網絡3D打印系統的結構及中間數據格式分析*

魏勝利　王慶喜　郭建林

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南 安陽455000)

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網絡3D打印系統的結構及中間數據格式分析*

魏勝利王慶喜郭建林

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南 安陽455000)

作為在互聯網時代產生的新的制造方式，3D打印技術網絡化是必然的趨勢。現有文獻對3D打印的網絡化研究還比較少。針對3D打印技術的發展趨勢，對網絡3D打印的結構進行了分析，提出了三種網絡3D打印系統的結構，并分析和這些結構相適應的3D打印中間數據格式。通過對文獻的研究，提出了分層截面格式。在和STL(stereo lithography)格式進行對比的基礎上，對分層截面格式進行了比較分析，給出了它的特點及實現思路。

3D打印；網絡3D打印；結構模式；中間數據格式；分層截面格式

快速成型技術(RP，rapid prototyping)又可以稱為3D打印技術，它根據三維造型軟件設計好的造型數據，采用分層堆積的方法進行加工成型，制造成品[1-2]。這是一種不同于傳統的數控加工的新的制造方法，是計算機技術、控制技術、新材料的集成應用的產物[3]。整個3D打印系統涉及的關鍵技術包括反求工程、表面光順、造型設計、分層技術、平面曲面求交等。國內外對3D打印系統都很重視，都在大力發展和研究3D打印系統。國內目前的研究多集中在3D打印機的設計、分層求交算法的改進、3D打印系統的應用以及打印材料的研發等方面。但對網絡3D打印系統缺少研究和分析，對3D打印系統的數據格式少有提及。本文對網絡3D打印系統的結構進行了分析，并研究了與每種結構相適應的數據格式。最后在和STL(stereo lithography)格式對比的基礎上，對提出的分層截面數據格式進行了分析，給出了它的特點及實現思路。

1　網絡3D打印系統結構分析

互聯網及互聯網+的發展無疑會影響人類生產生活的方方面面。德國的工業4.0和中國的制造2025都是網絡技術和生產制造技術結合的產物。作為新的制造方式的3D打印技術，將來也一定會和網絡技術緊密結合，擴大自己的應用領地。更何況作為在新的時代產生的新的制造方式，3D打印技術更易于網絡化。3D打印技術的網絡化會具有多種不同的結構。

1.13D打印系統

完整的3D打印系統通常由兩部分構成，一部分是計算機，通常用來進行CAD造型設計、形成STL文件、分層處理、層面路徑規劃，從而形成3D打印機噴嘴移動的路徑，控制3D打印機按照要求打印成型。另一部分是打印設備，它根據規劃好的路徑由運動控制系統實現物品的打印成型[4]。這兩部分之間通常采用并口線或者USB線進行連接。整個處理流程如圖1所示。在一般情況下，進行造型設計的計算機和3D打印設備相鄰。圖1所示的3D打印系統，并沒有接入網絡，不支持網絡遠程設計和網絡共享打印。要實現網絡功能，需要將3D打印系統接入網絡，形成網絡3D打印系統，實現遠程造型設計和網絡共享打印。

1.2網絡3D打印系統

在網絡3D打印系統中，進行造型設計的計算機和3D打印設備不在一個區域。可以把計算機和3D打印設備稱為設計端和打印端，它們身處異地卻在一個網絡之中。在網絡3D打印系統中，設計端和打印端要分別承擔圖1所示的流程中相應的功能。從不同的地方劃分二者的功能，會產生不同的網絡3D打印系統的形式和結構。無論采用何種形式結構，網絡3D打印都可以將設計和3D打印相分離，可以將設計端的數據通過網絡傳輸給打印端打印，也可以是設計端將設計好的數據放在云端供打印端下載進行打印，甚至可以將設計好的數據放在電商平臺上出售，供使用者購買后在3D打印機上打印。不管從哪個地方劃分設計端和打印端的功能，在網絡3D打印系統中，都需要將設計端形成的數據文件發送到打印端。這種數據文件可以稱為中間數據。采用不同形式結構的網絡3D打印系統，其采用的中間數據格式會存在不同。下面將對網絡3D打印系統能夠采用的形式結構及其相應的中間數據結構進行分析。

1.2.1常規網絡3D打印系統

因為大多數的三維造型軟件和3D打印系統都支持STL文件格式，所以通常情況下，在實現網絡3D打印時，最容易想到的是把CAD造型設計、模型近似處理和形成STL文件放在設計端處理，然后把形成的STL文件通過網絡傳輸到打印端，打印端進行STL文件的修復，然后完成分層處理、形成層面文件、層面路徑規劃，最后進行3D打印。這種結構的網絡3D打印系統可以稱為常規網絡3D打印系統，其流程結構如圖2所示。在這種結構下，打印端需要接收通過網絡傳輸過來的STL文件，需要進行STL文件修復、分層處理、層面路徑規劃等工作，因此在打印端仍需要一臺計算機完成這樣的工作，當然可以把計算機和3D打印機集成為一體。打印端的計算機需要安裝能夠支持STL格式的軟件，并能進行分層處理和層面規劃，但不一定需要安裝和設計端相似的造型設計軟件。在常規網絡3D打印系統中，中間數據格式經常就是STL格式文件。

1.2.2其他形式的網絡3D打印系統

常規的網絡3D打印系統結構，容易被大家所熟悉和接受，然而，可以存在其他形式的網絡3D打印系統的結構。

一種結構是在設計端只進行三維造型的設計，然后將三維造型設計的相關參數而不是三維造型的形狀信息通過網絡傳輸到打印端。這樣可以大幅度地減少傳輸的數據量，因為三維造型設計的參數數據量比較小。如用一個球心坐標和半徑就可以描述一個球體形狀，用控制頂點和權因子就可以描述自由曲面等。打印端仍需要一臺計算機或者集成在3D打印機中的計算機部件，這臺計算機還需要安裝和設計端類似的造型設計軟件。它接收通過網絡傳輸過來的造型參數，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。這種結構可以稱為參數型中間數據網絡3D打印系統。

另一種結構是設計端完成從造型設計到層面路徑規劃等所有的工作，最終形成打印層面規劃文件，然后通過網絡發送到打印端進行打印。在這種結構下，中間數據結構就是噴嘴路徑規劃文件，它詳細描述了噴嘴所要運行的具體路徑或者坐標。這種數據結構下的數據量無疑是非常大的，但在打印端，則可能不需要計算機對數據進行處理而可以直接用這些路徑數據控制3D打印機進行打印成型。這種方法存在的問題是，一是數據量大。二是路徑規劃可能要考慮3D打印機的硬件配置信息，如噴嘴的運行速度、打印材料的擠出量等，而這些在設計端是無法知道的。三是現有的計算機輔助設計軟件是否能直接生成或者方便地轉換成這樣的數據格式。

第三種結構是在設計端完成造型設計直至形成層面文件，而后將層面文件發送至打印端，打印端接收這種文件后進行層面路徑規劃，然后進行打印成型。其結構如圖3所示。在這種結構下，中間數據格式就是層面文件，文獻[4]提出了一種分層截面格式的中間文件。這種結構的網絡3D打印系統稱之為分層中間數據格式網絡3D打印系統。我們認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致的大量運算及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數據格式。如果在圖3中去掉STL相關步驟，可以得到圖4所示的結構圖，稱之為改進的分層中間數據格式網絡3D打印系統。現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。而實際上，造型軟件甚至可以直接用分層的概念來設計三維造型，這樣三維造型的圖形信息以分層數據格式形式來存在，從而在3D打印系統中可以徹底省掉三角片逼近和分層求交的運算，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打印技術的研究進展

3D打印采用逐層堆積的方式來實現加工，所以分層求交是大家集中研究的問題。研究的重點集中在如何減小“臺階效應”，減小三角片面逼近誤差，減小分層求交的計算量，改進由三角片面逼近原有造型帶來的缺陷等這些方面。文獻[5]討論了等厚分層和自適應分層的研究和進展，介紹了斜邊分層算法和曲面分層算法等先進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[6]提出了一種對造型直接分層，拋棄STL格式的方法，采用自適應的方法采用不同的分層厚度來解決“臺階效應”和加工速度之間的矛盾。文獻[7]提出了一種對STL數據文件重建的方法，減少數據冗余。文獻[8]根據三角形網格面片的Z軸坐標值從小到大進行分組排序，然后對這些三角形網格面片進行求交線段，依次輸出截面輪廓線和數據的方法提出了一種分層優化算法，提高了分層效率。文獻[9]根據錯誤的特點進行分類, 然后利用半邊數據結構快速建立STL文件的實體模型來對STL文件的錯誤進行修復。文獻[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[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分層截面數據格式

上述文獻研究的問題都是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打印系統尤其是網絡3D打印系統中的數據格式，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行3D打印，但對于分層的數據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打印的實現都至關重要。

2.2.1分層截面數據格式的特點

在文獻[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行表示。當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、樣條曲線構成的閉合曲線、復合曲線構成的閉合曲線等這些圖形。分層截面格式的數據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據。這些數據可以進行存儲、傳輸。由于這種數據格式就是層面信息，因此不用再求交計算直接可以進行路徑規劃繼而利用插值密化的方式進行打印。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，可以大幅度減小數據量。這種數據格式具有如下優點：

(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，避免再進行分層求交這樣復雜的運算。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現。

(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信息組成，意義不明確。

(4)在保證相同精度下，數據量不大于STL格式，尤其是對于造型比較有規律的物體，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)來大幅度減小數據量。

(5)便于標準化。

2.2.2分層截面格式的設計

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、基準坐標、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據表示。校驗碼則是對文件的校驗，包括對總層面的數量進行校驗。

層面信息是整個文件的數據實體部分，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、它們的參數以及該層的厚度。而具體的每個圖形則可以用標準的參數形式來進行表示。

如圖6所示的是一個三維實體造型，該造型由兩部分構成，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。整個的實體造型使用這樣的截面格式表示，這樣表示的數據量小，易于通過網絡傳輸，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算和缺陷。當然，這種方法對于變化非常有規律的造型，可以用較少的數據來表示，對于復雜的造型，數據量也會上升，但也可以對分層截面格式進行改進，利用造型的規律減小數據量。

分層截面數據的獲取可以有以下方法。(1)設計三維造型時直接采用分層截面的方式來設計，這樣設計好三維造型直接就是分層截面格式。多數的三維造型設計軟件設計立體圖形時是用基準平面拉伸或者由曲面曲線旋轉生成的，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系等信息，最后加上必要的文件頭和校驗數據就構成了整個分層截面文件。該文件傳送給3D打印機，3D打印機根據精度的要求，采用插值密化的方式獲取每層打印的信息，根據層面上圖形位置和形狀關系采用合適的路徑規劃方式驅動噴頭打印成型。

3　結語

網絡3D打印的結構形式對3D技術的發展與應用，與網絡3D打印設備的高效率共享，甚至是對其將來的商業發展模式都具有重要的影響。本文對網絡3D打印的結構進行了分析，提出了三種網絡3D打印結構。指出了這些模式的適應情況，所適合的數據傳輸格式。對分層截面格式進行了比較分析，給出了它的特點及實現思路。目前我們正在相關的項目中對分層數據格式進行深入研究，并嘗試用分層截面格式直接來設計三維造型。將來也許每個人都可以通過自己的計算機甚至上手持終端將自己奇思妙想的創意設計出來放在云端，而每個人也可以從云端下載這些設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。可以想象，這將會徹底改變現在的制造方式。

[1] 趙辰.3D打印機分層軟件的設計與實現[D].南京：東南大學，2009.

[2]周滿元.一種非均勻自適應分層方法[J].計算機工程與應用, 2005(3):72-74.

[3]董未名,嚴冬明,周文,等.基于CAD 模型的直接快速成型軟件[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004(3):360-367.

[4]魏勝利，張捐凈，郭曉波.3D打印系統的發展及其數據格式分析[J].制造技術與機床，2015(7)：79-82.

[5]趙吉賓, 劉偉軍.快速成型技術中分層算法的研究與進展[J].計算機集成制造系，2009(2):209-219.

[6]馬錦華，盧章平.AutoCAD 環境下直接適應性切片方法及實現[J].機械設計與制造，2007(7)：100-103.

[7]楊光，劉偉軍，王維，等.STL格式文件拓撲重建及快速切片算法研究[J].現代制造工程,2009(10):32-35.

[8]王春香，李振華.STL模型分層算法的優化及應用[J].機械設計與制造，2013(3):87-90.

[9]賀強, 張樹生, 白曉亮.STL文件錯誤的快速修復[J].計算機應用研究，2009(5):1983-1984.

[10]李占利，梁棟，李滌塵，等.基于信息繼承的快速分層處理算法研究[J].西安交通大學學報，2002(1):43-46.

[11]王春香，郝志博.快速成型技術STL模型等厚分層算法研究[J].機械設計與制造，2014(4):133-136.

(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，研究方向為計算機控制和計算機圖形。

2016-03-14)

160819

* 河南省科技攻關項目(162102210130) ，河南省高等學校重點科研項目計劃(15A520036)