3D打印技術在礦山三維實體建模中的應用研究

楊禮朋, 郭琪璇, 張 迪

(1.河南省地質礦產勘查開發局 第三地質礦產調查院,鄭州 450014;2.河南地礦職業學院 鄭州 451464)

長久以來,礦山進行日常生產管理的主要參考依據是二維礦圖和三維可視化模型,其中應用最多的可視化模型是通過3D建模技術將地理信息系統和互聯網結合,將現實中的礦山做成數字化模型傳輸到計算機[1-2]。但是，由于大分部礦山企業只是利用建模技術對礦區做“表面工程”的三維可視化展示瀏覽,對整個礦山的施工生產、規劃建設沒有太多的實際意義,使得數字化的三維模型僅僅起到觀摩作用。傳統的礦山物理模型由于制作工序繁瑣,成品精度低、費用高昂,且對專業技術能力要求極高,因此,很大程度上限制了礦山物理模型的應用和普及。3D打印技術作為一種可實現三維模型實體化的新型工藝,它具有模型精度高、生產周期短、制作成本低等優勢,完美彌補了礦山三維可視化模型和手工制作物理模型存在的弊端。3D打印的礦山物理模型能夠更加真實、直觀、全面地反應礦區現狀,而且能夠在礦山開發利用方案制定、廠區規劃建設、礦山恢復治理等方面提供真實可靠的資料信息[3-4]。目前,3D打印技術在地勘行業中的應用也越來越多。潘宏杉，將3D打印技術應用于螢石礦礦床模型的研究[5];吳超,利用3D打印技術制作礦山的物理模型，對采礦方法做了深入研究[6];陳志勇,在智慧礦山建設中成功應用了3D打印技術與3D建模技術[7]。這些案例的成功應用都表明，3D打印技術作為一門新興工藝,在地勘行業中將擁有很大的發展空間。

1 3D打印技術

3D打印技術是基于3D模型數字文件的STL格式作為接口,以3D模型數字文件為基礎,將模型分層,再與各種可黏合的材料結合加熱,從底層到上層逐層按照計算機分層的信息,通過噴嘴裝置進行疊加,最后形成實體的物理模型。通俗來講就是:先讀取建立好的3D模型信息,將其分層成多個平面,3D打印機將分層的2D切面用堆疊的方式打印出來,直至最后形成一個完整的主體模型[8-9]。

STL文件格式是用閉合三角形面片對3D模型表面進行擬合,當三角形面積越小、數量越多時,其擬合精度越高、效果越好(當然,這樣也會造成文件數據量過大、處理過程慢),這種數據格式可以對各種3D模型進行擬合,擬合三角形稱為三角面片[10-11]。

3D打印礦山三維實體模型是一個復雜的過程,首先需要根據礦山現狀,用無人機獲取測區全域高程信息,然后利用地理信息數據處理軟件ArcGIS制作該礦山ASCII格式的DEM,由圖形轉換軟件AccuTrans 3D 將ASCII格式的DEM輸出為3D打印機認可的STL標準格式文件,再對模型文件進行分層,最后由3D打印機完成礦山實體模型的生產制作,詳細過程如圖1所示。

圖1 3D打印礦山流程圖

2 實驗案例

2.1 數據準備

此次實驗選擇云南南部某處礦山,該礦山環境復雜,地勢陡峭,人工獲取礦山高程信息難度較大。因此,使用了大疆M300多旋翼無人機進行全域航測,飛行高度設置為160 m,航向重疊度80%,旁向重疊度80%,GSD設置為5 mm,在規劃好航線任務之后進行航飛。得到該礦山的航攝影像數據和三維模型后,在距離礦山邊界100 m處設置采樣圈,按照5 m的采樣間距進行提取高程點1 100多個,然后將該高程數據在ArcGIS中展開,如圖2所示。

圖2 礦山高程點

在ArcGIS中打開“3D Analyst”模塊,在其下拉菜單中點擊“創建TIN”,然后在彈出的對話框中設置輸出、輸入路徑后,即可創建TIN。不同的高程值可以分段設置,并在創建好的TIN中以不同的顏色顯示出來,用于對高程分布進行更直觀的觀測。在3D Analyst中點擊轉換菜單,選擇參數因子,如“TIN轉柵格”設置輸入輸出路徑,即可完成TIN轉柵格,得到礦山的DEM。轉換結果圖3所示。

圖3 礦山數字高程模型

2.2 STL格式轉換與模型檢測

在得到ASCII格式的DEM數據后,需要將其導入到支持多種數據格式的圖形圖像處理軟件AccuTrans 3D中,此軟件可以將多種3D模型格式進行互相轉換,在將ASCII格式的DEM轉換為3D打印機默認的格式后,得到STL模型,如圖4所示。在將STL模型放大后會發現,模型周邊有很多凸起變形,并且在模型的內部有很多的孔洞和裂紋以及許多交叉的三角形面片。

(a)STL模型圖;(b)局部放大圖

STL是由許多三角形面片進行組合構成的3D模型。這些三角形面片是無序逼近的,它們的內在關系也無法表示,因此想要直接從這些無序的面片中發現他們的邏輯錯誤是非常困難的,所以我們需要借助軟件來進行檢測[12-13]。本文的檢測修復軟件選擇了Magics。首先將STL格式的DEM導入Magics中,然后點擊“修復欄”下的“修復向導”,可以將模型存在的問題自動檢測出來。如圖5所示,為Magics修復前、后的界面圖。

(a)修復前

由修復前后兩幅圖的對比中可看出,在經過軟件自動修復之后“殼體、反向三角面片、孔洞”等錯誤的情況得到有效的解決,對于其他沒有解決的問題就要進行多次循環修復或者手動修復。

我們以孔洞和法向錯誤為例進行對比。首先將修復前、后的STL模型以三角形面片可視化顯示,如圖6所示。由這兩幅圖可以明顯看出,孔洞修復前后的不同,在修復前系統會將存在孔洞的三角形面片以淡青色顯示,修復后會以墨綠色顯示出來。孔洞和裂縫都是因為未填充滿模型表面導致的,孔洞的修復方法一般是構造三角形,依次遍歷孔洞的環,每三條邊構造一個三角形面片,然后在起始頂點和第三條邊的末頂點添加一條新邊,以此來形成一個新的三角形。而裂縫的修補一般是通過合并裂縫向鄰近的三角形的邊或頂點進行完成縫補。

關于模型的修復是一個比較繁瑣和耗時的過程。對于一般的簡單錯誤,通過軟件自動修復就可以完成修復；但是大部分的修復工作都要靠人工排查后進行修復,模型修復的好壞會直接影響到后續模型切片的工作,也會對模型的打印結果產生影響。

(a)孔洞修復前

3 切片分層打印

切片分層是3D打印的一個核心內容,因為3D打印機無法直接讀取STL的文件信息,只有先通過切片軟件將STL模型分層后,才能獲取每個層面的二維平面信息,形成G-CODE文件,再通過電腦將G-CODE文件傳送到3D打印機上進行層層打印。這個實驗用到的切片軟件叫Cura，Cura的切片層厚使用的是系統的默認層厚1 mm。在將模型導入Cura后,軟件會自動計算出打印時間、耗材長度、重量等信息。分層模式開啟后,如果有問題也能早點發現,精確定位到指定層面,切片的每一層的截面信息和打印計劃都能直觀的看到。如圖7(a)(b)所示，是模型在不同層面需要打印的二維截面圖，在此界面可以看到每層面的打印形狀、打印時間等信息，以便對打印計劃進行單獨檢查。在完成分層設置后就可以將打印信息傳輸到3D打印機進行打印。出于對打印成本的考慮,將STL模型與打印模型的比例尺設置為2.73∶1。

圖8所示是利用FDM(熔融沉積成型技術)完成打印的工作圖。從成品效果可以看出，該礦區地勢復雜多變,丘陵高低不平,溝壑縱橫,手工制作此模型難度極大。3D打印礦山相比手工制作工藝不僅能凸顯礦山細部,使礦山地形變化的表達更加符合現狀,而且礦區能夠直接反映礦體、地層、構造等地質特征,也能在智能采礦設計、地質環境勘查、災害事故反演、通風模擬、安全生產預警管理等領域形成特色專題應用,對礦區后續的發展規劃有一定的指導意義。

(a) 第69層截面信息

圖8 DEM打印工作圖

4 精度評定方法

此次實驗將采用一種預估中誤差的方法來對成果模型進行精度評估,具體方法是:在3D模型中量測特征點的距離,選擇多組任意兩個特征點。根據在3D模型中所選擇的特征點,依次在實體模型中測量出多組同等位置間兩個特征點的距離,然后按照縮放比例進行尺寸還原,將還原后兩個特征點的尺寸與3D模型同等位置兩個特征點尺寸進行對比,然后得出一個差值。以此類推得到若干組差值,最后按照中誤差的計算公式得出一個預估中誤差。

下面兩張圖中圖9(a)顯示的是在3D模型中選取的部分特征點距離,圖9(b)是按照圖9(a)中所選取的特征點在實體模型上進行相同特征點測量。

在經過多次量測之后得到如表1數據。表中l1(mm)表示3D模型特征點間距,l2(mm)表示實體模型特征點間距,Ed表示中誤差。

圖9 選取部分特征點示意圖

表1 特征點間距表

編號11121314151617181920l1/mm66.8187.7267.2134.3129.8286.972.198.8102.7148.3l2/mm2468.597.54947.510526.536.537.554.5

表1中數據是經過多次量測得到,在此數據的基礎上將實體模型特征點間距經過還原后與3D模型中特征點間距進行比較得出差值,然后按照如下中誤差公式進行計算:

(1)

由以上數據計算得出:Ed=1.944 mm,中誤差的大小反映了模型精度的高低。

5 結論

隨著地礦產業三維模型業務需求的快速增長,用戶對礦山三維模型的實用性、真實性也提出了更高的要求。傳統可視化的地理信息三維模型,是用計算機制作而成的虛擬三維立體來表達客觀實體形態[14-15]。這種表達方式不夠真實直觀,而且非專業人士也不能熟練對三維模型進行操作瀏覽和編輯,存在一定的局限性。3D打印技術能夠在很大程度上簡化模型實體化的生產流程,從而實現復雜礦山的精確復制,打破了虛擬與現實之間的壁壘,實現了礦山物理模型生產自動化,降低物理仿真模型制作成本,使用戶能夠客觀真實地了解礦區情況,做好礦區生產建設的整體規劃管理工作。此次將礦山三維可視化數據與3D打印技術相結合,在證明3D打印技術可行性的同時,也進一步強化了3D打印技術在礦山三維實體建模中的推廣應用,制作出了真實、個性、直觀的礦山實體模型。