探究3D打印技术的应用与切片处理原理

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术^[3]。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用^[4]。

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物，这种打印技术称为3D立体打印技术。3D打印从发明至今，有如下重要事件被记录下来^[3]：1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机；1993年，美国麻省理工学院获3D印刷技术专利；1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机；2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功；2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世；2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼；2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机；2011年8月，英国南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机；2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织；2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品；2013年11月，美国得克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（SolidConcepts）设计制造出3D打印金属手枪。

3D打印的原理是：首先通过计算机建模软件建立出模型，将模型沿着某一方向（如Z轴方向），根据不同的工艺要求，按一定厚度分层（切片），即将模型离散为一系列二维层面，得到一系列的二维平面信息；然后对切片后的数据信息进行处理，将这些离散的信息与3D打印机的加工参数相结合，生成3D打印机可识别的代码信息，驱动打印机有序地加工出每一层并将送些薄型层面堆叠黏合，即叠加的过程（图7-1），直至形成一个实体模型。

图7-1 3D打印的技术流程

3D打印的主要技术类型见表7-1。

表7-13 D打印的主要技术类型^[3]

（1）三维设计

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小，其生成的表面分辨率越高。

（2）切片处理

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式黏合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

（3）完成打印

传统的制造技术如注塑法可以用较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以用更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

基于工程的角度，3D打印是一种对三维模型的快速实物表达；基于制造技术的角度，3D打印是一种根据CAD数据将成型材料层层叠加制造出零件的工艺过程。(www.xing528.com)

因此，3D打印的核心技术是对3D模型的切片处理。切片过程是3D打印模型处理的核心，使用的切片算法会直接影响切片的速度和后期打印效果。切片所形成的轮廓可能出现兀余、轮廓不清、理论与实际有差距等问题，需要对切片的结果进行优化处理。当前主流的开源切片软件有Cura。Cura作为一款开源的切片软件，具有切片速度快、设置参数少、容错性好等特点，能够很好地完成切片及后处理工作。

由CAD模型到实体模型的过程可以分为离散和堆积两部分（图7-1），离散过程即对模型进行切片的处理过程；堆积的过程就是打印设备根据切片结果提供的G-code信息完成打印的物理过程。

目前主流的算法有针对STL模型进行的等层厚分层算法和适应性分层算法。等层厚分层算法实现简单，程序执行速度快，但台阶效应明显；适应性分层算法采用适应性变化层厚的方法明显减小了台阶效应，且没有大量增加加工时间，但仍然无法完全消除台阶效应^[86]。还有一大类方法是对CAD模型直接进行分层处理，直接对参数化的三维模型进行分层切片，提取并连接交线构成层片轮廓，以克服基于STL的模型分层切片方法的缺陷。主要表现形式为基于CAD软件如AutoCAD和SolidWorks进行二次开发。

（1）基于STL模型的定层厚拓扑切片算法

STL文件格式具有简单清晰、易于理解、容易生成及易于分割等特点。对STL模型的切片处理实际上是处理大量的三角形面片，即求三角形平面与切平面的交点，最简单的方法是利用三角形的拓扑信息进行直接切片。该方法分为三个阶段：

①重建拓扑信息：打开一个STL模型文件，读入该模型的三角形面片数目，然后依次捜索文件中的三角形面片，如果两个三角形面片有两个共同的顶点，那么它们就是邻接面片，将该面片插入到该三角形面片的邻接链表中，同时计算该三角形的编号并将该编号的值赋给相应的三角形面片节点，继续搜索下一个三角形面片直至全部搜索完毕。

②排除奇异点：切片时切平面有可能正好落在三角形面片的顶点上，这样的点称为“奇异点”。“奇异点”的存在会影响到后续的数据处理，所以需要排除。

③计算交点：重建三角形面片的拓扑信息后，输入切片高度Z，找到与高度Z相交的任意一个三角形，求切平面与该三角形的交线，然后根据①建立的拓扑信息邻接链表，查找该三角形的相邻三角形并求交线，直至回到最初的三角形，这样每个三角形与切平面形成的交线会连接成一条多义钱，即形成截面轮廓。重复该过程，直到所有的轮廓计算完毕。

（2）基于S化模型的适应性分层切片算法

适应性切片算法是根据STL模型的几何特征来决定切片的厚度，轮廓变化频繁的地方用小厚度，变化平缓的用大厚度^[87]。可以根据相邻两层面积的变化率来决定切片的层厚，以切片形成的层面面积变化比为主要衡量准则进行自适应分层预切片，当相邻的两层面的面积变化超过预设值时，则按一定比例减小切片厚度重新切片，直到达到最小切片厚为止。预设值可以根据单位切片厚度和打印机的精度来确定。

（3）基于CAD模型的直接分层切片算法

模型由CAD转换为STL，精度有所降低，尤其是在曲面模型中，误差尤为显著。因此，为了解决这个问题，提出了基于CAD模型的直接分层切片算法。具体来说，基于CAD的直接切片分层可以参考上述（1）和（2）中介绍的相关原理来进行处理。