3D打印切片過(guò)程與控制軟件研究

桂林電子科技大學(xué) 馮小蕓 周勝源

3D打印切片過(guò)程與控制軟件研究

桂林電子科技大學(xué) 馮小蕓 周勝源

3D打印的核心技術(shù)是對(duì)3D模型進(jìn)行切片處理，本文將以Cura軟件為例，介紹切片引擎CuraEngine的架構(gòu)，分析由Cura軟件處理STL文件的過(guò)程，分析設(shè)置Cura 打印軟件中各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)模型切片及打印控制的影響。

3D打?。籆ura軟件

3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可以粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)原理中把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。按照目前流行技術(shù)的做法，3D打印把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化成二維制造的過(guò)程是將Solidworks或CAD等其他三維設(shè)計(jì)軟件的三維模型存儲(chǔ)為STL格式，并由計(jì)算機(jī)讀取STL文件，通過(guò)文件數(shù)據(jù)，加上一定切片算法對(duì)模型進(jìn)行切片運(yùn)算，得到模型每一層的完整輪廓，再根據(jù)得到的輪廓信息，對(duì)輪廓進(jìn)行內(nèi)部填充及路徑規(guī)劃，得到打印機(jī)可以識(shí)別的如gcode字符串，通過(guò)3D打印機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行打印命令，從而實(shí)現(xiàn)3D打印。

由3D打印的打印過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，對(duì)STL文件的切片方式直接影響到打印真實(shí)物體的速度和精度，完整正確的切片輪廓和路徑規(guī)劃是后續(xù)計(jì)算的前提。針對(duì)3D打印的切片算法有很多種，各種算法都存在一定的優(yōu)勢(shì)與缺陷，目前，市面上流行的切片引擎有KISSlicer、Slic3r、Cura等等，可以適用于不用的3D打印機(jī)型及打印工藝。并且其中的Cura及其切片引擎CuraEngine軟件都是開(kāi)源的，本文將以Cura軟件為例，介紹切片引擎CuraEngine的架構(gòu)，分析由Cura軟件處理STL文件的過(guò)程，分析設(shè)置Cura 打印軟件中各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)模型切片及打印控制的影響。

1.STL文件概述

目前，能應(yīng)用于3D打印的三維模型文件格式有很多種，STL是適用最廣的一種。STL文件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易獲取，大多數(shù)的三維圖形設(shè)計(jì)軟件都可以直接將三維實(shí)物直接存儲(chǔ)成STL文件。

STL文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有兩種格式：二進(jìn)制碼與ASCII碼。這兩種方式雖然存儲(chǔ)格式不同，但存儲(chǔ)的信息都是構(gòu)成三維模型的三角形三個(gè)頂點(diǎn)與法向量，一定數(shù)量的三角形面片構(gòu)成了一個(gè)完整的STL文件，該文件則可表示三維實(shí)體。

2.Cura軟件的架構(gòu)

3D模型必須經(jīng)由兩個(gè)軟件的處理來(lái)完成打印程序：切片與傳送。切片軟件會(huì)將模型細(xì)分成可以打印的薄度，然后計(jì)算其打印路徑。3D 打印機(jī)客戶端軟件再把這系列動(dòng)作傳送到硬件，并提供控制其他功能的控制介面。

Cura是一款優(yōu)秀的上位機(jī)控制軟件，它的特點(diǎn)是切片速度快，使用方便，用戶體驗(yàn)良好。Cura是由python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，使用wxpython圖形界面框架的3D打印切片界面軟件， Cura本身不會(huì)進(jìn)行實(shí)際的切片操作，實(shí)際的切片工作由它的切片引擎CuraEngine來(lái)具體負(fù)責(zé)。用戶在Cura上對(duì)STL文件執(zhí)行的操作，會(huì)在CuraEngine中轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的指令，并把最終的執(zhí)行結(jié)果輸出成gcode字符串返回給Cura, Cura再把gcode的結(jié)果通過(guò)可視化處理成路徑展示給用戶，以便操作。

3.CuraEngine把一個(gè)模型文件轉(zhuǎn)換成為gcode的過(guò)程

從總體上來(lái)看，CuraEngine的切片過(guò)程可以分為五個(gè)步驟：讀取模型文件、分層切片、劃分打印區(qū)域、生成輪廓和填充路徑、生成gcode。

五個(gè)步驟的具體內(nèi)容如下：

3.1 讀取模型文件

大部分的三維模型軟件存儲(chǔ)文件的格式是STL格式，是在計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中，STL文件用于表示三角形網(wǎng)格的一種文件格式。在STL文件中的三角面片的信息單元 facet 是一個(gè)帶矢量方向的三角面片，STL三維模型就是由一系列這樣的三角面片構(gòu)成。CuraEngine內(nèi)部也是用三角形組合來(lái)表示模型的，不過(guò)同樣一個(gè)三角形組合，卻有無(wú)窮多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。CuraEngine切片的第一步，就是從外部讀入模型數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成以CuraEngine內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所表示的三角形組合，并對(duì)三角形進(jìn)行關(guān)聯(lián)，判斷三角形的相鄰關(guān)系，根據(jù)相鄰關(guān)系提高下一個(gè)分層步驟的處理速度。

3.2 分層切片

根據(jù)三維模型在XYZ坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)，確定模型的高度，即Z軸的數(shù)據(jù)。根據(jù)一定的高度間隔，用一個(gè)XY平面去和模型相交做切片，高度間隔即為層高，層高的數(shù)值可以在Cura用戶界面進(jìn)行設(shè)置。Z軸全部切片完成后，就可以得到模型在每一個(gè)層上的輪廓線。分層的最終目的就是把一個(gè)3D模型轉(zhuǎn)化為一系列的2D平面的疊加，后續(xù)的工作就可以直接在2D平面的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。Cura的切片算法是先按照指定的層高把三維物體切成一層層，每一層是個(gè)XY的平面，平面與三角形網(wǎng)格相交，得到線段，由線段連接成多邊形，接著用輪廓線來(lái)代表每層的數(shù)據(jù)，然后再以輪廓線為基礎(chǔ)去進(jìn)行下一步的打印機(jī)具體打印過(guò)程。先對(duì)三角形按照一定的規(guī)則進(jìn)行排序，在進(jìn)行切片梳理，可以減少運(yùn)動(dòng)量，提高切片的效率。

在Cura中，可以通過(guò)一些基本的打印設(shè)置，對(duì)分層的參數(shù)進(jìn)行一些必要的修改。

設(shè)置Cura 軟件的“基本”選項(xiàng)卡里面的參數(shù)，具體參數(shù)如圖1所示。

其中層高(Layer height)：每一層有多高，一般來(lái)說(shuō)是0.2mm，如果想得到更高的打印精度，可以相應(yīng)的設(shè)置較小的層高。但是層高設(shè)置的過(guò)?。ū热?.05mm）對(duì)于質(zhì)量沒(méi)任何幫助，而且它將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間打??；外圍層厚(Wall thickness)：最重要的參數(shù)之一，確保你打印的物體的性能好，尤其是中空的物體。外圍層厚最好設(shè)置為噴頭大小的倍數(shù)，若是大于2.0mm 沒(méi)有任何意義。有時(shí)候需要不斷的調(diào)整這個(gè)值的大小來(lái)打印更好的效果；頂端/ 低端層厚(Bottom/Top thickness)：為了一致性，一般頂端和低端會(huì)和普通層高一樣厚。

打印速度(Print Speed)：打印速度越高，送料速度越快，越容易產(chǎn)生毛刺。因此要合適設(shè)置打印速度；打印溫度(Printing Temperature)：打印時(shí)的溫度，一般如果是PLA 的耗材，設(shè)置為220℃；如果是ABS的耗材，設(shè)置為240℃；增加底座(Add raft)：如果沒(méi)有熱床，它會(huì)在物體下面打印一層，用來(lái)確保材料牢牢的在板子上面；線材直徑(Diameter)：打印所使用耗材的直徑，精確測(cè)量后填入；打包密度(Packing Density)：不同的耗材可以選用不同的打包密度。

圖1 Cura 軟件的基本設(shè)置

3.3 劃分打印區(qū)域

經(jīng)過(guò)分層后，原本的三維模型被切片成一疊二維平面圖形。接下來(lái)要做的就是對(duì)每一層圖形進(jìn)行組件劃分。劃分組件即用不同的形式標(biāo)記出外墻輪廓、內(nèi)墻、填充、上下表面、支撐等等部分。CuraEngine對(duì)不同的部件加于區(qū)分，便于Cura根據(jù)各個(gè)部件的打印精度要求不同，對(duì)不同的部件設(shè)定不同的打印參數(shù)。在Cura中，各個(gè)部件被用不同的顏色標(biāo)出，打印的順序就是每打印完一個(gè)組件，接著系統(tǒng)會(huì)挑選一個(gè)離上一個(gè)組件最近的組件作為下一個(gè)進(jìn)行打印，直至一層的組件全部打印完成。接著將Z軸上升，進(jìn)入下一層2D圖形，重復(fù)上述步驟，直至所有的圖層打印完畢。

內(nèi)外墻標(biāo)記完之后就是填充和上下表面的標(biāo)記了。在Cura的基本參數(shù)設(shè)定中，有個(gè)填充率的設(shè)定，0%填充率就是無(wú)填充，100%就是打成一個(gè)密實(shí)的平面，上下表面就是填充率為100%的填充。中間的填充率自然介于兩者之間，填充率越高則實(shí)物內(nèi)部越密實(shí)，反之則越疏松。上下表面層數(shù)的設(shè)置，它代表了模型的上下與空氣接觸的表面有幾層，它就在這里會(huì)被用到。CuraEngine會(huì)把當(dāng)前層上下n層（上下表面層數(shù)）取出來(lái)與當(dāng)前層進(jìn)行比較，凡是當(dāng)前層有而上下n層沒(méi)有的部分就會(huì)被劃歸到表皮。

在組件劃分過(guò)程中，支撐部分算法是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。Cura 會(huì)自動(dòng)計(jì)算打印模型需要支撐的地方，計(jì)算原理是根據(jù)模型表面的斜度（與豎直方向的夾角） 大于某一角度時(shí)（通常是60°，和材料有關(guān)），就需要加支撐。設(shè)置中有支撐的設(shè)置選項(xiàng)，支撐類型(SupportType)：選擇在哪些地方打印模型的支撐，可以選擇只在需要的地方打印支撐，也可以選擇在任何情況下都打印支撐。Cura界面的專家設(shè)置里面有支撐角度的設(shè)置，如果一個(gè)點(diǎn)處于模型懸空部分以下，并且懸空點(diǎn)傾斜度大于支撐角度，那這個(gè)點(diǎn)就是需要支撐的。所一個(gè)平臺(tái)上所有的需要支撐的點(diǎn)連接起來(lái)圍成的2D圖形就是支撐區(qū)域。CuraEngine所使用的支撐算法還存在一定的缺陷，在打印時(shí)模型部分與支撐部分時(shí)，二者的層厚完全相同，導(dǎo)致在剝離支撐時(shí)支撐與模型接觸緊密，剝離時(shí)不但不方便，在有需要支撐的部分會(huì)容易出現(xiàn)模型被支撐過(guò)度變形等問(wèn)題，影響打印效果。CuraEngine的支撐算法仍需要進(jìn)一步的修改與完善。

3.4 生成輪廓和填充路徑

完成組件劃分后，在組件中規(guī)劃噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑。路徑可以分為兩個(gè)大類：輪廓和填充。這一部分的功能是確定模型中，需要被填充的部分，前一步中生成的外墻和內(nèi)墻都屬于輪廓，相對(duì)于填充，輪廓的路徑較為簡(jiǎn)單。在Cura中填充的形式有兩種：條紋和網(wǎng)格。雖然網(wǎng)格的填充模式結(jié)構(gòu)更為合理，但網(wǎng)格填充會(huì)在相交處存在交點(diǎn)，交點(diǎn)處會(huì)被重復(fù)打印，填充率越高交點(diǎn)越密，對(duì)打印質(zhì)量的影響會(huì)越大。在Cura的設(shè)置中，填充模式除了可以選擇條紋和網(wǎng)格外還有一個(gè)自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，當(dāng)填充率小于20%就用條紋填充，否則使用網(wǎng)格填充。

對(duì)于填充路徑，一般情況下為直線路徑，直線路徑只需選取直線兩個(gè)頂點(diǎn)分別作為起點(diǎn)和終點(diǎn)。對(duì)于輪廓，它是一個(gè)封閉圖形，可以以任意一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)，沿任意方向走一圈再回到起點(diǎn)。各個(gè)組件的獨(dú)立路徑生成好之后，還要確定每個(gè)部件的先后順序。路徑的順序以先近后遠(yuǎn)為基本原則：每打印完一條路徑，在當(dāng)前層里剩下還沒(méi)打印的路徑中挑選一條起點(diǎn)離當(dāng)前位置最近的一條路徑，以當(dāng)前位置為起點(diǎn)，繼續(xù)打印。路徑的起點(diǎn)可以是路徑中的任意一個(gè)點(diǎn)，程序會(huì)自行判斷。

合理的打印路徑能減少打印的時(shí)間，改善打印模型的質(zhì)量。Cura作為開(kāi)源軟件，給研究者在切片打印區(qū)域路徑優(yōu)化上提供了很好的資源和平臺(tái)，切片路徑算法的優(yōu)化也是3D打印技術(shù)的核心內(nèi)容及重要的研究方向。

3.5 生成gcode代碼

生成gcode代碼，就是將規(guī)劃好的打印信息翻譯成打印機(jī)可以識(shí)別的代碼。包括打印機(jī)在打印之前的一些準(zhǔn)備工作，如對(duì)噴頭、風(fēng)扇與加熱設(shè)備等部分的控制等。從下到上逐層打印，在gcode代碼中G0指令表示空走的路徑，G1指令表示邊走邊擠絲，Cura中可以設(shè)置材料的直徑、線寬，可以算出完成路徑需要擠出多少材料，也可以設(shè)置G0和G1的打印速度。若需回抽，用G1生成一條E軸倒退的代碼。在下一條G1執(zhí)行之前，再用G1生成一條相應(yīng)的E軸前進(jìn)的代碼。所有層都打印完成后讓打印機(jī)做一些收尾工作：關(guān)閉加熱、XY歸零、電機(jī)釋放等。CuraEngine可以根據(jù)模型切片的數(shù)據(jù)、打印原材料的長(zhǎng)度，計(jì)算打印所需要的時(shí)間，并把預(yù)計(jì)打印時(shí)間，打印進(jìn)度等數(shù)據(jù)反饋給用戶，給使用者提供參考。

本文以Cura軟件為例，對(duì)3D打印切片處理部分所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了淺顯地分析，分析仍存在一定的問(wèn)題與不足，可以從以下方面進(jìn)行深入的分析：

（1）除了FDM打印機(jī)，Cura軟件可以適用于3DP、SLX系列等的不同類型的打印機(jī)，對(duì)于不同類型的打印方式，要對(duì)打印區(qū)域進(jìn)行更加細(xì)致的路徑優(yōu)化，以提高3D打印的速度和精度。

（2）CuraEngine的支撐的設(shè)置速度較快，但支撐算法較為粗糙。CuraEngine是將打印空間劃分為小的網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格記錄3D模型的三角形與直線的交點(diǎn)以及三角形的傾斜度。網(wǎng)格化之后，精度勢(shì)必會(huì)降低，通過(guò)傾斜角來(lái)判斷是否需要支撐的算法也不夠科學(xué)，會(huì)對(duì)打印實(shí)體的質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響。如何找出更科學(xué)的支撐算法，既能節(jié)省打印時(shí)間，又不浪費(fèi)材料，并且又能容易去除支撐，是非常值得研究的。