李倩兮

摘要：3D打印技術是信息技術與機械工程、材料科學相結合的一項熱門新技術，已輻射滲透到當今的各個領域。在 3D 打印技術的整個過程里面，建模起著主導作用，可以繪制3D 圖形的軟件有很多，關鍵要看是否能輸出或者轉換成STL 格式的文件。本文主要介紹STL文件的幾種常見錯誤和修復方法。

關鍵詞：3D打??； 建模； STL文件；修復

TP391.41；TP391.73

引言：

STL（Stereo Lithography）文件是CAD系統(tǒng)和3D打印系統(tǒng)之間常用的數(shù)據(jù)交換文件。CAD實體模型一般是由多張曲面片剪切拼接組合而成，由于操作的不精確性，造型生成的CAD實體可能存在一些缺陷，這會影響后續(xù)的三角化過程，生成不正確的STL文件。而對于正確的CAD實體模型，由于系統(tǒng)精度差異和大曲率曲面三角化算法的不合理，也可能使生成的STL文件產(chǎn)生缺陷，使得STL文件無法進行進一步的切片處理，從而不能生成3D打印過程需要的路徑文件[1]。為了保證正確的分層切片，一般要在切片處理之前對STL文件進行缺陷的檢測和修復。

一、轉換成STL模型后常見的錯誤類型

在CAD模型轉換成STL模型的過程中可能會出現(xiàn)很多錯誤，直接影響到后續(xù)的切片和數(shù)據(jù)處理工作，所以需要對轉換的結果進行錯誤檢查，深究其原因并針對性的修復。

1。逆向法向量。也就是三角形面片三條邊的轉向發(fā)生逆轉，即違反了STL文件的右手規(guī)則。產(chǎn)生的原因主要是在生成STL文件時，三角形面片的頂點記錄順序錯誤。

2?？锥础？锥词荢TL文件中最常見的錯誤，它是因丟失三角形面片而造成的，特別是一些大曲率曲面組成的模型在進行三角化處理時，如果拼接該模型的三角形非常小或者數(shù)目非常多，就很容易丟失小三角形，導致孔洞錯誤。

3。裂縫。裂縫主要是在轉換中數(shù)據(jù)不準確或取舍的誤差而導致的，孔洞和裂縫都是違反了STL文件的充滿規(guī)則。

4。面片重疊。在三維空間中，三角網(wǎng)格模型中頂點的數(shù)值是以浮點數(shù)表示的。由于軟件的轉換精度太低，三角化算法中需要四舍五入對頂點數(shù)值進行調整而產(chǎn)生誤差，導致頂點的漂移。

5。多邊共線。3個以上的邊共線，并且每一條邊只有一個鄰接三角形。這是一種拓撲結構錯誤，是由于不合理的三角化算法造成的。

二、STL模型常見錯誤的修復方法

1.錯誤檢查方法

要修復STL文件，首先要檢查出STL文件的錯誤，確定錯誤的類型、分布和數(shù)量。STL文件是三角形面片的無序集合，沒有反應三角形之間的關系，所以必須在這群無序的三角形面片中建立其鄰接關系，即拓撲信息，拓撲關系不僅可以用于檢測修復錯誤，也可用于后續(xù)的處理。拓撲信息的建立是為了滿足三個條件：對任意一個三角形面片，都可以查找到其相鄰的三角形面片；對任意一條邊，都可以找出包含它的相鄰三角形面片；對任意一個頂點，都可以找出所有共用這個頂點的三角形面片。

根據(jù)建立的拓撲關系，即可對STL文件中的錯誤進行檢查，首先可以檢查出逆向法向量的錯誤。而孔洞、裂縫、不共頂點的錯誤都是由于出錯位置上的邊被一個三角形面片引用。因此以邊的檢查作為模型錯誤檢查的基礎，正確的邊是應當滿足條件：該邊有且僅有兩個相鄰面片，并且在這兩個面片中該邊所對應的方向相反。該邊有且僅有兩個相鄰面片，并且在這兩個面片中該邊所對應的方向相反。檢查逆向法向量錯誤的方法：根據(jù)三角形面片的三個頂點計算出法向量N，，將結果與文件中的法向量N對比，若N與N，，的夾角大于90。，則記錄為錯誤。檢查錯誤邊的方法：依次取出模型的每一條邊，獲得這兩個頂點各自的鄰接的集合，找到這兩個面集合中的相同的面片。如果相同的面片的數(shù)目不等于2；或該邊在這兩個面片中的順序相同；如果該邊為錯誤邊，則其所有的相鄰三角形面片錯誤，同時，該邊的兩個頂點也錯誤。

2。錯誤數(shù)據(jù)的修復步驟

其一，建立描述錯誤的圖。該圖應由多個錯誤連通區(qū)域組成，每個區(qū)域包括錯誤的三角形面片、錯誤的邊以及錯誤的頂點，每個連通區(qū)域是相互獨立的。在每一個連通區(qū)域里，錯誤頂點都可以通過錯誤邊遍歷到該區(qū)域的任意一個其他頂點。建立連通錯誤區(qū)的方法為：從某一條錯誤邊開始，獲取該邊的兩個頂點，然后再通過這兩個頂點找到相應的錯誤邊，并加入到連通區(qū)域重新獲取新的錯誤頂點，直至沒有新的錯誤頂點，重復以上步驟直至遍歷完全部錯誤邊。

其二，合并頂點。一是要遍歷所有連通錯誤區(qū)域，在每一個連通錯誤區(qū)域遍歷所有錯誤頂點；二是計算該頂點到其它頂點的距離，若該距離小于應合并頂點的距離，加入臨時頂點鏈表；三是合并臨時頂點鏈表中不屬于同一條邊的頂點；四是合并頂點的相鄰關系；五是重復步驟一到四，直至遍歷結束。

其三，修復孔洞。在孔洞中構造三角形，順序遍歷孔洞的環(huán)，每三條邊構建成為一個三角形面片，然后在起始頂點和第三條邊的末頂點增加一條新邊，以此形成一個新的三角面片，同時在錯誤連通區(qū)刪除己修復的錯誤頂點和錯誤邊，繼續(xù)遍歷孔洞的環(huán)，重復修復過程直至沒有大于3的多邊形。

其四，修復裂縫。修復裂縫可以通過合并頂點和修復孔洞的結合來完成。

最后，修復其他錯誤。以上步驟只能修復STL文件常見的錯誤，對于其他未知和不易識別的錯誤，可以借助工具或手動添加的方法來修復。

3.修復工具

很多工具可以用于STL文件的檢查，如Materialise公司的Magics、Netfabb、3DSystem公司的Rapidform XOM。其中，Netfabb是一款專門用于編輯、修復和分析3D打印模型數(shù)據(jù)的工具，其主界面的右下角顯示了3D模型的基本信息，包括Length（長）、Width（寬）、Height（高）、Volume（體積）、Area（總面積）和Triangles（三角面片數(shù)目）。該工具還可以對3D模型進行Move（平移）、Rotate（旋轉）、Scale（縮放）、Analyze（分析）、Heal（修復）、Measuring（測量）等操作。若在模型的右下角出現(xiàn)“！”圖標，則表示模型出錯。

通過“分析”工具可以檢查模型中的錯誤。首先確認具體的錯誤情況，被標志成紅色的區(qū)域是該軟件認為這里是法線指向錯誤，這會讓3D打印機無法識別是模型內部還是外部。點擊“修復”（紅十字）按鈕，可以看到當前模型的錯誤統(tǒng)計信息，一般正確的可直接用于切片的STL模型應滿足：零孔洞、零邊緣邊、零無效方向，如果是簡單模型，殼的數(shù)目一般為l。對于錯誤較多的模型可以采用“Automaticrepair（自動修復）”的功能，修復之后會顯示修復后的統(tǒng)計信息。

小結：本文從錯誤數(shù)據(jù)的檢查方法、錯誤數(shù)據(jù)的修復步驟及修復工具等三方面對模型缺陷進行檢測和修復。以期能較高效率的查找和修復STL文件的缺陷，提高3D打印過程中模型的成型質量。

參考文獻：

[1]、鄭少京，呂志強.主導 3D 打印技術的關鍵 -3D 建模[J].科技教育，2015（07）