增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)的工藝過(guo)程(cheng)前(qian)處理——切片(pian)_上(shang)海(hai)荷效(xiao)壹供(gong)

增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)的工藝過(guo)程(cheng)前(qian)處理——切片(pian)

1．基(ji)於STL格式(shi)文(wen)件(jian)的切片(pian)

雖然(ran)目前(qian)有多(duo)種(zhong)格式(shi)文(wen)件(jian)能(neng)夠(gou)充(chong)當(dang)CAD與(yu)3D打(da)印系(xi)統(tong)之間(jian)的接口界面(mian)，但(dan)STL格式(shi)文(wen)件(jian)由(you)於其(qi)簡(jian)單(dan)性和CAD建(jian)模(mo)方(fang)法無關(guan)性而(er)成(cheng)為(wei)3D打印(yin)領域事(shi)實(shi)上的標準，得(de)到(dao)絕大(da)多(duo)數3D打(da)印和(he)CAD廠商(shang)的支持，基(ji)於STL格式(shi)文(wen)件(jian)的切片(pian)技(ji)術(shu)成為(wei)3D打印(yin)所(suo)需(xu)的切片(pian)數(shu)據(ju)的主要(yao)來源(yuan)。

基(ji)於STL格式(shi)文(wen)件(jian)的切片(pian)是(shi)指(zhi)將(jiang)工(gong)件(jian)的STL格式(shi)的3D模(mo)型(xing)轉(zhuan)化(hua)為(wei)壹系(xi)列(lie)2D截面(mian)圖(tu)形，並(bing)根(gen)據這些圖形生(sheng)成3D打(da)印機的控制(zhi)指(zhi)令(ling)。3D打印(yin)機上壹般都(dou)配(pei)備(bei)了切片(pian)軟(ruan)件(jian)，切(qie)片(pian)處(chu)理的實(shi)質是(shi)將(jiang)幾(ji)何模(mo)型(xing)用(yong)輪(lun)廓線(xian)表(biao)達(da)，這些輪(lun)廓線(xian)代(dai)表(biao)模(mo)型(xing)在(zai)切片(pian)層(ceng)上(shang)的邊(bian)界，它(ta)由(you)壹系(xi)列(lie)以Z軸(zhou)正(zheng)方(fang)向(xiang)為(wei)法方(fang)向(xiang)的平(ping)面(mian)與(yu)STL格式(shi)模(mo)型(xing)經(jing)相(xiang)交(jiao)計(ji)算所(suo)得(de)的交點(dian)連接(jie)而(er)成(cheng)。根據這些輪(lun)廓線(xian)可(ke)以確定3D打印成形的路徑(jing)，並(bing)生(sheng)成3D打(da)印機的控制(zhi)指(zhi)令(ling)，即(ji)生(sheng)成G代(dai)碼(ma)和(he)M代(dai)碼(ma)。切(qie)片(pian)的厚度稱(cheng)為(wei)分層厚度，通常(chang)取(qu)為(wei)恒定(ding)值(zhi)，這種(zhong)切(qie)片(pian)方(fang)式稱(cheng)為(wei)等(deng)厚度切(qie)片(pian)。分層厚度越(yue)小(xiao)，成形工(gong)件(jian)的精(jing)度(du)和表(biao)面(mian)精(jing)度(du)越(yue)好(hao)，單(dan)成(cheng)形時(shi)間(jian)越(yue)長。分層厚度的範圍為(wei)0.015~0.6 mm，通常(chang)為(wei)0.1mm左(zuo)右(you)。

STL格式(shi)文(wen)件(jian)切(qie)片(pian)算(suan)法主要(yao)可(ke)以分為(wei)兩(liang)種(zhong)類(lei)型(xing)：基(ji)於模(mo)型(xing)拓(tuo)撲信(xin)息的切片(pian)算(suan)法和基(ji)於模(mo)型(xing)層(ceng)間(jian)連(lian)續性的快速分層算法。在(zai)基(ji)於模(mo)型(xing)拓(tuo)撲信(xin)息的切片(pian)算(suan)法中，首(shou)先重(zhong)構(gou)模(mo)型(xing)的拓撲信(xin)息，是(shi)STL模(mo)型(xing)中(zhong)的各個(ge)三角形面(mian)片(pian)在(zai)邏輯(ji)上(shang)連(lian)接(jie)起(qi)來，然(ran)後通過(guo)依(yi)次追(zhui)蹤與(yu)給定(ding)切(qie)平(ping)面(mian)相(xiang)交(jiao)的相鄰(lin)三角形面(mian)片(pian)的方(fang)法來快(kuai)速獲(huo)得(de)切(qie)片(pian)輪(lun)廓，它(ta)的優(you)點(dian)是(shi)壹旦建立(li)好(hao)了拓(tuo)撲模(mo)型(xing)，切(qie)任(ren)意高度的切片(pian)時(shi)間(jian)都(dou)不會改變(bian)，速度很(hen)快(kuai)，可(ke)以達(da)到(dao)實(shi)時切(qie)片(pian)。在(zai)基(ji)於模(mo)型(xing)層(ceng)間(jian)連(lian)續性的快速分層算法中，首(shou)先建(jian)立(li)STL模(mo)型(xing)的分層面(mian)新(xin)相(xiang)交三角形面(mian)片(pian)表(biao)，提(ti)取(qu)模(mo)型(xing)的活性拓撲結(jie)構(gou)，再利(li)用(yong)相鄰(lin)層之間(jian)的連續性，用(yong)增(zeng)量(liang)式求解分層輪(lun)廓線(xian)的方(fang)式代(dai)替(ti)層(ceng)間獨立(li)的求解方(fang)式來連(lian)續獲(huo)得(de)各(ge)層(ceng)的切片(pian)輪(lun)廓，其(qi)原理類似於計(ji)算機圖形學中經(jing)典(dian)的活性邊(bian)表(biao)輪(lun)廓填(tian)充(chong)算(suan)法，效(xiao)率較(jiao)高。這種(zhong)方(fang)法的優(you)點(dian)是(shi)占(zhan)用(yong)的內存量(liang)與(yu)STL模(mo)型(xing)面(mian)片(pian)總數的多(duo)少基(ji)本無關(guan)，有利(li)於處理大(da)量(liang)的STL文件(jian)，但(dan)算法中切(qie)片(pian)層(ceng)厚是(shi)預(yu)先設(she)置好(hao)的，只能進(jin)行(xing)離(li)線(xian)切(qie)片(pian)，無法完成(cheng)對(dui)任(ren)意層(ceng)高的實(shi)時切(qie)片(pian)處(chu)理，因而(er)應(ying)用(yong)領域受到(dao)限(xian)制(zhi)。

好(hao)的切片(pian)軟(ruan)件(jian)是(shi)3D打(da)印(yin)的核(he)心(xin)，現在(zai)的切片(pian)軟(ruan)件(jian)也(ye)非(fei)常多(duo)，目前(qian)使用(yong)比較(jiao)guangfan且(qie)操作便(bian)捷的切片(pian)軟(ruan)件(jian)有Cura、XBuilder、Simplify3d、Slic3r等(deng)。切片(pian)軟(ruan)件(jian)的好(hao)壞，會直(zhi)接影(ying)響(xiang)到(dao)打(da)印(yin)物品的質量(liang)。下面(mian)介紹兩(liang)種(zhong)主流的切片(pian)軟(ruan)件(jian)：

 (1) Cura

Cura是(shi)由(you)開(kai)源桌(zhuo)面(mian)3D打(da)印(yin)機Ultimaker領導(dao)開(kai)發(fa)，以"高度整合性"以及"容易使(shi)用(yong)"為(wei)目標而(er)設(she)計(ji)的。Cura軟(ruan)件(jian)包含了(le)suoyou3D打(da)印需(xu)要(yao)的功能，有模(mo)型(xing)切(qie)片(pian)以(yi)及打印(yin)機控制(zhi)兩(liang)大(da)部分。其(qi)主要(yao)特點(dian)就壹個(ge)字(zi)：快(kuai)，它(ta)是(shi)目前(qian)suoyou3D打印(yin)模(mo)型(xing)軟(ruan)件(jian)切(qie)片(pian)zui快(kuai)的上位機軟(ruan)件(jian)，而(er)且(qie)軟(ruan)件(jian)的操作界面(mian)簡(jian)單(dan)明了(le)，每個(ge)參數都(dou)提供(gong)了詳(xiang)盡的提示，非(fei)常容易上(shang)手(shou)。

 (2) Simplify3d

Simplify3D是(shi)壹款付(fu)費3D打印軟(ruan)件(jian)。其(qi)功(gong)能(neng)非(fei)常強大(da)，可自(zi)由(you)添(tian)加支撐(cheng)，支持雙色(se)打印和(he)多(duo)模(mo)型(xing)打(da)印(yin)，預(yu)覽打(da)印過(guo)程(cheng)，切片(pian)速度極(ji)快，附帶多(duo)種(zhong)填(tian)充(chong)圖(tu)案(an)，參數設(she)置詳細(xi)，幾(ji)乎(hu)支持市(shi)面(mian)上(shang)suoyou3D打(da)印機。Simplifyzui有特色(se)的功能是(shi)多(duo)模(mo)型(xing)打(da)印(yin)，它(ta)能在(zai)同壹個(ge)打印(yin)床上(shang)同時(shi)打(da)印(yin)多(duo)個(ge)模(mo)型(xing)，且(qie)每個(ge)模(mo)型(xing)都(dou)有壹套獨立(li)的打印參數，此(ci)功(gong)能對(dui)雙(shuang)色(se)打印和(he)提高打印(yin)效(xiao)率非(fei)常有幫(bang)助(zhu)。

 2.直(zhi)接切片(pian)

直(zhi)接從(cong)CAD三維模(mo)型(xing)上(shang)得(de)到(dao)切(qie)片(pian)二(er)維數據，由(you)於不經(jing)過(guo)曲(qu)面(mian)的三角化(hua)過(guo)程(cheng)，壹般認為(wei)它(ta)可減少(shao)X—Y平(ping)面(mian)誤(wu)差。上有不(bu)少(shao)學者(zhe)開(kai)發(fa)出了直(zhi)接切片(pian)（Direct Slicing）技(ji)術(shu)，例(li)如，在(zai)UG的實(shi)體(ti)造(zao)型(xing)內(nei)核(he)Parasolid（B-rep表(biao)示(shi)的實(shi)體(ti)建(jian)模(mo)器）上(shang)進行(xing)了直(zhi)接切片(pian)研究(jiu)，並(bing)將(jiang)切(qie)片(pian)描述數據(ju)轉化(hua)成(cheng)CLI、HPGL和(he)SLC文(wen)件(jian)；在(zai)CSG（constructive solid geometry）上進(jin)行了直(zhi)接切片(pian)研究(jiu)，可(ke)以提供(gong)準確的激(ji)光(guang)掃描路徑(jing)；在(zai)I-DEAS造(zao)型(xing)軟(ruan)件(jian)基(ji)礎上(shang)得(de)到(dao)以(yi)NURBS曲(qu)線(xian)（non-uniform rational B-spline）表(biao)示(shi)的直(zhi)接切片(pian)輪(lun)廓。德(de)國壹個(ge)軟(ruan)件(jian)公(gong)司推出(chu)的CENIT軟(ruan)件(jian)能(neng)直(zhi)接在(zai)CATIA軟(ruan)件(jian)環(huan)境(jing)下對(dui)三(san)維模(mo)型(xing)切(qie)片(pian)，得(de)到(dao)線(xian)段(duan)、弧與(yu)曲(qu)線(xian)綜合表(biao)示(shi)的輪(lun)廓，並(bing)對(dui)曲(qu)線(xian)序列(lie)排(pai)序，將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)成正(zheng)確的切片(pian)格式(shi)。

直(zhi)接切片(pian)技(ji)術(shu)的應(ying)用(yong)具有壹定的局限(xian)性，這主要(yao)是(shi)由(you)於在(zai)CAD系(xi)統(tong)和3D打(da)印(yin)系(xi)統(tong)之間(jian)缺乏壹種(zhong)被guangfan接(jie)受的截面(mian)二(er)維數據的信息接口方(fang)式造(zao)成的。如果壹種(zhong)3D打(da)印(yin)系(xi)統(tong)需(xu)要(yao)通過(guo)直(zhi)接切片(pian)技(ji)術(shu)接受suoyou種(zhong)類(lei)的CAD模(mo)型(xing)數(shu)據(ju)，它(ta)必須(xu)為(wei)每壹種(zhong)CAD系(xi)統(tong)的造(zao)型(xing)方(fang)法和數(shu)據(ju)表(biao)示(shi)方(fang)式都(dou)互不(bu)相(xiang)同，開(kai)發(fa)過程(cheng)將(jiang)十(shi)分復雜。目前(qian)，多(duo)數支持直(zhi)接切片(pian)引(yin)擎(qing)都(dou)是(shi)在(zai)特定的CAD平(ping)臺(tai)上(shang)二次開發(fa)而(er)來的，對(dui)3D打(da)印系(xi)統(tong)而(er)言(yan)，支持直(zhi)接切片(pian)必(bi)須(xu)購買相應(ying)的CAD系(xi)統(tong)，這將(jiang)大(da)幅(fu)度提(ti)高系(xi)統(tong)成本(ben)。因此(ci)，直(zhi)接切片(pian)技(ji)術(shu)壹般只為(wei)滿(man)足(zu)某(mou)些特定需(xu)求使(shi)用(yong)。