增材制造的工藝過程前處理——切片

1．基于STL格式文件的切片

雖然目前有多種格式文件能夠充當(dāng)CAD與3D打印系統(tǒng)之間的接口界面，但STL格式文件由于其簡(jiǎn)單性和CAD建模方法無關(guān)性而成為3D打印領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，得到絕大多數(shù)3D打印和CAD廠商的支持，基于STL格式文件的切片技術(shù)成為3D打印所需的切片數(shù)據(jù)的主要來源。

基于STL格式文件的切片是指將工件的STL格式的3D模型轉(zhuǎn)化為一系列2D截面圖形，并根據(jù)這些圖形生成3D打印機(jī)的控制指令。3D打印機(jī)上一般都配備了切片軟件，切片處理的實(shí)質(zhì)是將幾何模型用輪廓線表達(dá)，這些輪廓線代表模型在切片層上的邊界，它由一系列以Z軸正方向?yàn)榉ǚ较虻钠矫媾cSTL格式模型經(jīng)相交計(jì)算所得的交點(diǎn)連接而成。根據(jù)這些輪廓線可以確定3D打印成形的路徑，并生成3D打印機(jī)的控制指令，即生成G代碼和M代碼。切片的厚度稱為分層厚度，通常取為恒定值，這種切片方式稱為等厚度切片。分層厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好，單成形時(shí)間越長(zhǎng)。分層厚度的范圍為0.015~0.6 mm，通常為0.1mm左右。

STL格式文件切片算法主要可以分為兩種類型：基于模型拓?fù)湫畔⒌那衅惴ê突谀Ｐ蛯娱g連續(xù)性的快速分層算法。在基于模型拓?fù)湫畔⒌那衅惴ㄖ校紫戎貥?gòu)模型的拓?fù)湫畔ⅲ荢TL模型中的各個(gè)三角形面片在邏輯上連接起來，然后通過依次追蹤與給定切平面相交的相鄰三角形面片的方法來快速獲得切片輪廓，它的優(yōu)點(diǎn)是一旦建立好了拓?fù)淠Ｐ停腥我飧叨鹊那衅瑫r(shí)間都不會(huì)改變，速度很快，可以達(dá)到實(shí)時(shí)切片。在基于模型層間連續(xù)性的快速分層算法中，首先建立STL模型的分層面新相交三角形面片表，提取模型的活性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再利用相鄰層之間的連續(xù)性，用增量式求解分層輪廓線的方式代替層間獨(dú)立的求解方式來連續(xù)獲得各層的切片輪廓，其原理類似于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中經(jīng)典的活性邊表輪廓填充算法，效率較高。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用的內(nèi)存量與STL模型面片總數(shù)的多少基本無關(guān)，有利于處理大量的STL文件，但算法中切片層厚是預(yù)先設(shè)置好的，只能進(jìn)行離線切片，無法完成對(duì)任意層高的實(shí)時(shí)切片處理，因而應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。

好的切片軟件是3D打印的核心，現(xiàn)在的切片軟件也非常多，目前使用比較guangfan且操作便捷的切片軟件有Cura、XBuilder、Simplify3d、Slic3r等。切片軟件的好壞，會(huì)直接影響到打印物品的質(zhì)量。下面介紹兩種主流的切片軟件：

 (1) Cura

Cura是由開源桌面3D打印機(jī)Ultimaker領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，以"高度整合性"以及"容易使用"為目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。Cura軟件包含了suoyou3D打印需要的功能，有模型切片以及打印機(jī)控制兩大部分。其主要特點(diǎn)就一個(gè)字：快，它是目前suoyou3D打印模型軟件切片zui快的上位機(jī)軟件，而且軟件的操作界面簡(jiǎn)單明了，每個(gè)參數(shù)都提供了詳盡的提示，非常容易上手。

 (2) Simplify3d

Simplify3D是一款付費(fèi)3D打印軟件。其功能非常強(qiáng)大，可自由添加支撐，支持雙色打印和多模型打印，預(yù)覽打印過程，切片速度極快，附帶多種填充圖案，參數(shù)設(shè)置詳細(xì)，幾乎支持市面上suoyou3D打印機(jī)。Simplifyzui有特色的功能是多模型打印，它能在同一個(gè)打印床上同時(shí)打印多個(gè)模型，且每個(gè)模型都有一套獨(dú)立的打印參數(shù)，此功能對(duì)雙色打印和提高打印效率非常有幫助。

 2.直接切片

直接從CAD三維模型上得到切片二維數(shù)據(jù)，由于不經(jīng)過曲面的三角化過程，一般認(rèn)為它可減少X—Y平面誤差。上有不少學(xué)者開發(fā)出了直接切片（Direct Slicing）技術(shù)，例如，在UG的實(shí)體造型內(nèi)核Parasolid（B-rep表示的實(shí)體建模器）上進(jìn)行了直接切片研究，并將切片描述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CLI、HPGL和SLC文件；在CSG（constructive solid geometry）上進(jìn)行了直接切片研究，可以提供準(zhǔn)確的激光掃描路徑；在I-DEAS造型軟件基礎(chǔ)上得到以NURBS曲線（non-uniform rational B-spline）表示的直接切片輪廓。德國(guó)一個(gè)軟件公司推出的CENIT軟件能直接在CATIA軟件環(huán)境下對(duì)三維模型切片，得到線段、弧與曲線綜合表示的輪廓，并對(duì)曲線序列排序，將其轉(zhuǎn)換成正確的切片格式。

直接切片技術(shù)的應(yīng)用具有一定的局限性，這主要是由于在CAD系統(tǒng)和3D打印系統(tǒng)之間缺乏一種被guangfan接受的截面二維數(shù)據(jù)的信息接口方式造成的。如果一種3D打印系統(tǒng)需要通過直接切片技術(shù)接受suoyou種類的CAD模型數(shù)據(jù)，它必須為每一種CAD系統(tǒng)的造型方法和數(shù)據(jù)表示方式都互不相同，開發(fā)過程將十分復(fù)雜。目前，多數(shù)支持直接切片引擎都是在特定的CAD平臺(tái)上二次開發(fā)而來的，對(duì)3D打印系統(tǒng)而言，支持直接切片必須購(gòu)買相應(yīng)的CAD系統(tǒng)，這將大幅度提高系統(tǒng)成本。因此，直接切片技術(shù)一般只為滿足某些特定需求使用。