增材制造的工藝過(guò)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(wú)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(lái)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?，首先重?gòu)模型的拓?fù)湫畔?，是STL模型中的各個(gè)三角形面片在邏輯上連接起來(lái)，然后通過(guò)依次追蹤與給定切平面相交的相鄰三角形面片的方法來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)曲面的三角化過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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。