3D打印中STL模型常見的錯(cuò)誤及修復(fù)方法

李倩兮

摘要：3D打印技術(shù)是信息技術(shù)與機(jī)械工程、材料科學(xué)相結(jié)合的一項(xiàng)熱門新技術(shù)，已輻射滲透到當(dāng)今的各個(gè)領(lǐng)域。在 3D 打印技術(shù)的整個(gè)過程里面，建模起著主導(dǎo)作用，可以繪制3D 圖形的軟件有很多，關(guān)鍵要看是否能輸出或者轉(zhuǎn)換成STL 格式的文件。本文主要介紹STL文件的幾種常見錯(cuò)誤和修復(fù)方法。

關(guān)鍵詞：3D打?。?建模； STL文件；修復(fù)

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(shí)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(shí)體可能存在一些缺陷，這會(huì)影響后續(xù)的三角化過程，生成不正確的STL文件。而對(duì)于正確的CAD實(shí)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(jìn)行進(jìn)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(duì)STL文件進(jìn)行缺陷的檢測(cè)和修復(fù)。

一、轉(zhuǎn)換成STL模型后常見的錯(cuò)誤類型

在CAD模型轉(zhuǎn)換成STL模型的過程中可能會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)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(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，深究其原因并針對(duì)性的修復(fù)。

1。逆向法向量。也就是三角形面片三條邊的轉(zhuǎn)向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，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(shí)，三角形面片的頂點(diǎn)記錄順序錯(cuò)誤。

2?？锥??？锥词荢TL文件中最常見的錯(cuò)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(jìn)行三角化處理時(shí)，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(dǎo)致孔洞錯(cuò)誤。

3。裂縫。裂縫主要是在轉(zhuǎn)換中數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或取舍的誤差而導(dǎo)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(diǎn)的數(shù)值是以浮點(diǎn)數(shù)表示的。由于軟件的轉(zhuǎn)換精度太低，三角化算法中需要四舍五入對(duì)頂點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整而產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致頂點(diǎn)的漂移。

5。多邊共線。3個(gè)以上的邊共線，并且每一條邊只有一個(gè)鄰接三角形。這是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，是由于不合理的三角化算法造成的。

二、STL模型常見錯(cuò)誤的修復(fù)方法

1.錯(cuò)誤檢查方法

要修復(fù)STL文件，首先要檢查出STL文件的錯(cuò)誤，確定錯(cuò)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(yīng)三角形之間的關(guān)系，所以必須在這群無序的三角形面片中建立其鄰接關(guān)系，即拓?fù)湫畔?，拓?fù)潢P(guān)系不僅可以用于檢測(cè)修復(fù)錯(cuò)誤，也可用于后續(xù)的處理。拓?fù)湫畔⒌慕⑹菫榱藵M足三個(gè)條件：對(duì)任意一個(gè)三角形面片，都可以查找到其相鄰的三角形面片；對(duì)任意一條邊，都可以找出包含它的相鄰三角形面片；對(duì)任意一個(gè)頂點(diǎn)，都可以找出所有共用這個(gè)頂點(diǎn)的三角形面片。

根據(jù)建立的拓?fù)潢P(guān)系，即可對(duì)STL文件中的錯(cuò)誤進(jìn)行檢查，首先可以檢查出逆向法向量的錯(cuò)誤。而孔洞、裂縫、不共頂點(diǎn)的錯(cuò)誤都是由于出錯(cuò)位置上的邊被一個(gè)三角形面片引用。因此以邊的檢查作為模型錯(cuò)誤檢查的基礎(chǔ)，正確的邊是應(yīng)當(dāng)滿足條件：該邊有且僅有兩個(gè)相鄰面片，并且在這兩個(gè)面片中該邊所對(duì)應(yīng)的方向相反。該邊有且僅有兩個(gè)相鄰面片，并且在這兩個(gè)面片中該邊所對(duì)應(yīng)的方向相反。檢查逆向法向量錯(cuò)誤的方法：根據(jù)三角形面片的三個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算出法向量N，，將結(jié)果與文件中的法向量N對(duì)比，若N與N，，的夾角大于90。，則記錄為錯(cuò)誤。檢查錯(cuò)誤邊的方法：依次取出模型的每一條邊，獲得這兩個(gè)頂點(diǎn)各自的鄰接的集合，找到這兩個(gè)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(gè)面片中的順序相同；如果該邊為錯(cuò)誤邊，則其所有的相鄰三角形面片錯(cuò)誤，同時(shí)，該邊的兩個(gè)頂點(diǎn)也錯(cuò)誤。

2。錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的修復(fù)步驟

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

其二，合并頂點(diǎn)。一是要遍歷所有連通錯(cuò)誤區(qū)域，在每一個(gè)連通錯(cuò)誤區(qū)域遍歷所有錯(cuò)誤頂點(diǎn)；二是計(jì)算該頂點(diǎn)到其它頂點(diǎn)的距離，若該距離小于應(yīng)合并頂點(diǎn)的距離，加入臨時(shí)頂點(diǎn)鏈表；三是合并臨時(shí)頂點(diǎn)鏈表中不屬于同一條邊的頂點(diǎn)；四是合并頂點(diǎn)的相鄰關(guān)系；五是重復(fù)步驟一到四，直至遍歷結(jié)束。

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

其四，修復(fù)裂縫。修復(fù)裂縫可以通過合并頂點(diǎn)和修復(fù)孔洞的結(jié)合來完成。

最后，修復(fù)其他錯(cuò)誤。以上步驟只能修復(fù)STL文件常見的錯(cuò)誤，對(duì)于其他未知和不易識(shí)別的錯(cuò)誤，可以借助工具或手動(dòng)添加的方法來修復(fù)。

3.修復(fù)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(fù)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(zhǎng)）、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(duì)3D模型進(jìn)行Move（平移）、Rotate（旋轉(zhuǎn)）、Scale（縮放）、Analyze（分析）、Heal（修復(fù)）、Measuring（測(cè)量）等操作。若在模型的右下角出現(xiàn)“！”圖標(biāo)，則表示模型出錯(cuò)。

通過“分析”工具可以檢查模型中的錯(cuò)誤。首先確認(rèn)具體的錯(cuò)誤情況，被標(biāo)志成紅色的區(qū)域是該軟件認(rèn)為這里是法線指向錯(cuò)誤，這會(huì)讓3D打印機(jī)無法識(shí)別是模型內(nèi)部還是外部。點(diǎn)擊“修復(fù)”（紅十字）按鈕，可以看到當(dāng)前模型的錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)信息，一般正確的可直接用于切片的STL模型應(yīng)滿足：零孔洞、零邊緣邊、零無效方向，如果是簡(jiǎn)單模型，殼的數(shù)目一般為l。對(duì)于錯(cuò)誤較多的模型可以采用“Automaticrepair（自動(dòng)修復(fù)）”的功能，修復(fù)之后會(huì)顯示修復(fù)后的統(tǒng)計(jì)信息。

小結(jié)：本文從錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的檢查方法、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的修復(fù)步驟及修復(fù)工具等三方面對(duì)模型缺陷進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。以期能較高效率的查找和修復(fù)STL文件的缺陷，提高3D打印過程中模型的成型質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]、鄭少京，呂志強(qiáng).主導(dǎo) 3D 打印技術(shù)的關(guān)鍵 -3D 建模[J].科技教育，2015（07）