)逐域成形原理，現(xiàn)代多材料3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)零件的不同部分選用不同的材料、微結(jié)構(gòu)乃至調(diào)節(jié)微觀組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的材料結(jié)構(gòu)一體化加工。概括地說(shuō)，3D打印技術(shù)正在逐步突破以下四個(gè)方面的制造技術(shù)復(fù)雜性瓶頸。．形狀復(fù)雜性：3D打印幾乎可以制造任意復(fù)雜程度的形狀和結(jié)構(gòu)。．材料復(fù)雜性：3D打印既可以制造單一材料的產(chǎn)品，又能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)材料乃至梯度功能材料零件的直接制造。．層次復(fù)雜性：3D打印允許跨越多個(gè)尺度(從微觀結(jié)構(gòu)到零件級(jí)的宏觀結(jié)構(gòu)）的模型設(shè)計(jì)與整體制造。．功能復(fù)雜性：3D打印可以在一次加工過(guò)程中完成功能和結(jié)構(gòu)的一體化制造，從而簡(jiǎn)化甚至省略裝配過(guò)程。1.43D打印發(fā)展趨勢(shì)縱觀當(dāng)前3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋社會(huì)生產(chǎn)生活的方方面面。傳統(tǒng)3D打印技術(shù)可以輕易突破形狀復(fù)雜性，即克服傳統(tǒng)制造技術(shù)在形狀復(fù)雜性方面的技術(shù)瓶頸，快速制造出傳統(tǒng)工藝難以加工甚至無(wú)法加工的復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)特征。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代3D打印技術(shù)已經(jīng)超越傳統(tǒng)3D打印的單材均質(zhì)加工技術(shù)的限制，向突破其余的三個(gè)復(fù)雜性發(fā)展。即在材料復(fù)雜性層面實(shí)現(xiàn)多材料、梯度功能材料、多色及真彩色表面紋理貼圖零件的直接制造；在層次復(fù)雜性層面可實(shí)現(xiàn)跨越多個(gè)尺度(從微觀結(jié)構(gòu)到零件級(jí)的宏觀結(jié)構(gòu)）直接制造；在功能復(fù)雜性層面可以在一次加工過(guò)程中完成功能和結(jié)構(gòu)的一體化制造，從而簡(jiǎn)化甚至省略裝配過(guò)程。3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。1.向日常消費(fèi)品制造方向發(fā)展3D打印技術(shù)可直接將計(jì)算機(jī)中的三維圖形輸出為三維的彩色物體，在科學(xué)教育、工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。其發(fā)展方向是提高精度、降低成本、發(fā)展高性能材料。2.向功能零件制造發(fā)展采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形技術(shù)。該技術(shù)可以直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件，制件力學(xué)性能可以達(dá)到鍛件性能指標(biāo)，其發(fā)展方向是進(jìn)一步提高精度和性能，同時(shí)向陶瓷零件的3D打印技術(shù)和復(fù)合材料的3D打印技術(shù)發(fā)展。3.向智能化裝備發(fā)展目前3D打印設(shè)備在軟件功能和后處理方面還有許多問(wèn)題需要優(yōu)化。例如，成形過(guò)程中需要加支撐，軟件智能化和自動(dòng)化需要進(jìn)一步提高；制造過(guò)程、工藝參數(shù)與材料的匹配性需要智能化；加工完成后的粉料或支撐的去除等問(wèn)題。這些問(wèn)題直接影響設(shè)備的使用和推廣，設(shè)備智能化是3D打印技術(shù)走向普及的保證。4.向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展實(shí)現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。例如，在制造復(fù)合材料零件時(shí)，將復(fù)合材料組織設(shè)計(jì)制造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造同步完成，從微觀到宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)同步制造，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設(shè)計(jì)－材料－制造”一體化。支撐生物組織制造，復(fù)合材料、功能材料、智能材料等的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，給制造技術(shù)帶來(lái)革命性發(fā)展。5.向極端尺寸制造發(fā)展實(shí)現(xiàn)微觀尺寸、大型尺寸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜制造。例如，3D打印向極小尺寸發(fā)展，在醫(yī)藥、生物組織及原子器件等領(lǐng)域，可以在微觀層面進(jìn)行加工處理，甚至可以在分子層面進(jìn)行3D打印。其次3D打印向極大尺寸發(fā)展，在航空航天等領(lǐng)域，3D打印可以一次成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)大尺寸制件。6.向多種工藝協(xié)作復(fù)合成形方向發(fā)展多工藝協(xié)作復(fù)合成形加工方式的優(yōu)點(diǎn)是集成多種工藝自身的優(yōu)勢(shì)，并可以克服單一工藝與生俱來(lái)的工藝缺陷，最終能夠加工高質(zhì)量的成形制件。例如，在金屬激光3D打印成形技術(shù)中，由于激光逐層加工金屬粉末材料固有的球化效應(yīng)及臺(tái)階效應(yīng)，即使采用目前精度最高的SLM技術(shù)，其3D打印制件在表面精度、表面粗糙度等指標(biāo)上距離直接應(yīng)用還存在較大差距。解決上述問(wèn)題的最佳方法是將激光3D打印技術(shù)（增材制造）與傳統(tǒng)的機(jī)加工技術(shù)（減材制造）在加工過(guò)程中結(jié)合起來(lái)，在逐層疊加成形的過(guò)程中即進(jìn)行逐層的銑削或磨削加工，這樣可以避免刀具干涉效應(yīng)，對(duì)幾乎任意復(fù)雜的零件都可實(shí)現(xiàn)機(jī)加工級(jí)別的精度，成形件加工完成后無(wú)須后處理即可直接投入使用，是目前復(fù)雜金屬模具制造的發(fā)展趨勢(shì)。1.53D打印的未來(lái)2016年9月，中國(guó)工程院盧秉恒院士在第十八屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)上做《智能制造與增材制造》報(bào)告指出，3D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展將從3D打印走向4D打印，甚至從4D打印走向5D打印，或者可以賦予打印“基體”生命特征。1.5.14D打印技術(shù)4D打印技術(shù)最早是Sky1arTibbits提出來(lái)的（“4Dprintingisthefutureof3Dprintingandit’sa1readyhere.”WebProNews，2013)。4D打印技術(shù)一般指的是智能材料的3D打印，比3D打印增加了一個(gè)時(shí)間的維度。4D打印的物體不再是一個(gè)靜態(tài)的制件，而是智能的，在外界環(huán)境激勵(lì)（如電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度、光、pH值等)下可實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。4D打印零件集傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種功能于一身，具有模仿生物的自增性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)性和環(huán)境適應(yīng)性等智能特征。1.5.25D打印技術(shù)5D打印技術(shù)目前還處于概念提出階段。4D打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上增添一個(gè)時(shí)間維度，5D打印技術(shù)則是在4D打印的基礎(chǔ)上增加另一個(gè)維度，這種新添加的維度目前還沒有確切定義，也可能是賦予打印的“基體”以生命特征的維度。5D打印的相關(guān)研究進(jìn)展目前還處于初級(jí)階段。來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETHZurich)的復(fù)雜材料研究人員DimitriKokkinis、Manue1Schaffner等，在2015年開發(fā)出了一種3D打印方法來(lái)開發(fā)設(shè)計(jì)具有精美微結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料。在此之前，這種結(jié)構(gòu)特征只在自然生長(zhǎng)的生物材料中見到過(guò)，利用這種“多材料磁力輔助3D打印系統(tǒng)（MM3Dprinting)”，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了“一種可以在5D設(shè)計(jì)空間編程并制造合成微結(jié)構(gòu)的增材制造方法”。所謂的5D設(shè)計(jì)空間，指的是除了3D成形能力之外，還包括了合成物的本地控制（1D)和顆粒方向（另外1D)。該5D打印材料可以用于創(chuàng)建類似人體肌腱或者肌肉的機(jī)械連接系統(tǒng)，或者制造軟機(jī)器人的選擇性拾取放置系統(tǒng)等。利用仿生設(shè)計(jì)原理，通過(guò)3D打印技術(shù)達(dá)到更廣泛的應(yīng)用，將有可能加速開發(fā)新一代的智能復(fù)合材料，使其具有無(wú)與倫比的性能和功能、更多的生物相容性，豐富環(huán)境友好型資源。5D打印技術(shù)或者后續(xù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)復(fù)制打印出人體的任何器官，甚至可以打印出一個(gè)一模一樣的人，人體的任何器官壞死或病變，都可以簡(jiǎn)單切除，并裝上同樣的打印出來(lái)的器官。第2章3D打印的數(shù)學(xué)模型2.13D打印的本質(zhì)3D打印技術(shù)的本質(zhì)特征是“降維制造”思想，主要可以抽象為兩階段“降維離散”過(guò)程：第一階段降維離散過(guò)程是將三維層面的實(shí)體加工信息降維到二維層面的切片信息，實(shí)現(xiàn)由3D向2D信息的離散降維加工過(guò)渡；第二階段降維離散過(guò)程是以二維層面的切片加工信息降維到一維的加工路徑及相關(guān)工藝信息，實(shí)現(xiàn)由2D向1D信息的離散降維加工過(guò)渡。3D打印的過(guò)程則是上述“降維制造”思想的逆向過(guò)程，即由點(diǎn)到線、線到面、面到體的增材制造過(guò)程。現(xiàn)代3D打印的數(shù)據(jù)處理流程如圖2—1所示，即滿足在3D打印領(lǐng)域中裝備與工藝信息交換的全維度數(shù)據(jù)模型。圖2—13D打印全維度數(shù)據(jù)模型該全維度數(shù)據(jù)模型具有以下特點(diǎn)。(1)在3D實(shí)體模型層面。用空間域函數(shù)方法表達(dá)規(guī)則分布的梯度材料、梯度結(jié)構(gòu)等信息，與傳統(tǒng)的STL等格式相比，可顯著降低多材料、多結(jié)構(gòu)模型的文件尺寸；用體素表達(dá)不規(guī)則的單胞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，理論上可描述任意復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元信息，且其空間重復(fù)性分布信息仍然采用空間域函數(shù)及細(xì)分網(wǎng)格布爾運(yùn)算描述，顯著降低了模型切片過(guò)程的時(shí)間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度，這使得大型多重梯度、多材料零件的設(shè)計(jì)與制造成為可能。(2)在2D切片層面。用樣條曲線表達(dá)實(shí)體外圍高精度輪廓的幾何信息，用光柵網(wǎng)格模型存儲(chǔ)實(shí)體內(nèi)部的材料組分、結(jié)構(gòu)、物理屬性信息，可獲得基本信息無(wú)損的多材料、多結(jié)構(gòu)切片。(3)在1D路徑層面。采用運(yùn)動(dòng)指令和光柵指令統(tǒng)一表述高能束成形、陣列式噴射成形和基于面曝光技術(shù)的光固化制造工藝；將坐標(biāo)系與加工指令分離，可統(tǒng)一支持直角坐標(biāo)系三維平臺(tái)、關(guān)節(jié)臂式的多自由度平臺(tái)及其與三維動(dòng)態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)、輔助軸等復(fù)合而成的多種創(chuàng)新設(shè)備結(jié)構(gòu)；提出多道指令的概念，實(shí)現(xiàn)了多通道并行加工、多材料同步配比輸送、多能場(chǎng)復(fù)合調(diào)控等復(fù)雜功能的統(tǒng)一描述，用其表達(dá)預(yù)熱、多組分材料制備與輸送、多激光并行加工等復(fù)雜的加工細(xì)節(jié)信息。該全維度數(shù)據(jù)模型與已有的STL/AMF/3MF(3D)、SLC/CLI(2D)、GCode(1D)等數(shù)據(jù)格式相比，具備統(tǒng)一表達(dá)多材料、多尺度結(jié)構(gòu)3D打印信息處理全過(guò)程且信息基本無(wú)損，可描述幾乎任意復(fù)雜的多重梯度結(jié)構(gòu)/材料與點(diǎn)陣信息，支持多種風(fēng)格迥異的加工方式及其衍生的復(fù)合加工方式等優(yōu)勢(shì)。上述全維度數(shù)據(jù)模型可支持幾乎所有主流3D打印工藝并覆蓋其從3D模型解析、支撐/點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)生成、切片、路徑規(guī)劃到加工制造完整的全系列功能；支持幾乎任意復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成、多重梯度結(jié)構(gòu)/材料的解析與制造；支持復(fù)雜能場(chǎng)同步調(diào)控、多材料輸送、多激光并行制造等先進(jìn)裝備的高級(jí)功能。2.2實(shí)體建模方法如前所述，現(xiàn)代3D打印發(fā)展的重點(diǎn)是多材料、多尺度結(jié)構(gòu)模型的一體化打印制造，這就需要將合適的材料、合適的多尺度結(jié)構(gòu)(從宏觀幾何結(jié)構(gòu)到微觀組織結(jié)構(gòu))放在模型的對(duì)應(yīng)的空間位置，從而確保最終打印零件達(dá)到最優(yōu)的性能。因此，模型不僅需要表達(dá)零件的幾何信息，還需要表達(dá)零件模型內(nèi)部不同區(qū)域的材料、結(jié)構(gòu)以及其他物理和工藝的信息。實(shí)體建模方法是其中最為重要的技術(shù)。實(shí)體建模是一個(gè)構(gòu)造對(duì)象的過(guò)程，該對(duì)象具有一個(gè)實(shí)際實(shí)體的所有屬性。典型的實(shí)體建模方法主要有：邊界表示(boundaryrepresentation，BRep)法、構(gòu)造實(shí)體幾何(constructiveso1idgeometry，CSG)法、參數(shù)化造型(parametericmode11ing)法、掃掠(sweep)法、分割表示(decompositionpresentation)法、單元分解(ce11decomposition)法、空間枚舉(spatia1occupancyenumeration)法、基于特征的造型(featurebasedmode11ing)法等。其中最常用的表示法是BRep法和CSG法，下面重點(diǎn)介紹這兩種建模方法。1.BRep法BRep法是一種以物體的邊界表面為基礎(chǔ)，定義和描述幾何形體的方法。它能給出物體完整的、顯式的邊界描述。BRep法的理論基礎(chǔ)：物體的邊界是有限個(gè)單元面的并集，而每一個(gè)單元面都必須是有界的。BRep法必須具備如下條件：封閉、有向、不自交、有限、互相連接、能區(qū)分實(shí)體邊界內(nèi)外和邊界上的點(diǎn)。BRep法其實(shí)就是將物體拆成各種有邊界的面來(lái)表示，并使它們按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息來(lái)連接，因此BRep法的核心信息是實(shí)體的平面，因?yàn)檫吙偸歉綄儆谀骋粋€(gè)平面。BRep法的優(yōu)點(diǎn)是含有較多的有關(guān)面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系的信息，即實(shí)體外表的細(xì)節(jié)。BRep法詳細(xì)記錄了構(gòu)成物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔ⅲ瑢⒚?、邊、頂點(diǎn)的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系，如圖2—2所示。這些信息對(duì)于工程圖繪制以及圖形顯示都是十分重要的，且非常易于同二維繪圖軟件銜接以及與曲面建模軟件綜合應(yīng)用。通常在某些情況下，曲面模型可以用小平面模型來(lái)近似表示和描述。圖2—2BRep實(shí)體構(gòu)造原理2.CSG法CSG法是一種通過(guò)布爾運(yùn)算將簡(jiǎn)單的基本體元拼合成復(fù)雜實(shí)體的描述方法。最簡(jiǎn)單的實(shí)體表示稱為體元，通常是形狀簡(jiǎn)單的物體，如立方體、圓柱體、棱柱、棱錐、球體、圓錐等。CSG法的核心思想是將體元根據(jù)集合論的布爾邏輯組合在一起，包括并集、交集以及補(bǔ)集。CSG法對(duì)物體模型的描述與該物體的生成順序密切相關(guān)，即存儲(chǔ)的主要是物體的生成過(guò)程。如圖2—3所示，同一個(gè)物體完全可以通過(guò)定義不同的基本體素，經(jīng)過(guò)不同的集合運(yùn)算加以構(gòu)造。CSG法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)潔，生成速度快，處理方便，無(wú)冗余信息，而且能夠詳細(xì)地記錄構(gòu)成實(shí)體的原始特征參數(shù)，甚至在必要時(shí)也可修改體素參數(shù)或附加體素進(jìn)行重新拼合。與BRep法相比，CSG法的數(shù)據(jù)量只有BRep法的1;10，CSG法強(qiáng)調(diào)的是實(shí)體構(gòu)造的過(guò)程，BRep法強(qiáng)調(diào)的是實(shí)體構(gòu)造的結(jié)果。圖2—3CSG實(shí)體構(gòu)造原理上述兩種造型方法都有各自的特點(diǎn)和不足，很難相互替代。CSG法以體元為基礎(chǔ)，它不具備面、邊、點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系。盡管數(shù)據(jù)量很小，但局部修改困難，顯示速度慢，曲面表示困難。從CAD;CAM的發(fā)展看，CSG法不能轉(zhuǎn)換為線框模型，也不能直接顯示工程圖，因此有很大局限性。而BRep法雖然能表示曲面，有完整的拓?fù)湫畔?，已?jīng)在3D打印領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但它難以表達(dá)實(shí)體內(nèi)部各區(qū)域的材料、結(jié)構(gòu)信息，且數(shù)據(jù)量極其龐大。在現(xiàn)代3D打印領(lǐng)域，為描述復(fù)雜的局部結(jié)構(gòu)特征，通常采用混合模式進(jìn)行實(shí)體構(gòu)造，綜合多種表達(dá)方法表達(dá)不同尺度、層次的特征。例如，用BRep法表達(dá)模型的幾何邊界，用CSG法表達(dá)內(nèi)部的規(guī)則結(jié)構(gòu)信息。此外，分割表示法又稱空間單元表示法、（立方體）體素表達(dá)法，因?yàn)榭梢越o每個(gè)體素賦予特定的材料、顏色等屬性，在現(xiàn)代3D打印中呈現(xiàn)出越來(lái)越重要的地位，未來(lái)將廣泛用于復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的單胞表達(dá)，以及復(fù)雜多材料3D打印領(lǐng)域。2.3傳統(tǒng)3D打印2.3.1傳統(tǒng)3D打印處理過(guò)程傳統(tǒng)3D打印技術(shù)僅僅解決了“形狀復(fù)雜性”問(wèn)題，從成形原理層面突破了傳統(tǒng)加工中的成形方法（如鍛壓、沖壓、拉伸、鑄造、注塑加工等）和切削加工的工藝方法。該階段的3D打印技術(shù)最大的特征是最終打印的零件只能是單材均質(zhì)，而不能夠解決前文所述的“材料復(fù)雜性”“層次復(fù)雜性”“功能復(fù)雜性”問(wèn)題。傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的一般處理流程如圖2—4所示。圖2—4傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的一般處理流程STL是用于表示三角形網(wǎng)格的一種文件格式，并非最初專門針對(duì)3D打印技術(shù)提出的文件格式，而是主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)系統(tǒng)中的文件格式。STL文件格式構(gòu)造的簡(jiǎn)單、便捷性，使其迅速成為一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的3D打印領(lǐng)域通用格式。隨著STL作為3D打印領(lǐng)域中的主要模型文件格式，針對(duì)STL文件格式的模型處理積累了大量的成熟算法，如高效STL切片算法、STL容錯(cuò)切片算法、STL糾錯(cuò)處理方法等。對(duì)STL模型離散切片處理后，常用CLI文件格式與SLC文件格式保存離散后的切片數(shù)據(jù)，如3D打印路徑規(guī)劃后的加工信息等。針對(duì)不同的工藝設(shè)備，往往采用標(biāo)準(zhǔn)的控制命令語(yǔ)言或者專用的控制命令規(guī)范?；贔DM工藝的設(shè)備一般采用標(biāo)準(zhǔn)GCode指令，其他的3D打印設(shè)備采用自行開發(fā)的控制命令規(guī)范。在傳統(tǒng)的3D打印發(fā)展過(guò)程中，針對(duì)傳統(tǒng)STL文件格式中的一些問(wèn)題，逐漸出現(xiàn)了對(duì)STL文件格式的擴(kuò)展格式規(guī)范。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)STL文件格式逐漸不能滿足對(duì)應(yīng)的模型需求。后續(xù)針對(duì)STL文件格式進(jìn)行了不同方面的擴(kuò)展更新。CSTL(colorSTL)文件格式是在STL格式的基礎(chǔ)上增加了顏色信息擴(kuò)展，并與STL文件格式保持兼容。CSTL文件格式結(jié)構(gòu)與STL文件格式相同，只是利用了每個(gè)三角形的描述數(shù)據(jù)中的兩個(gè)保留字節(jié)構(gòu)成的顏色描述字來(lái)表示每個(gè)三角形平面的顏色信息，即顏色字節(jié)的最高位始終是0，其余的字節(jié)每5位一組，分別表示各個(gè)三角形顏色的Red、Green和Blue信息。目前，CSTL格式還沒有一個(gè)官方的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，盡管使用的方法相同，但是顏色描述字中的排列和定義會(huì)有略微不同，因此相互之間也存在兼容問(wèn)題。目前CSTL還不能表達(dá)紋理特征信息，而紋理貼圖則用于表達(dá)實(shí)際物體的重要特征。ESTL(enhancedSTL)文件格式在STL格式的基礎(chǔ)上添加了特征與屬性代碼信息，采用了四面體結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方式，提高了STL模型表達(dá)的精度特征。與二進(jìn)制STL格式相比，ESTL文件的大小沒有發(fā)生變化，且可以提供更高的模型表達(dá)精度，以及更多的模型的組裝加工信息。CS(compressedSTL)文件格式克服了STL文件格式包含大量冗余信息從而導(dǎo)致STL文件過(guò)于龐大的缺點(diǎn)，CS文件格式通過(guò)移除冗余信息、比特壓縮技術(shù)等方式，將CS文件大小壓縮到STL文件的1/4。CS文件格式可以保證與STL文件格式間的信息無(wú)損轉(zhuǎn)換，并且可以快速進(jìn)行模型拓?fù)湫畔⒌闹貥?gòu)處理。在3D打印數(shù)據(jù)處理中，對(duì)3D模型進(jìn)行切片離散化處理主要包括兩個(gè)部分：工藝規(guī)劃和數(shù)控加工。在3D打印基本的通用處理流程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為2.5維的層面信息，即實(shí)體模型和實(shí)體支撐的切片輪廓及其填充路徑的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的二維層面數(shù)據(jù)格式有CLI格式和SLC格式。為了克服快速成形中原有的數(shù)據(jù)文件格式(CLI和SLC)存儲(chǔ)信息不完備、存取效率不高且不具備擴(kuò)展性的缺點(diǎn)，華中科技大學(xué)研究學(xué)者張李超等提出了一種新型的快速成形層面數(shù)據(jù)文件格式ZIF格式。ZIF格式基于樹狀信息塊結(jié)構(gòu)，能夠存儲(chǔ)快速成形加工過(guò)程中所需要的全部數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)信息，并且具備實(shí)時(shí)隨機(jī)檢索文件中任意一層的層面數(shù)據(jù)的能力，該格式能夠內(nèi)嵌STL文件信息來(lái)滿足加工過(guò)程中通過(guò)瀏覽實(shí)體模型優(yōu)化工藝參數(shù)的需要，并通過(guò)自定義參數(shù)的方式來(lái)傳輸特定工藝專有的加工參數(shù)。此外，ZIF格式還可以不斷擴(kuò)展新的信息塊來(lái)滿足未來(lái)的新要求。此外，在數(shù)控加工中，往往采用最為廣泛使用的數(shù)控(numericalcontrol)編程語(yǔ)言，即標(biāo)準(zhǔn)的GCode指令規(guī)范，或者不同的3D打印設(shè)備廠商采用自行開發(fā)的專用的控制指令規(guī)范。2.3.2傳統(tǒng)3D模型來(lái)源針對(duì)傳統(tǒng)的3D打印領(lǐng)域中的STL模型來(lái)源，基本上可以將其劃分為以下三類：正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)及正逆向混合設(shè)計(jì)。1.正向設(shè)計(jì)正向設(shè)計(jì)的方法是利用相關(guān)的CAD建模軟件，通過(guò)將概念設(shè)計(jì)在建模軟件中處理為CAD模型，最后將設(shè)計(jì)好的CAD模型導(dǎo)出為3D打印通用的STL格式。這也是早期設(shè)計(jì)師在進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)階段主要采用的方法。一般的CAD建模軟件還可以提供數(shù)控編程、數(shù)控加工等過(guò)程處理功能。正向設(shè)計(jì)一般遵循以下的流程：產(chǎn)品功能需求采集產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)針對(duì)模型繪制詳細(xì)圖紙?zhí)砑犹幚砉に嚠a(chǎn)品模型加工處理。對(duì)于傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法，當(dāng)需要處理復(fù)雜的模型產(chǎn)品時(shí)，一般存在產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度大，從而導(dǎo)致產(chǎn)品周期長(zhǎng)、產(chǎn)品研制成本高的問(wèn)題。這樣在產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程中添加了許多不確定性因素。當(dāng)前典型的可以用于CAD建模的軟件有Pro/E、UG、CATIA、Solidworks等。在不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換往往存在不同格式數(shù)據(jù)的交換，目前在該領(lǐng)域已經(jīng)提出多個(gè)通用數(shù)據(jù)交換接口標(biāo)準(zhǔn)，如用于中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的格式IGES和STEP。也有相關(guān)學(xué)者提出將這些中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式直接轉(zhuǎn)換為STL格式用于3D打印，如王劉記等在此方面做了相關(guān)研究，提出一種將IGES格式轉(zhuǎn)換為STL格式的算法，其核心是保證面與面結(jié)合處的三角化的正確性。2.逆向設(shè)計(jì)逆向設(shè)計(jì)的方法是利用相關(guān)的三維掃描等工具，對(duì)產(chǎn)品實(shí)物的表面進(jìn)行數(shù)字化處理，即實(shí)物模型表面信息相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與處理，根據(jù)目前較為成熟的逆向三維模型重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)并獲取實(shí)物的三維CAD模型。目前已有相關(guān)的逆向工程（reverseengineering，RE)設(shè)備將上述過(guò)程進(jìn)行完美集成。逆向設(shè)計(jì)通常是應(yīng)用于產(chǎn)品外觀表面的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品造型的逆向設(shè)計(jì)由于有起點(diǎn)低、成本低、周期短、易創(chuàng)新等特性，自出現(xiàn)以來(lái)便受到了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)師的關(guān)注。逆向設(shè)計(jì)一般的處理流程是：產(chǎn)品樣件數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng)模型重構(gòu)制造系統(tǒng)新產(chǎn)品。在逆向工程中通過(guò)三維測(cè)量?jī)x器得到的產(chǎn)品外觀表面信息的點(diǎn)數(shù)據(jù)集合格式稱為點(diǎn)云格式。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)掃描儀制造商和每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件制造商都有各自特定的二進(jìn)制文件，如三維掃描儀設(shè)備制造商Leica的COE文件格式、RIEGL的3DD文件格式等，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件制造商PoLyWorks的PIF格式、Sp1itFX的FX文件格式O在逆向設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件中比較知名的有美國(guó)ImageWare公司的imageware、英國(guó)Renishaw公司的TRACE、法國(guó)MDTV公司的StrimandSurfaceReconstruction、英國(guó)DelCAM公司的CopyCAD和美國(guó)RAINDROP公司的Geomagic等。2.3.3相關(guān)格式體系傳統(tǒng)3D打印相關(guān)的文件格式體系如圖2—5所示。圖2—5傳統(tǒng)3D打印相關(guān)的文件格式體系2.4現(xiàn)代3D打印2.4.1現(xiàn)代3D打印主要內(nèi)容現(xiàn)代3D打印技術(shù)正在超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術(shù)的限制，逐漸突破三個(gè)復(fù)雜性：材料復(fù)雜性，可以實(shí)現(xiàn)多材料、梯度功能材料、多色以及真彩色表面紋理貼圖零件的直接快速制造；層次復(fù)雜性，勻速跨越多個(gè)尺度，能夠輕松實(shí)現(xiàn)從組織微觀結(jié)構(gòu)到宏觀零件結(jié)構(gòu)的直接快速制造；功能復(fù)雜性，可以在一次加工過(guò)程中直接完成不同用途性質(zhì)的模塊的一體化制造，從而簡(jiǎn)化甚至是省略整個(gè)功能件的裝配過(guò)程。現(xiàn)代3D打印最主要的特征是材料／結(jié)構(gòu)一體化制造。采用面向增材制造設(shè)計(jì)（designforaddictivemanufacturing，DFAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)承載結(jié)構(gòu)和系列功能組件特征的整體化構(gòu)造與一體化布局。DFAM設(shè)計(jì)方法與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的緊湊性和輕量化設(shè)計(jì)，大幅度提高制件性能。現(xiàn)代3D打印技術(shù)的主要理論表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）建立三維模型的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與宏觀性能分析一體化理論；（2）多能場(chǎng)交互作用成形理論，如分析材料成形過(guò)程中面臨的問(wèn)題，如離散性、各向異性、模糊性、力和溫度（梯度）影響，并指導(dǎo)制件加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)幾何形狀和微觀組織形態(tài)的精確控制；（3）多工藝復(fù)合成形理論，如增減材復(fù)合制造理論。傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的數(shù)據(jù)模型已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代3D打印發(fā)展的需求，需要有新的數(shù)據(jù)處理模型來(lái)滿足新一代復(fù)雜形狀建模、復(fù)雜材料建模和復(fù)雜層次建模的需求。2.4.2統(tǒng)一數(shù)字化表達(dá)模型傳統(tǒng)的表面模型（STL模型）已經(jīng)不再適用于多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)的3D打印，而新一代模型格式諸如AMF、3MF等能夠表述實(shí)體內(nèi)部材料、工藝結(jié)構(gòu)特征信息，從而滿足3D打印后續(xù)發(fā)展的嚴(yán)格需求。與此對(duì)應(yīng)，傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程也將發(fā)生大幅度的更改，以往STL文件數(shù)據(jù)處理最核心的環(huán)節(jié)是離散分層切片，其切片結(jié)果為用連續(xù)小線段組成的一系列輪廓環(huán)來(lái)指示實(shí)體的邊界。該結(jié)果為連續(xù)小線段，其缺點(diǎn)是損失了輪廓精度，且無(wú)內(nèi)部實(shí)體材料與工藝結(jié)構(gòu)信息。因此，現(xiàn)代3D打印數(shù)據(jù)處理流程中的2D層面數(shù)據(jù)將逐步轉(zhuǎn)換為采用樣條曲線輪廓＋光柵網(wǎng)格的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。構(gòu)造樣條曲線輪廓無(wú)損描述曲面三角形的離散化切片輪廓，且各個(gè)曲線節(jié)點(diǎn)不僅存儲(chǔ)幾何信息，還存儲(chǔ)包括色彩在內(nèi)的表面工藝信息，由此實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)信息損失的外輪廓數(shù)據(jù)表達(dá)；采用光柵網(wǎng)格表達(dá)模型內(nèi)部的材料及結(jié)構(gòu)信息，將基于區(qū)域（region）模型、基于空間域函數(shù)描述梯度材料及微工藝結(jié)構(gòu)信息離散化到光柵網(wǎng)格的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。由此，該層面數(shù)據(jù)可統(tǒng)一描述3D打印所需的全部工藝信息，包括多材料、多色、多尺度工藝結(jié)構(gòu)。在控制技術(shù)方面，多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D打印的主要轉(zhuǎn)變是，更傾向于采用陣列式噴頭實(shí)現(xiàn)多種材料（或色彩）的同步噴出，以往主流的基于高能束（激光或電子束）成形的3D打印技術(shù)相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)多材料、多色的高效率打印，因此基于光柵掃描的控制方式將在未來(lái)3D打印技術(shù)中占據(jù)更加重要的地位。由于各種3D打印技術(shù)基本原理均基于由面到體的增材制造方式，其工藝處理流程雖然千差萬(wàn)別，但內(nèi)部的數(shù)據(jù)流程均可抽象為3D模型到2D層面數(shù)據(jù)，再到1D（或光柵結(jié)構(gòu)）加工路徑（指令）的逐步降維的解構(gòu)過(guò)程與反向加工過(guò)程。且各類3D打印裝備的驅(qū)動(dòng)控制基本可抽象為三種運(yùn)動(dòng)：直角坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)(含各種串并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與激光振鏡掃描或兩者的復(fù)合)、光柵掃描(含面曝光技術(shù)和陣列噴射成形)，以及多自由度關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)?；谏鲜鰞?nèi)容，可以將多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D打印加工指令統(tǒng)一為下述三種指令集合。(1)運(yùn)動(dòng)指令，描述材料輸送系統(tǒng)或能量束的幾何運(yùn)動(dòng)軌跡。(2)光柵指令，適應(yīng)于陣列噴射成形、面曝光SLA等小平面整體成形的加工工藝。(3)針對(duì)多激光并行加工和各個(gè)輔助軸、材料配比系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)的需要，引入多指令流的概念：各個(gè)指令流可并發(fā)同步執(zhí)行，在同步、延遲、解除同步指令的控制下，可統(tǒng)一描述預(yù)熱、多組分材料制備與輸送、多激光并行加工等復(fù)雜的加工細(xì)節(jié)。基于上述二維層面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與控制指令即可有效地滿足多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)的要求。2.4.3相關(guān)格式體系綜上所述，現(xiàn)代3D打印領(lǐng)域的數(shù)據(jù)格式體系如圖2—6所示。圖2—6現(xiàn)代3D打印領(lǐng)域的數(shù)據(jù)格式體系第3章3D打印中三維實(shí)體建模數(shù)據(jù)格式在三維實(shí)體建模領(lǐng)域，大量的文件格式相繼被提出并采用。本章將總結(jié)三維實(shí)體建模領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)格式在3D打印領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，并且將對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行對(duì)比分析。從圖3—1可以看出在3D打印領(lǐng)域中，這些三維實(shí)體建模數(shù)據(jù)格式基本上分為兩大類，其中一類是常規(guī)的3D打印數(shù)據(jù)格式，另一類則是新一代3D打印數(shù)據(jù)格式。圖3—13D打印中三維實(shí)體建模數(shù)據(jù)格式當(dāng)前3D打印數(shù)據(jù)格式，一般按照文件格式的特點(diǎn)以及應(yīng)用情況進(jìn)行分類。其中，單材均質(zhì)模型常使用的STL文件格式，一直以來(lái)作為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的一種3D打印數(shù)據(jù)格式被廣泛使用；其他類型的文件格式則可以從圖3—1中看出。需要說(shuō)明的是，其他格式往往是其他領(lǐng)域的文件格式在3D打印領(lǐng)域中的應(yīng)用，通常作為設(shè)備支持的文件格式被直接進(jìn)行切片處理，或者通過(guò)"標(biāo)準(zhǔn)中間轉(zhuǎn)換接口,,處理，轉(zhuǎn)化為STL文件繼而執(zhí)行STL切片處理。彩色3D打印支持的文件格式主要集中在PLY、OBJ、VRML等格式上。通常這些文件格式提出的初衷并非為3D打印的專用彩色格式，但在歷史環(huán)境中還沒有出現(xiàn)諸如AMF和3MF的專用3D打印數(shù)據(jù)格式，因此這些彩色文件格式在3D打印領(lǐng)域也有一定的推廣。而IGES作為CAD行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)接口文件格式，也被多數(shù)3D打印軟件間接支持（通常會(huì)轉(zhuǎn)換為STL)。SAT作為ACIS3D建模引擎支持的三維模型文件格式，也作為可支持3D打印的文件格式。STEP則是作為IGES的進(jìn)化版用于3D打印領(lǐng)域。FBX作為現(xiàn)代化3D/4D模型文件格式，支持彩色紋理、動(dòng)畫等諸多信息，甚至可為未來(lái)的4D打印提供一定的數(shù)據(jù)格式支持。DICOM作為醫(yī)療領(lǐng)域通行的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件格式，也被多數(shù)3D打印軟件間接支持（通常會(huì)轉(zhuǎn)換為STL)。PCD作為反求領(lǐng)域常見的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件格式，在3D打印領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用。新一代3D打印格式主要由AMF和3MF文件格式構(gòu)成，這兩種文件格式是被作為3D打印領(lǐng)域的專用格式而提出的。AMF文件格式支持多材料、梯度材料、微結(jié)構(gòu)、全彩色、貼圖等最新特征，然而后續(xù)文件格式的版本規(guī)范則更新較少，業(yè)界采用并不廣泛。3MF文件格式于AMF格式之后提出，3MF文件格式由微軟牽頭推廣，并獲得眾多企業(yè)支持。此外，3MF文件格式還發(fā)布了對(duì)切片信息以及加工工藝的支持規(guī)范。需要注意的是，由于新一代的3D打印文件格式（如3MF)往往在其使用規(guī)范中明確說(shuō)明了對(duì)切片數(shù)據(jù)的擴(kuò)展支持，因此該類文件格式可以直接作為3D打印設(shè)備的讀取文件，或者通過(guò)傳統(tǒng)切片處理轉(zhuǎn)化為2D層面數(shù)據(jù)格式后再進(jìn)行后續(xù)處理，這可以在3D打印領(lǐng)域數(shù)據(jù)格式體系（見圖2—6)中看出。3.1STL格式3.1.1STL概述STL（stereolithography)文件格式是美國(guó)3DSystems公司提出的一種CAD與3D打印系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換格式，最初應(yīng)用于3DSystems公司發(fā)明的一種3D打印工藝SLA（stereolithographyapparatus，立體光造型)，這也是該文件名稱的緣由。由于STL格式簡(jiǎn)單，對(duì)三維模型建模方法無(wú)特定要求，因此所有的3D打印系統(tǒng)都能接受STL文件進(jìn)行加工制造，而幾乎所有的CAD系統(tǒng)也都能把CAD模型由自己專有的文件格式導(dǎo)出為STL文件。STL文件成為3D打印領(lǐng)域中事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸入格式，在逆向工程、有限元分析、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)、文物保護(hù)等方面有廣泛的應(yīng)用。STL文件格式中的“標(biāo)準(zhǔn)三角語(yǔ)言（standardtrianglelanguage)”“標(biāo)準(zhǔn)曲面細(xì)分語(yǔ)言（standardtessellationlanguage)”和“立體光刻語(yǔ)言（stereolithographylanguage)”等，其稱謂從各個(gè)不同側(cè)面表達(dá)了該文件格式描述的信息與用途。STL文件是若干空間小三角形面片的集合，每個(gè)三角形面片用三角形的三個(gè)頂點(diǎn)和指向模型外部的法向量表達(dá)。這種文件格式類似于有限元的網(wǎng)格劃分，即將物體表面劃分為很多個(gè)小三角形，用很多個(gè)三角形面片去逼近CAD實(shí)體模型。它所描述的是一種空間封閉的、有界的、正則的、唯一表達(dá)物體的模型，它包含點(diǎn)、線、面的幾何信息，能夠完整表達(dá)實(shí)體表面信息。如圖3—2所示，STL模型的精度直接取決于離散化時(shí)三角形的數(shù)目。一般而言，在CAD系統(tǒng)中輸出STL文件時(shí)，設(shè)置的精度越高，STL模型的三角形數(shù)目越多，文件體積越大。圖3—2三維模型及其三角化表示STL模型是以三角形集合來(lái)表示物體外輪廓形狀的幾何模型。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)STL模型數(shù)據(jù)是有要求的，尤其是在STL模型廣泛應(yīng)用的3D打印領(lǐng)域，STL模型數(shù)據(jù)均需要經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)才能使用。這種檢驗(yàn)主要包括兩方面的內(nèi)容：STL模型數(shù)據(jù)的有效性檢查和STL模型的封閉性檢查。有效性檢查包括檢查模型是否存在裂隙、孤立邊等幾何缺陷；封閉性檢查則要求所有STL三角形圍成一個(gè)內(nèi)外封閉的幾何體。由于STL模型僅僅記錄了物體表面的幾何位置信息，沒有任何表達(dá)幾何體之間關(guān)系的拓?fù)湫畔?，因此在重建?shí)體模型中，憑借位置信息重建拓?fù)湫畔⑹鞘株P(guān)鍵的步驟。另一方面，實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)品零件（結(jié)構(gòu)件）絕大多數(shù)是由規(guī)則幾何形體（如多面體、圓柱、過(guò)渡圓?。┙?jīng)過(guò)拓?fù)溥\(yùn)算得到的，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)件模型的重構(gòu)來(lái)講，拓?fù)潢P(guān)系重建顯得尤為重要。STL文件格式的特征如下。．STL文件非常簡(jiǎn)單，它存儲(chǔ)的是一個(gè)個(gè)離散的三角形面片的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和指向?qū)嶓w外方向的單位法向矢量，這些三角形面片由CAD模型表面三角化所得，并且其存儲(chǔ)是無(wú)序的（即任意的）。．STL文件僅描述三維物體的表面幾何形狀，沒有顏色、材質(zhì)貼圖和其他常見三維模型的屬性。．STL格式有文本和二進(jìn)制兩種格式。文本格式具備較好的人機(jī)友好性（人類可閱讀性），二進(jìn)制格式則因?yàn)榇鎯?chǔ)空間僅為同等信息的文本格式的1／3而廣泛用于大型模型的描述。．STL文檔描述原始非結(jié)構(gòu)化三角分區(qū)時(shí)用三維三角形笛卡兒坐標(biāo)系。STL坐標(biāo)沒有尺度信息，即計(jì)量單位為任意的，現(xiàn)實(shí)中通常為毫米（mm）或英寸（in）。STL文件最重要的特點(diǎn)是它的簡(jiǎn)單性，它不依賴于任何一種三維建模方式，它只存放擬合CAD模型表面的離散的三角形面片信息，這些三角形面片的存儲(chǔ)順序是任意的。但是STL模型中隱含著以下的邏輯規(guī)則。．三角形面片的法向矢量指向?qū)嶓w的外部，即其三個(gè)頂點(diǎn)的排序與法向矢量的關(guān)系符合右手法則。．相鄰的兩個(gè)三角形面片之間有且只有一條公共邊（即共享兩個(gè)頂點(diǎn)），并且這兩個(gè)三角形面片在這條公共邊上的走向是相反的。．每一條邊必須只被兩個(gè)三角形面片共用。這些規(guī)則被稱為STL文件的一致性規(guī)則，符合這些邏輯規(guī)則的STL模型就是正確的模型，同時(shí)這些規(guī)則也是檢測(cè)模型是否正確的主要依據(jù)。3.1.2STL組織構(gòu)成STL文件有兩種格式，即二進(jìn)制和ASCII格式。二進(jìn)制STL文件將模型數(shù)據(jù)（三角形面片的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）和外法矢（lx，ly，lz））均以32比特的單精度浮點(diǎn)數(shù)（IEEE754標(biāo)準(zhǔn)）存儲(chǔ)，每個(gè)面片只占用50字節(jié)的存儲(chǔ)空間。而ASCllSTL文件則將數(shù)據(jù)以數(shù)字字符串的形式存儲(chǔ)，并且中間用關(guān)鍵詞分隔開來(lái)，平均一個(gè)面片需要150字節(jié)的存儲(chǔ)空間，是二進(jìn)制STL文件的三倍。但是，ASCIISTL文件具有很強(qiáng)的人機(jī)友好性：它可以通過(guò)任何普通的文本編輯器直接觀察和修改。ASCIISTL文件格式如圖3—3所示。圖3—3ASCIISTL文件格式二進(jìn)制STL文件格式如圖3—4所示。圖3—4二進(jìn)制STL文件格式一個(gè)簡(jiǎn)單的ASCIISTL文件格式舉例如圖3—5所示。圖3—5ASCIISTL文件格式舉例由上述兩種格式可看出，二進(jìn)制和ASCII格式的STL文件存儲(chǔ)的信息基本上是完全相同的，只是在二進(jìn)制STL文件中為每個(gè)面片保留了一個(gè)16位整型數(shù)屬性字，一般規(guī)定為0，沒有特別含義，而ASCIISTL文件則可以描述實(shí)體名稱（solid<partname>)，但一般3D打印系統(tǒng)均忽略該信息。ASCIISTL格式主要是為了滿足人機(jī)友好性的要求，它可以讓用戶通過(guò)任何一種文本編輯器來(lái)閱讀和修改模型數(shù)據(jù)，但在STL模型動(dòng)輒包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)三角形面片的今天，已經(jīng)沒有什么實(shí)際意義，顯示和編輯STL文件通過(guò)專門的三維可視化STL工具軟件會(huì)更加合適。ASCIISTL格式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的跨平臺(tái)性能很好，二進(jìn)制文件在表達(dá)多字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)在不同的平臺(tái)上有潛在的字節(jié)順序問(wèn)題，但只要STL處理軟件嚴(yán)格地遵循STL文件規(guī)范，完全可以避免這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生。由于二進(jìn)制STL文件只有相應(yīng)ASCIISTL文件大小的1/3，因此現(xiàn)在主要應(yīng)用的是二進(jìn)制STL文件。3.1.3STL格式分析1.STL文件的一致性規(guī)則及錯(cuò)誤STL文件是一些離散的三角形網(wǎng)格描述，它的正確性依賴于其內(nèi)部隱含的拓?fù)潢P(guān)系。按照3DSystems公司的STL文件格式規(guī)范，正確的數(shù)據(jù)模型必須滿足如下一致性規(guī)則：．相鄰兩個(gè)三角形面片之間只有一條公共邊，即相鄰三角形必須共享兩個(gè)頂點(diǎn)；．每一條組成三角形的邊有且只有兩個(gè)三角形面片與之相連；．三角形面片的法向矢量要求指向?qū)嶓w的外部，其三頂點(diǎn)排列順序與外法矢之間的關(guān)系要符合右手法則。由于三角形網(wǎng)格擬合實(shí)體表面算法本身固有的復(fù)雜性，一般CAD造型系統(tǒng)輸出復(fù)雜STL文件時(shí)都有可能出現(xiàn)或多或少的錯(cuò)誤（即不滿足上述一致性規(guī)則)，出錯(cuò)的STL文件的比例可高達(dá)1/7。STL文件的錯(cuò)誤種類很多，比較常見的錯(cuò)誤有出現(xiàn)無(wú)效法矢、重疊三角形面片、裂縫、非正則形體、漏洞等，如圖3—6所示。對(duì)無(wú)效法矢、重疊三角形面片等簡(jiǎn)單錯(cuò)誤已經(jīng)有成熟的處理方法，比較容易識(shí)別和糾正，當(dāng)前STL文件中難以修復(fù)的錯(cuò)誤主要可分為如下兩類。（1)裂縫、漏洞。STL文件的絕大多數(shù)錯(cuò)誤均屬于出現(xiàn)裂縫、漏洞，該類錯(cuò)誤源于兩種情況：一種是由于構(gòu)成邊界表示（BRep)模型的幾塊表面之間會(huì)有邊界拼接誤差，表現(xiàn)在三角形網(wǎng)格上就是裂縫；另一種情況是CAD系統(tǒng)在劃分表面三角形網(wǎng)格時(shí)，由于遍歷算法不完善，在某一區(qū)域丟失了一個(gè)或相鄰的一組三角形，從而形成漏洞。裂縫在表現(xiàn)形式上與漏洞一樣，即在STL模型上漏洞（裂縫)邊界輪廓所包括的邊均只有一個(gè)三角形面片與之相連，違反了STL文件的一致性規(guī)則。圖3—6典型的STL文件錯(cuò)誤對(duì)于某些基于表面造型的CAD系統(tǒng)（如Catia)而言，設(shè)計(jì)人員在造型時(shí)有時(shí)并沒有把模型的幾塊表面精確地拼接在一起，而是留有一個(gè)微小的縫隙，或者是兩塊表面之間有一個(gè)微小的重疊區(qū)域，這些情況用肉眼在顯示器上往往無(wú)法觀察出來(lái)，甚至能夠符合數(shù)控加工的要求，但一旦輸出成STL文件，就會(huì)形成貫穿全局的裂縫，如圖3—7所示的飛機(jī)底部的細(xì)長(zhǎng)深色區(qū)域。由于在Catia中精確拼合幾塊曲面非常困難，需要耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員很長(zhǎng)的時(shí)間去調(diào)整，因此Catia生成的復(fù)雜STL模型一般都含有大量貫穿全局的裂縫錯(cuò)誤。圖3—7Catia生成的飛機(jī)STL模型（2)出現(xiàn)非正則形體。與上一種情況相反，在劃分三角形網(wǎng)格時(shí)，有時(shí)一條公共邊上也會(huì)有多于2個(gè)的三角形與之相連，這種情況稱為多重鄰接邊。如圖3—8所示，造型系統(tǒng)（Pro/E)在分別生成模型的部件1和部件2的三角形網(wǎng)格時(shí)，其網(wǎng)格劃分都是符合STL文件一致性規(guī)則的，但造型系統(tǒng)并沒有意識(shí)到部件1和部件2在粗白線處是相切的，而粗白線處恰好同時(shí)是部件1和部件2的三角形公共邊，故在粗白線處將會(huì)出現(xiàn)4個(gè)三角形共用一條邊的情況，即多重鄰接邊。從幾何造型學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，合法的STL文件所表示的三維形體都應(yīng)該是正則形體，即形體上的任意一點(diǎn)的足夠小的鄰域在拓?fù)渖蠎?yīng)是一個(gè)等價(jià)的封閉圓，圍繞該點(diǎn)的形體鄰域在二維空間中可構(gòu)成一個(gè)單連通域。含有多重鄰接邊的STL文件所表示的形體為非正則形體。圖3—8多重鄰接邊示例非正則形體的生成有一定的普遍性，特別是Pro/E這類基于特征建模的CAD系統(tǒng)，在輸出含有相切特征的模型的STL文件時(shí)，一般都會(huì)出現(xiàn)這種STL文件局部正確、整體不符合一致性規(guī)則的錯(cuò)誤。2.STL文件的錯(cuò)誤處理方法對(duì)于STL模型的顯示而言，小的局部漏洞、裂縫并不影響視覺效果，多重鄰接邊也不會(huì)導(dǎo)致視覺外觀的任何變化。但快速成形系統(tǒng)的基本任務(wù)是將STL模型離散為一層層的二維輪廓切片，再以各種方式填充這些輪廓，生成加工掃描路徑。若不能正確處理這些STL錯(cuò)誤，在切片時(shí)就會(huì)出現(xiàn)輪廓錯(cuò)誤、混亂等異常情況，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)崩潰。圖3—9所示為Pro/E生成的STL文件的常規(guī)切片實(shí)例。圖3—9含多處漏洞的常規(guī)切片輸出實(shí)例目前業(yè)界已經(jīng)推出了一系列STL文件修復(fù)程序，多數(shù)通用3D打印和CAD軟件，如Magics、PowerShape等也具有強(qiáng)大的STL糾錯(cuò)功能。但由于技術(shù)上的限制，目前的多數(shù)STL糾錯(cuò)程序并不能將STL文件所描述的三維拓?fù)湫畔⑦€原出一個(gè)整體、全局意義上的實(shí)體信息模型，也不具有對(duì)物理實(shí)體領(lǐng)域相關(guān)的完備知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，因而糾錯(cuò)只能停留在比較簡(jiǎn)單的層次上，無(wú)法對(duì)復(fù)雜錯(cuò)誤（如上文所述的由于操作人員在Catia中未能連接幾個(gè)表面而造成的人為錯(cuò)誤)進(jìn)行自動(dòng)糾錯(cuò)，或者雖然能將有錯(cuò)誤的STL文件修復(fù)糾正成一個(gè)“文法”上正確的STL文件，但其描述的三維模型與原始模型大相徑庭。對(duì)復(fù)雜的模型一般只有采用人工交互式的糾錯(cuò)方法，該方法一般在三角形級(jí)別進(jìn)行手工的添加、刪除或者修改，這是一個(gè)冗長(zhǎng)、煩瑣的過(guò)程，失去了快速成形的意義。華中科技大學(xué)研發(fā)的PowerRP系列軟件使用了另外一種思路，它采用降維的思想，基本避開在復(fù)雜三維層次上的糾錯(cuò)，但在模型拓?fù)渲貥?gòu)過(guò)程中對(duì)復(fù)雜的STL文件錯(cuò)誤（如裂縫、漏洞及非正則形體等）建模，再對(duì)STL模型直接切片，利用已建立的錯(cuò)誤模型信息可在最大程度上恢復(fù)原始正確模型的切片輪廓信息，對(duì)切出來(lái)的仍然包含錯(cuò)誤的切片輪廓，則在二維層次上進(jìn)行修復(fù)，由于二維輪廓信息十分簡(jiǎn)單，并有閉合性、不相交性等簡(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，其切片輪廓均由簡(jiǎn)單的直線、圓弧、低次曲線組合而成，因而能很容易地在二維輪廓信息層次上發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并依照以上多種條件、信息及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行去除多余輪廓、在輪廓斷點(diǎn)處進(jìn)行插補(bǔ)等操作，從而得到最終的正確（或接近正確）切片輪廓。該容錯(cuò)切片算法在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，能在無(wú)人干預(yù)的情況下處理90%以上的有錯(cuò)STL文件。對(duì)于一般STL糾錯(cuò)軟件難以處理的漏洞、裂縫、非正則形體等錯(cuò)誤，該算法效果非常明顯，由于一般STL文件中錯(cuò)誤不多，為進(jìn)行高強(qiáng)度測(cè)試，將若干個(gè)不同類型的STL模型隨機(jī)刪除了20%的三角形面片之后，再進(jìn)行容錯(cuò)切片，切片結(jié)果相比原始切片觀察不出區(qū)別。如圖3—10所示，模型Superman原包括約6萬(wàn)個(gè)三角形面片，隨機(jī)刪除20%的三角形面片之后，形成5000多個(gè)漏洞（漏洞已經(jīng)用深色線標(biāo)識(shí)出來(lái)），其中3000多個(gè)為簡(jiǎn)單的單三角形漏洞，被自動(dòng)更正，還剩下約2000個(gè)一般漏洞（漏洞包含3～12條邊）和162個(gè)復(fù)雜漏洞（漏洞包含12條以上的邊，極難被一般糾錯(cuò)軟件處理），此時(shí)切片算法仍能正常進(jìn)行切片操作，并且結(jié)果與原始切片輪廓基本保持一致。圖3—10容錯(cuò)切片算法切片實(shí)例容錯(cuò)切片最大的優(yōu)點(diǎn)是它無(wú)須人為干預(yù)，操作人員甚至不需要知道他所加工的STL文件是包含錯(cuò)誤的，更不需要啟動(dòng)一個(gè)STL糾錯(cuò)軟件進(jìn)行各種復(fù)雜的糾錯(cuò)操作，這大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)CAD領(lǐng)域知識(shí)的要求。從實(shí)際切片效果來(lái)看，容錯(cuò)切片輸出的實(shí)體切片輪廓一般沒有失真，和正確STL文件切片輸出的結(jié)果是一致的，該算法在華中科技大學(xué)推出的HRP系列3D打印設(shè)備上得到了長(zhǎng)期應(yīng)用，經(jīng)受住了實(shí)踐的考驗(yàn)。3.STL格式的缺陷及其改進(jìn)STL格式的優(yōu)缺點(diǎn)分析STL文件能成為3D打印領(lǐng)域事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)格式的原因主要在于它具有如下優(yōu)點(diǎn)。(1)格式簡(jiǎn)單。STL文件僅僅只存放CAD模型表面的離散三角形面片信息，并且對(duì)這些三角形面片的存儲(chǔ)順序不作要求，從“語(yǔ)法”的角度來(lái)看，STL文件只有一種構(gòu)成元素，那就是三角形面片，三角形面片由其三個(gè)頂點(diǎn)和外法矢構(gòu)成，不涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表述上也沒有二義性，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、構(gòu)造實(shí)體幾何法等主要形體表示方法，以及參量表示法、單元表示法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)條件采用上述幾種方式混合表示，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。但STL文件的缺點(diǎn)也是很明顯的，主要有如下幾點(diǎn)。(1)數(shù)據(jù)冗余，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，大量數(shù)據(jù)冗余，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率很低。(2)使用小三角形平面來(lái)近似三維曲面，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)也各不一樣，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，增加了快速成形加工的技術(shù)難度與制造成本。由于STL文件本身并不顯示包含三維模型的拓?fù)湫畔?，因?D打印軟件在處理STL文件時(shí)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)重構(gòu)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后才能進(jìn)行離散分層制造。處理超大型STL文件對(duì)系統(tǒng)時(shí)間和空間資源都提出了非常高的要求，增加了軟件開發(fā)的技術(shù)難度與成本?？偟膩?lái)說(shuō)，STL文件的缺點(diǎn)主要集中在文件尺寸大和缺乏拓?fù)湫畔⑸希?D打印領(lǐng)域中的模型精度問(wèn)題可以通過(guò)增加STL文件三角形面片數(shù)目(即增加文件尺寸)的方法來(lái)解決?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種可以替代STL文件的接口格式，如IGES、AMF和3MF等，但這些格式中目前并沒有一種能在3D打印領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。STL能成為3D打印領(lǐng)域事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，除了歷史原因外，其格式簡(jiǎn)單性和CAD建模方法無(wú)關(guān)性也是非常重要的關(guān)鍵因素。如果要開發(fā)一種新的快速成形數(shù)據(jù)接口格式，不能不考慮STL的優(yōu)點(diǎn)和影響力，且格式必須符合以下條件。．與STL文件“兼容”。由于新的接口格式不可能立刻被廣大CAD和3D打印系統(tǒng)所接受，因此新的格式最好能與STL格式具有雙向互換性，即能在不損失信息的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新的格式與STL文件格式的互相轉(zhuǎn)換。．與STL文件相比，能顯著減小文件尺寸，并且具有一定的模型拓?fù)湫畔?，易?D打印軟件重構(gòu)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。．格式比較簡(jiǎn)單，否則很難得到廣泛應(yīng)用。．支持彩色及多材料等信息，以適應(yīng)具備彩色及多材料3D打印設(shè)備的需求。4.壓縮STL格式華中科技大學(xué)推出的PowerRP軟件提出一種改進(jìn)的STL格式CS，它較好地滿足了上述條件，其文件尺寸只有相應(yīng)二進(jìn)制STL文件的1/4以下，并且具有一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，易于重構(gòu)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最重要的一點(diǎn)是它完全滿足上述的“兼容性”要求，能和STL文件進(jìn)行信息無(wú)損的雙向轉(zhuǎn)換，能夠在3D打印領(lǐng)域得到一定程度的利用。CS格式實(shí)現(xiàn)最大限度的存儲(chǔ)空間壓縮及保留部分拓?fù)湫畔⒌暮诵闹饕谟谌缦聝煞矫娴母倪M(jìn)。1)刪除冗余頂點(diǎn)坐標(biāo)的思想STL文件是一些離散的三角形網(wǎng)格描述，它的正確性依賴于其內(nèi)部隱含的拓?fù)潢P(guān)系，正確的數(shù)據(jù)模型必須滿足如下一致性規(guī)則：．相鄰兩個(gè)三角形之間只有一條公共邊，即相鄰三角形必須共享兩個(gè)頂點(diǎn)．每一條組成三角形的邊有且只有兩個(gè)三角形面片與之相連。因此E=3/2F(3-1)式中：E為模型的邊數(shù);F為模型的三角形面片數(shù)。由歐拉公式可得V-E+F≈0(3-2)式中：V為模型的頂點(diǎn)數(shù)。由式(3-1)、式(3-2)可推導(dǎo)出V≈F/2(3-3)然而在STL文件中，實(shí)際存儲(chǔ)的頂點(diǎn)坐標(biāo)個(gè)數(shù)為VSTL=3F(3-4)由此可以得出，平均STL模型的每個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)大約被存儲(chǔ)了VSTL/V≈6次，這是一個(gè)極大的數(shù)據(jù)冗余。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，減少信息冗余，本書提出一種新的模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：．存儲(chǔ)模型每個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，頂點(diǎn)按其存儲(chǔ)順序依次分配ID號(hào)0，1，2，3，…，n－1；．存儲(chǔ)模型中每個(gè)三角形面片三個(gè)頂點(diǎn)相應(yīng)的ID號(hào)。這樣，模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)不會(huì)被重復(fù)存儲(chǔ)，而三角形面片仍然可以通過(guò)頂點(diǎn)ID號(hào)找到相應(yīng)的坐標(biāo)值。2)比特壓縮技術(shù)一般三維模型所包含的三角形面片數(shù)在數(shù)千到一百萬(wàn)之間，由式（3-3)可知頂點(diǎn)數(shù)的數(shù)量級(jí)也大致相當(dāng)，因此頂點(diǎn)ID值一般用10～20位二進(jìn)制數(shù)即可表示出來(lái)（1024～1048576)。若存儲(chǔ)該ID值仍用傳統(tǒng)的32位整數(shù)來(lái)表示仍然會(huì)有較大的數(shù)據(jù)冗余：所有ID值的高位永遠(yuǎn)是零，它們占用了大量存儲(chǔ)空間而不表示任何信息。故我們提出比特流的思想：在存儲(chǔ)這類只用n位（n《32)二進(jìn)制數(shù)即可表示的整數(shù)序列時(shí)，不再使用32位（4字節(jié))整數(shù)存儲(chǔ)，而是直接將所有信息的n位以一位接一位的方式連續(xù)存儲(chǔ)，這種思路的實(shí)質(zhì)是把傳統(tǒng)的字節(jié)流文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為比特流文件系統(tǒng)（見圖3—-11)，可顯著減少存儲(chǔ)空間。圖3—-11使用比特流來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（假定數(shù)據(jù)為14位二進(jìn)制數(shù))（1)CS格式介紹。根據(jù)以上思想和技術(shù)，我們提出具體的文件存儲(chǔ)格式如下。．第一部分，文件頭（64字節(jié))，以下數(shù)據(jù)項(xiàng)1～5均為32位整數(shù)，以小尾數(shù)方式存儲(chǔ)（即低位字節(jié)存儲(chǔ)在低地址處）：①十六進(jìn)制數(shù)0x43414554，CS文件的標(biāo)識(shí)符；②CS文件格式版本號(hào)，目前為3；③模型頂點(diǎn)（存儲(chǔ)在第二部分）個(gè)數(shù)；④頂點(diǎn)ID比特流（存儲(chǔ)在第三部分）中每個(gè)頂點(diǎn)ID所占用的位數(shù)；⑤模型三角形面片個(gè)數(shù)；⑤無(wú)定義，44字節(jié)，保留給未來(lái)CS文件版本使用。．第二部分，模型頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組，以下所有數(shù)據(jù)均以IEEE754標(biāo)準(zhǔn)32位單精度浮點(diǎn)數(shù)格式存儲(chǔ)：0.頂點(diǎn)0的坐標(biāo)：x，y，z；1.頂點(diǎn)1的坐標(biāo)：x，y，z；…n－1.頂點(diǎn)n－1的坐標(biāo)：x，y，z；（n為第一部分中的數(shù)據(jù)③）。．第三部分，模型三角形面片的3個(gè)頂點(diǎn)ID的數(shù)組，使用前文所述的比特流技術(shù)存儲(chǔ)：0.面片0的三頂點(diǎn)ID：ID0，ID1，ID2；1.面片1的三頂點(diǎn)ID：ID0，ID1，ID2；…m－1.面片m－1的三頂點(diǎn)ID：ID0，ID1，ID2；（m為第一部分中的數(shù)據(jù)⑤）。注：比特流（存儲(chǔ)在第三部分）中每個(gè)頂點(diǎn)ID占用的位數(shù)為第一部分中的數(shù)據(jù)④，它可按式（3-5）計(jì)算（其中V為模型頂點(diǎn)數(shù)）：B=[log2V]+1（3-5）為節(jié)省空間，在CS文件中不再存儲(chǔ)三角形面片的外單位法向矢量，這個(gè)數(shù)據(jù)是冗余的，與STL文件一樣，CS文件也要求三角形面片外法向矢量與三頂點(diǎn)的排列順序必須符合右手法則，由此通過(guò)三頂點(diǎn)坐標(biāo)即可計(jì)算出外單位法向矢量（其中P1，P2，P3分別為三角形面片的三頂點(diǎn)坐標(biāo)）：在比特流存儲(chǔ)中，為方便各種軟件平臺(tái)存取，比特流的長(zhǎng)度規(guī)定為4的整數(shù)倍字節(jié)，多出的空余位補(bǔ)0。（2）CS文件與STL文件的兼容性。CS文件包含了STL文件的全部模型信息，只是去掉了其中的數(shù)據(jù)冗余，因此它們之間可以自由地相互轉(zhuǎn)換，而不會(huì)丟失任何信息。①將STL文件轉(zhuǎn)換為CS文件。a.從STL文件中讀入所有面片三頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；b.將各個(gè)重復(fù)頂點(diǎn)歸并為一個(gè)點(diǎn)，并以ID號(hào)（0，1，…，n－1）標(biāo)識(shí)，由此所有三角形面片的頂點(diǎn)都可用ID號(hào)來(lái)表示；c.將以上數(shù)據(jù)按CS格式規(guī)范存儲(chǔ)。②將CS文件轉(zhuǎn)換為STL文件。a.從CS文件中讀入所有頂點(diǎn)坐標(biāo)到內(nèi)存數(shù)組；b.從CS文件中依次讀入每個(gè)三角形的三頂點(diǎn)ID號(hào)，并由頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組轉(zhuǎn)換為頂點(diǎn)坐標(biāo)，再按式(3-6)計(jì)算外法向矢量，將這些三角形面片信息按STL文件規(guī)范存儲(chǔ)。(3)CS文件所包含的模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。雖然STL文件不包含模型的任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，但CS文件在剔除冗余信息的同時(shí)，還顯式地描述出一部分關(guān)于模型的拓?fù)湫畔?，這些信息對(duì)快速成形系統(tǒng)處理模型數(shù)據(jù)是很有幫助的：在CS文件中，三角形面片頂點(diǎn)描述已經(jīng)由STL文件中的浮點(diǎn)數(shù)矢量轉(zhuǎn)換成整數(shù)標(biāo)量。這樣，可以非常容易地找到哪些三角形面片是共享一個(gè)頂點(diǎn)的，其中不需要任何比較運(yùn)算。在我們開發(fā)的新一代快速成形軟件系統(tǒng)中，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)STL文件、CS文件的統(tǒng)一支持，并且實(shí)測(cè)表明：CS文件的讀入及拓?fù)渲貥?gòu)的時(shí)間大約為相應(yīng)二進(jìn)制STL文件的1/2。(4)CS文件的存儲(chǔ)效率分析。假設(shè)一個(gè)模型包含F(xiàn)個(gè)三角形面片，由式(3-3)可知頂點(diǎn)數(shù)V≈F/2，每個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)需要3個(gè)4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)來(lái)存儲(chǔ)，則CS文件中的頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組將占用空間：每個(gè)三角形面片需要3個(gè)頂點(diǎn)ID號(hào)來(lái)表示，每個(gè)頂點(diǎn)ID號(hào)需B位比特寬度，則由式(3-5)可知，頂點(diǎn)ID號(hào)數(shù)組占用空間：則CS文件的總長(zhǎng)度(忽略文件頭尺寸，下同)為當(dāng)F為100000時(shí)，S=12.375F字節(jié)；當(dāng)F為1000000時(shí)，S=13.5F字節(jié)。若不使用比特壓縮技術(shù)，則每個(gè)頂點(diǎn)ID號(hào)所需比特寬度B固定為32(4X8)位，由式(3-7)可知文件尺寸S=18F，比使用比特壓縮技術(shù)的CS文件尺寸大約增加了50%。STL文件則要大得多：①二進(jìn)制STL文件尺寸S=50F，大約是對(duì)應(yīng)CS文件的4倍；②ASCIISTL文件尺寸S≈150F，大約是對(duì)應(yīng)CS文件的12倍。(5)壓縮文件的性能比較。通過(guò)因特網(wǎng)或軟盤傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，一般不會(huì)直接傳輸原始文件，而是將其通過(guò)壓縮程序壓縮后再傳輸。標(biāo)準(zhǔn)的壓縮格式是ZIP，而目前通用壓縮程序中壓縮比最高的是ACE。為了檢驗(yàn)CS和STL文件的壓縮性能，我們選取了一個(gè)典型的STL模型EarthBig(見圖3—12)，它包含327968個(gè)三角形面片，將它分別存儲(chǔ)為二進(jìn)制、ASCIISTL文件及CS文件，并壓縮為ZIP格式，其結(jié)果如表3-1(表中效率為原始尺寸的比值，值越大說(shuō)明效率越高)所示。圖3—12模型EarthBig由表3-1可見：CS文件具有最小的文件尺寸，甚至比壓縮后的ASCII、二進(jìn)制STL文件還要小得多。此外，CS文件的壓縮量很小，ZIP壓縮后的文件尺寸大約是原始文件的77%而ASCII、二進(jìn)制STL文件的壓縮比分別約為12%和46%，由此可見，CS文件的確只具有非常少的存儲(chǔ)冗余，而ASCIISTL文件則具有大量的冗余成分。如果比較所有模型文件壓縮后的最小尺寸，則CS大約為ASCIISTL的30%，二進(jìn)制STL的50%以下，仍然在尺寸方面具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。(6)結(jié)論。由上述分析可知，CS文件具有如下優(yōu)點(diǎn)：．比相應(yīng)STL文件小得多(1/4～1/12)的尺寸，在壓縮后仍可至少小一半．易于實(shí)現(xiàn)與RP領(lǐng)域事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)格式STL文件的雙向互換．含有一定的模型拓?fù)湫畔?，在讀入文件及重構(gòu)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過(guò)程中比STL文件要快得多。CS文件也具有如下缺點(diǎn)：．它是一種新的文件格式，尚未得到已有CAD系統(tǒng)的支持(但我們已經(jīng)開發(fā)了STL、CS雙向轉(zhuǎn)換程序，可作為因特網(wǎng)文件傳輸時(shí)的一種高效壓縮格式使用)．存取比特流文件系統(tǒng)在軟件實(shí)現(xiàn)上需要一定技巧(不過(guò)我們已經(jīng)寫好了相應(yīng)的例程代碼供開發(fā)者使用)?？偟膩?lái)說(shuō)，CS是一種適用于RP系統(tǒng)的高效接口文件格式，在因特網(wǎng)傳輸及網(wǎng)絡(luò)制造方面，與STL文件相比，有巨大的優(yōu)勢(shì)。5.彩色STL格式CSTL格式是在STL格式的基礎(chǔ)上增加顏色信息得到的，并且與STL格式兼容。CSTL文件的結(jié)構(gòu)與STL文件的結(jié)構(gòu)相同，只是利用了每個(gè)三角形面片的描述數(shù)據(jù)中的兩個(gè)保留字節(jié)構(gòu)成的顏色描述字來(lái)表示每個(gè)三角形面片的顏色。顏色描述字的最高位始終是0，其余的15位每5位一組，分別表示構(gòu)成三角形面片顏色的Red、Green和Blue三種基色的亮度(RGB555格式)，如表3-2所示。其中，每種基色共有32個(gè)不同的亮度等級(jí)，三種基色組合起來(lái)可表示32768種不同的色調(diào)。目前，CSTL格式還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，盡管所用的方法相同，但顏色描述字中各位的排列和定義會(huì)略有不同，也還存在一定的兼容問(wèn)題。CSTL繼承了STL格式在描述實(shí)體幾何外形方面簡(jiǎn)單與后續(xù)處理容易的優(yōu)點(diǎn)，用CSTL格式表示的CAD模型的后續(xù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單和快速。盡管CSTL格式具有表達(dá)實(shí)體表面顏色的能力，但很顯然它還不能表達(dá)表面紋理特征，而紋理是實(shí)際物體的一個(gè)重要特征，若要表達(dá)這些屬性，還需要進(jìn)一步擴(kuò)展STL格式的定義。3.2AMF格式3.2.1AMF概述AMF(additivemanufacturingfileformat)文件格式是由美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)提出的新一代3D打印交換文件格式。它可以表示模型的顏色、表面紋理、材料等信息，采用空間域函數(shù)來(lái)表述梯度功能材料和微觀工藝結(jié)構(gòu)，且支持曲面三角形等高精度的模型描述方法，能以一種低冗余、高效率的方式組織模型的幾何數(shù)據(jù)。該文件格式目前已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO收