魏勝利　王慶喜　郭建林

(安陽工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽455000)

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網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及中間數(shù)據(jù)格式分析*

魏勝利王慶喜郭建林

(安陽工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽455000)

作為在互聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)生的新的制造方式，3D打印技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化是必然的趨勢?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對3D打印的網(wǎng)絡(luò)化研究還比較少。針對3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，對網(wǎng)絡(luò)3D打印的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了三種網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并分析和這些結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的3D打印中間數(shù)據(jù)格式。通過對文獻(xiàn)的研究，提出了分層截面格式。在和STL(stereo lithography)格式進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上，對分層截面格式進(jìn)行了比較分析，給出了它的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)思路。

3D打?。痪W(wǎng)絡(luò)3D打??；結(jié)構(gòu)模式；中間數(shù)據(jù)格式；分層截面格式

快速成型技術(shù)(RP，rapid prototyping)又可以稱為3D打印技術(shù)，它根據(jù)三維造型軟件設(shè)計好的造型數(shù)據(jù)，采用分層堆積的方法進(jìn)行加工成型，制造成品[1-2]。這是一種不同于傳統(tǒng)的數(shù)控加工的新的制造方法，是計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、新材料的集成應(yīng)用的產(chǎn)物[3]。整個3D打印系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括反求工程、表面光順、造型設(shè)計、分層技術(shù)、平面曲面求交等。國內(nèi)外對3D打印系統(tǒng)都很重視，都在大力發(fā)展和研究3D打印系統(tǒng)。國內(nèi)目前的研究多集中在3D打印機(jī)的設(shè)計、分層求交算法的改進(jìn)、3D打印系統(tǒng)的應(yīng)用以及打印材料的研發(fā)等方面。但對網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)缺少研究和分析，對3D打印系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式少有提及。本文對網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并研究了與每種結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。最后在和STL(stereo lithography)格式對比的基礎(chǔ)上，對提出的分層截面數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了分析，給出了它的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)思路。

1　網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

互聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展無疑會影響人類生產(chǎn)生活的方方面面。德國的工業(yè)4.0和中國的制造2025都是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。作為新的制造方式的3D打印技術(shù)，將來也一定會和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，擴(kuò)大自己的應(yīng)用領(lǐng)地。更何況作為在新的時代產(chǎn)生的新的制造方式，3D打印技術(shù)更易于網(wǎng)絡(luò)化。3D打印技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化會具有多種不同的結(jié)構(gòu)。

1.13D打印系統(tǒng)

完整的3D打印系統(tǒng)通常由兩部分構(gòu)成，一部分是計算機(jī)，通常用來進(jìn)行CAD造型設(shè)計、形成STL文件、分層處理、層面路徑規(guī)劃，從而形成3D打印機(jī)噴嘴移動的路徑，控制3D打印機(jī)按照要求打印成型。另一部分是打印設(shè)備，它根據(jù)規(guī)劃好的路徑由運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物品的打印成型[4]。這兩部分之間通常采用并口線或者USB線進(jìn)行連接。整個處理流程如圖1所示。在一般情況下，進(jìn)行造型設(shè)計的計算機(jī)和3D打印設(shè)備相鄰。圖1所示的3D打印系統(tǒng)，并沒有接入網(wǎng)絡(luò)，不支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)共享打印。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，需要將3D打印系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)，形成網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程造型設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)共享打印。

1.2網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)

在網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)中，進(jìn)行造型設(shè)計的計算機(jī)和3D打印設(shè)備不在一個區(qū)域。可以把計算機(jī)和3D打印設(shè)備稱為設(shè)計端和打印端，它們身處異地卻在一個網(wǎng)絡(luò)之中。在網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)中，設(shè)計端和打印端要分別承擔(dān)圖1所示的流程中相應(yīng)的功能。從不同的地方劃分二者的功能，會產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)的形式和結(jié)構(gòu)。無論采用何種形式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)3D打印都可以將設(shè)計和3D打印相分離，可以將設(shè)計端的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給打印端打印，也可以是設(shè)計端將設(shè)計好的數(shù)據(jù)放在云端供打印端下載進(jìn)行打印，甚至可以將設(shè)計好的數(shù)據(jù)放在電商平臺上出售，供使用者購買后在3D打印機(jī)上打印。不管從哪個地方劃分設(shè)計端和打印端的功能，在網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)中，都需要將設(shè)計端形成的數(shù)據(jù)文件發(fā)送到打印端。這種數(shù)據(jù)文件可以稱為中間數(shù)據(jù)。采用不同形式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)，其采用的中間數(shù)據(jù)格式會存在不同。下面將對網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)能夠采用的形式結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.2.1常規(guī)網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)

因?yàn)榇蠖鄶?shù)的三維造型軟件和3D打印系統(tǒng)都支持STL文件格式，所以通常情況下，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)3D打印時，最容易想到的是把CAD造型設(shè)計、模型近似處理和形成STL文件放在設(shè)計端處理，然后把形成的STL文件通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱蛴《耍蛴《诉M(jìn)行STL文件的修復(fù)，然后完成分層處理、形成層面文件、層面路徑規(guī)劃，最后進(jìn)行3D打印。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)可以稱為常規(guī)網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)，其流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)下，打印端需要接收通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的STL文件，需要進(jìn)行STL文件修復(fù)、分層處理、層面路徑規(guī)劃等工作，因此在打印端仍需要一臺計算機(jī)完成這樣的工作，當(dāng)然可以把計算機(jī)和3D打印機(jī)集成為一體。打印端的計算機(jī)需要安裝能夠支持STL格式的軟件，并能進(jìn)行分層處理和層面規(guī)劃，但不一定需要安裝和設(shè)計端相似的造型設(shè)計軟件。在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)中，中間數(shù)據(jù)格式經(jīng)常就是STL格式文件。

1.2.2其他形式的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)

常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易被大家所熟悉和接受，然而，可以存在其他形式的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

一種結(jié)構(gòu)是在設(shè)計端只進(jìn)行三維造型的設(shè)計，然后將三維造型設(shè)計的相關(guān)參數(shù)而不是三維造型的形狀信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱蛴《?。這樣可以大幅度地減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，因?yàn)槿S造型設(shè)計的參數(shù)數(shù)據(jù)量比較小。如用一個球心坐標(biāo)和半徑就可以描述一個球體形狀，用控制頂點(diǎn)和權(quán)因子就可以描述自由曲面等。打印端仍需要一臺計算機(jī)或者集成在3D打印機(jī)中的計算機(jī)部件，這臺計算機(jī)還需要安裝和設(shè)計端類似的造型設(shè)計軟件。它接收通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的造型參數(shù)，然后重新形成造型形狀，繼而開始后面的形成STL文件、分層求交等工作。這種結(jié)構(gòu)可以稱為參數(shù)型中間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)。

另一種結(jié)構(gòu)是設(shè)計端完成從造型設(shè)計到層面路徑規(guī)劃等所有的工作，最終形成打印層面規(guī)劃文件，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到打印端進(jìn)行打印。在這種結(jié)構(gòu)下，中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是噴嘴路徑規(guī)劃文件，它詳細(xì)描述了噴嘴所要運(yùn)行的具體路徑或者坐標(biāo)。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)量無疑是非常大的，但在打印端，則可能不需要計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而可以直接用這些路徑數(shù)據(jù)控制3D打印機(jī)進(jìn)行打印成型。這種方法存在的問題是，一是數(shù)據(jù)量大。二是路徑規(guī)劃可能要考慮3D打印機(jī)的硬件配置信息，如噴嘴的運(yùn)行速度、打印材料的擠出量等，而這些在設(shè)計端是無法知道的。三是現(xiàn)有的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件是否能直接生成或者方便地轉(zhuǎn)換成這樣的數(shù)據(jù)格式。

第三種結(jié)構(gòu)是在設(shè)計端完成造型設(shè)計直至形成層面文件，而后將層面文件發(fā)送至打印端，打印端接收這種文件后進(jìn)行層面路徑規(guī)劃，然后進(jìn)行打印成型。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這種結(jié)構(gòu)下，中間數(shù)據(jù)格式就是層面文件，文獻(xiàn)[4]提出了一種分層截面格式的中間文件。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)稱之為分層中間數(shù)據(jù)格式網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)。我們認(rèn)為這種分層的中間格式最具前景。由于STL存在三角片面逼近和分層求交導(dǎo)致的大量運(yùn)算及STL缺陷的存在，使得STL并不是一個比較好的中間格式，可以尋求其他的方法來代替STL數(shù)據(jù)格式。如果在圖3中去掉STL相關(guān)步驟，可以得到圖4所示的結(jié)構(gòu)圖，稱之為改進(jìn)的分層中間數(shù)據(jù)格式網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)。現(xiàn)在一些三維造型軟件比如AutoCAD就可以使用一些命令如AutoLISP來形成分層文件。而實(shí)際上，造型軟件甚至可以直接用分層的概念來設(shè)計三維造型，這樣三維造型的圖形信息以分層數(shù)據(jù)格式形式來存在，從而在3D打印系統(tǒng)中可以徹底省掉三角片逼近和分層求交的運(yùn)算，從而徹底摒棄STL文件格式帶來的問題。

2　分層截面格式

2.13D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

3D打印采用逐層堆積的方式來實(shí)現(xiàn)加工，所以分層求交是大家集中研究的問題。研究的重點(diǎn)集中在如何減小“臺階效應(yīng)”，減小三角片面逼近誤差，減小分層求交的計算量，改進(jìn)由三角片面逼近原有造型帶來的缺陷等這些方面。文獻(xiàn)[5]討論了等厚分層和自適應(yīng)分層的研究和進(jìn)展，介紹了斜邊分層算法和曲面分層算法等先進(jìn)分層算法的原理和成果，討論了快速成型分層算法的研究方向和趨勢。文獻(xiàn)[6]提出了一種對造型直接分層，拋棄STL格式的方法，采用自適應(yīng)的方法采用不同的分層厚度來解決“臺階效應(yīng)”和加工速度之間的矛盾。文獻(xiàn)[7]提出了一種對STL數(shù)據(jù)文件重建的方法，減少數(shù)據(jù)冗余。文獻(xiàn)[8]根據(jù)三角形網(wǎng)格面片的Z軸坐標(biāo)值從小到大進(jìn)行分組排序，然后對這些三角形網(wǎng)格面片進(jìn)行求交線段，依次輸出截面輪廓線和數(shù)據(jù)的方法提出了一種分層優(yōu)化算法，提高了分層效率。文獻(xiàn)[9]根據(jù)錯誤的特點(diǎn)進(jìn)行分類, 然后利用半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速建立STL文件的實(shí)體模型來對STL文件的錯誤進(jìn)行修復(fù)。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于信息繼承的加快分層處理速度的算法。文獻(xiàn)[11]通過對造型三次排序的方法提出了等厚分層算法，提高了分層的效率。

2.2分層截面數(shù)據(jù)格式

上述文獻(xiàn)研究的問題都是3D打印中需要解決的問題，但它們對分層以后層面信息如何保存沒有提及。3D打印技術(shù)大多采用逐層堆積的方式，采用分層截面格式作為3D打印系統(tǒng)尤其是網(wǎng)絡(luò)3D打印系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)格式，是最為直接的一種方式。目前雖然也在使用分層求交的方法來進(jìn)行3D打印，但對于分層的數(shù)據(jù)格式如何表示并沒有公開的報道，而分層以后信息以什么格式表示對信息的傳輸及后面3D打印的實(shí)現(xiàn)都至關(guān)重要。

2.2.1分層截面數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)

在文獻(xiàn)[4]中，我們提出了一種分層截面格式來表示每層的信息。每層的信息由該層的截面圖形來進(jìn)行表示。當(dāng)用一組垂直于一個軸方向(如Z軸)的平面去切割三維模型時，這些平面和三維造型的內(nèi)外表面相交，形成一定的圖形。形成的每個截面都是這樣的平面圖形。平面圖形的形狀可能是由圓、矩形、圓角矩形、三角形、樣條曲線構(gòu)成的閉合曲線、復(fù)合曲線構(gòu)成的閉合曲線等這些圖形。分層截面格式的數(shù)據(jù)就是由該組中每個截面的圖形信息來表示。每個截面的圖形信息依次組合就形成了表示整個三維造型的所有數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行存儲、傳輸。由于這種數(shù)據(jù)格式就是層面信息，因此不用再求交計算直接可以進(jìn)行路徑規(guī)劃繼而利用插值密化的方式進(jìn)行打印。用這種方法來表示三維模型的精度由這些截面的多少決定，截面越多，截面間的間距越小，則精度就越高。對于造型比較有規(guī)律的物體，則可以由比較少的截面輔助于其他信息(如截面間的梯度信息)來表示，可以大幅度減小數(shù)據(jù)量。這種數(shù)據(jù)格式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)相比STL的用三角片面逼近造型的方法，能夠減小計算量并避免STL方式所產(chǎn)生的缺陷。

(2)保存的就是按序排列的每層的信息，在打印端可以直接打印，避免再進(jìn)行分層求交這樣復(fù)雜的運(yùn)算。這可以降低打印端的計算需求，便于打印端采用嵌入式方式來實(shí)現(xiàn)。

(3)每層的信息都是有意義的，不像STL格式是由三角片面的頂點(diǎn)信息組成，意義不明確。

(4)在保證相同精度下，數(shù)據(jù)量不大于STL格式，尤其是對于造型比較有規(guī)律的物體，則可以由比較少的截面輔助于其他信息(如截面間的梯度信息)來大幅度減小數(shù)據(jù)量。

(5)便于標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.2分層截面格式的設(shè)計

分層截面格式整個文件格式如圖5所示。文件頭表明整個文件的長度、總層數(shù)、基準(zhǔn)坐標(biāo)、切割方向等信息。層面信息表明每層截面的圖形信息，是每層截面圖形的數(shù)據(jù)表示。校驗(yàn)碼則是對文件的校驗(yàn)，包括對總層面的數(shù)量進(jìn)行校驗(yàn)。

層面信息是整個文件的數(shù)據(jù)實(shí)體部分，它記錄每層的圖形信息。每層都由一些封閉的圖形構(gòu)成，因此圖形信息包含該層圖形有幾個封閉圖形、它們的參數(shù)以及該層的厚度。而具體的每個圖形則可以用標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)形式來進(jìn)行表示。

如圖6所示的是一個三維實(shí)體造型，該造型由兩部分構(gòu)成，下部是一個中間有孔的正方形基座，上面是一個中間有孔的圓柱體。下部和上部的橫截面如圖7和圖8所示。圖5中的層面信息可以由這兩個截面來進(jìn)行描述。該層面信息包含兩個層：一個層包兩個封閉的圖形，分別是一個有特定邊長的正方形以及一個具有特定半徑的圓，該層的信息還記錄這個層的厚度；另一個層的信息也用同樣的方式來表示。整個的實(shí)體造型使用這樣的截面格式表示，這樣表示的數(shù)據(jù)量小，易于通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，同時避免了STL文件格式中的三角片面逼近和分層求交帶來的大量運(yùn)算和缺陷。當(dāng)然，這種方法對于變化非常有規(guī)律的造型，可以用較少的數(shù)據(jù)來表示，對于復(fù)雜的造型，數(shù)據(jù)量也會上升，但也可以對分層截面格式進(jìn)行改進(jìn)，利用造型的規(guī)律減小數(shù)據(jù)量。

分層截面數(shù)據(jù)的獲取可以有以下方法。(1)設(shè)計三維造型時直接采用分層截面的方式來設(shè)計，這樣設(shè)計好三維造型直接就是分層截面格式。多數(shù)的三維造型設(shè)計軟件設(shè)計立體圖形時是用基準(zhǔn)平面拉伸或者由曲面曲線旋轉(zhuǎn)生成的，獲取其截面圖形并非難事。(2)有些三維造型軟件如AutoCAD提供分層軟件AutoLISP來獲取分層信息[6]。獲取截面圖形信息后，再加上層面厚度信息以及該層于其他層的關(guān)系等信息，最后加上必要的文件頭和校驗(yàn)數(shù)據(jù)就構(gòu)成了整個分層截面文件。該文件傳送給3D打印機(jī)，3D打印機(jī)根據(jù)精度的要求，采用插值密化的方式獲取每層打印的信息，根據(jù)層面上圖形位置和形狀關(guān)系采用合適的路徑規(guī)劃方式驅(qū)動噴頭打印成型。

3　結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)3D打印的結(jié)構(gòu)形式對3D技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，與網(wǎng)絡(luò)3D打印設(shè)備的高效率共享，甚至是對其將來的商業(yè)發(fā)展模式都具有重要的影響。本文對網(wǎng)絡(luò)3D打印的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了三種網(wǎng)絡(luò)3D打印結(jié)構(gòu)。指出了這些模式的適應(yīng)情況，所適合的數(shù)據(jù)傳輸格式。對分層截面格式進(jìn)行了比較分析，給出了它的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)思路。目前我們正在相關(guān)的項(xiàng)目中對分層數(shù)據(jù)格式進(jìn)行深入研究，并嘗試用分層截面格式直接來設(shè)計三維造型。將來也許每個人都可以通過自己的計算機(jī)甚至上手持終端將自己奇思妙想的創(chuàng)意設(shè)計出來放在云端，而每個人也可以從云端下載這些設(shè)計好的自己喜歡的造型，用自家的3D打印或者附近的3D打印出來?？梢韵胂?，這將會徹底改變現(xiàn)在的制造方式。

[1] 趙辰.3D打印機(jī)分層軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2009.

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(編輯譚弘穎)

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Structure and intermediate data format of network 3D printing system analysis

WEI Shengli,WANG Qingxi,GUO Jianlin

(Computer Science and Information Engineering School,Anyang Institute of Technology, Anyang 455000,CHN)

As a new manufacturing method generated in the Internet era, networking of 3D printing technology is an inevitable trend. Existing research literature focus on little about networking of 3D printing technology. Based on the development trend of 3D printing technology, the structure of 3D printing network is analyzed, and three network structure modes are presented. Also, the application scenarios of those modes and the intermediate data format suitable for those modes is presented. Appropriate data format for transmission is required in 3D printing systems. Based on the study of related literature, a slicing section format is presented. Compared with STL (stereo lithography) format, the feature and implementation of the slicing section format is analyzed.

3D printing; network 3D printing; structure mode; intermediate data format; slicing section format

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.008

魏勝利，男，1974年生，碩士，講師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)控制和計算機(jī)圖形。

2016-03-14)

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* 河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(162102210130) ，河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計劃(15A520036)