3D打印技術(shù)在礦山三維實(shí)體建模中的應(yīng)用研究

楊禮朋, 郭琪璇, 張 迪

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,鄭州 450014;2.河南地礦職業(yè)學(xué)院 鄭州 451464)

長(zhǎng)久以來,礦山進(jìn)行日常生產(chǎn)管理的主要參考依據(jù)是二維礦圖和三維可視化模型,其中應(yīng)用最多的可視化模型是通過3D建模技術(shù)將地理信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,將現(xiàn)實(shí)中的礦山做成數(shù)字化模型傳輸?shù)接?jì)算機(jī)[1-2]。但是，由于大分部礦山企業(yè)只是利用建模技術(shù)對(duì)礦區(qū)做“表面工程”的三維可視化展示瀏覽,對(duì)整個(gè)礦山的施工生產(chǎn)、規(guī)劃建設(shè)沒有太多的實(shí)際意義,使得數(shù)字化的三維模型僅僅起到觀摩作用。傳統(tǒng)的礦山物理模型由于制作工序繁瑣,成品精度低、費(fèi)用高昂,且對(duì)專業(yè)技術(shù)能力要求極高,因此,很大程度上限制了礦山物理模型的應(yīng)用和普及。3D打印技術(shù)作為一種可實(shí)現(xiàn)三維模型實(shí)體化的新型工藝,它具有模型精度高、生產(chǎn)周期短、制作成本低等優(yōu)勢(shì),完美彌補(bǔ)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(shí)、直觀、全面地反應(yīng)礦區(qū)現(xiàn)狀,而且能夠在礦山開發(fā)利用方案制定、廠區(qū)規(guī)劃建設(shè)、礦山恢復(fù)治理等方面提供真實(shí)可靠的資料信息[3-4]。目前,3D打印技術(shù)在地勘行業(yè)中的應(yīng)用也越來越多。潘宏杉，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于螢石礦礦床模型的研究[5];吳超,利用3D打印技術(shù)制作礦山的物理模型，對(duì)采礦方法做了深入研究[6];陳志勇,在智慧礦山建設(shè)中成功應(yīng)用了3D打印技術(shù)與3D建模技術(shù)[7]。這些案例的成功應(yīng)用都表明，3D打印技術(shù)作為一門新興工藝,在地勘行業(yè)中將擁有很大的發(fā)展空間。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是基于3D模型數(shù)字文件的STL格式作為接口,以3D模型數(shù)字文件為基礎(chǔ),將模型分層,再與各種可黏合的材料結(jié)合加熱,從底層到上層逐層按照計(jì)算機(jī)分層的信息,通過噴嘴裝置進(jìn)行疊加,最后形成實(shí)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(gè)平面,3D打印機(jī)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(gè)完整的主體模型[8-9]。

STL文件格式是用閉合三角形面片對(duì)3D模型表面進(jìn)行擬合,當(dāng)三角形面積越小、數(shù)量越多時(shí),其擬合精度越高、效果越好(當(dāng)然,這樣也會(huì)造成文件數(shù)據(jù)量過大、處理過程慢),這種數(shù)據(jù)格式可以對(duì)各種3D模型進(jìn)行擬合,擬合三角形稱為三角面片[10-11]。

3D打印礦山三維實(shí)體模型是一個(gè)復(fù)雜的過程,首先需要根據(jù)礦山現(xiàn)狀,用無人機(jī)獲取測(cè)區(qū)全域高程信息,然后利用地理信息數(shù)據(jù)處理軟件ArcGIS制作該礦山ASCII格式的DEM,由圖形轉(zhuǎn)換軟件AccuTrans 3D 將ASCII格式的DEM輸出為3D打印機(jī)認(rèn)可的STL標(biāo)準(zhǔn)格式文件,再對(duì)模型文件進(jìn)行分層,最后由3D打印機(jī)完成礦山實(shí)體模型的生產(chǎn)制作,詳細(xì)過程如圖1所示。

圖1 3D打印礦山流程圖

2 實(shí)驗(yàn)案例

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)選擇云南南部某處礦山,該礦山環(huán)境復(fù)雜,地勢(shì)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(jī)進(jìn)行全域航測(cè),飛行高度設(shè)置為160 m,航向重疊度80%,旁向重疊度80%,GSD設(shè)置為5 mm,在規(guī)劃好航線任務(wù)之后進(jìn)行航飛。得到該礦山的航攝影像數(shù)據(jù)和三維模型后,在距離礦山邊界100 m處設(shè)置采樣圈,按照5 m的采樣間距進(jìn)行提取高程點(diǎn)1 100多個(gè),然后將該高程數(shù)據(jù)在ArcGIS中展開,如圖2所示。

圖2 礦山高程點(diǎn)

在ArcGIS中打開“3D Analyst”模塊,在其下拉菜單中點(diǎn)擊“創(chuàng)建TIN”,然后在彈出的對(duì)話框中設(shè)置輸出、輸入路徑后,即可創(chuàng)建TIN。不同的高程值可以分段設(shè)置,并在創(chuàng)建好的TIN中以不同的顏色顯示出來,用于對(duì)高程分布進(jìn)行更直觀的觀測(cè)。在3D Analyst中點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換菜單,選擇參數(shù)因子,如“TIN轉(zhuǎn)柵格”設(shè)置輸入輸出路徑,即可完成TIN轉(zhuǎn)柵格,得到礦山的DEM。轉(zhuǎn)換結(jié)果圖3所示。

圖3 礦山數(shù)字高程模型

2.2 STL格式轉(zhuǎn)換與模型檢測(cè)

在得到ASCII格式的DEM數(shù)據(jù)后,需要將其導(dǎo)入到支持多種數(shù)據(jù)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(jìn)行互相轉(zhuǎn)換,在將ASCII格式的DEM轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)默認(rèn)的格式后,得到STL模型,如圖4所示。在將STL模型放大后會(huì)發(fā)現(xiàn),模型周邊有很多凸起變形,并且在模型的內(nèi)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(jìn)行組合構(gòu)成的3D模型。這些三角形面片是無序逼近的,它們的內(nèi)在關(guān)系也無法表示,因此想要直接從這些無序的面片中發(fā)現(xiàn)他們的邏輯錯(cuò)誤是非常困難的,所以我們需要借助軟件來進(jìn)行檢測(cè)[12-13]。本文的檢測(cè)修復(fù)軟件選擇了Magics。首先將STL格式的DEM導(dǎo)入Magics中,然后點(diǎn)擊“修復(fù)欄”下的“修復(fù)向?qū)А?可以將模型存在的問題自動(dòng)檢測(cè)出來。如圖5所示,為Magics修復(fù)前、后的界面圖。

(a)修復(fù)前

由修復(fù)前后兩幅圖的對(duì)比中可看出,在經(jīng)過軟件自動(dòng)修復(fù)之后“殼體、反向三角面片、孔洞”等錯(cuò)誤的情況得到有效的解決,對(duì)于其他沒有解決的問題就要進(jìn)行多次循環(huán)修復(fù)或者手動(dòng)修復(fù)。

我們以孔洞和法向錯(cuò)誤為例進(jìn)行對(duì)比。首先將修復(fù)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(fù)前后的不同,在修復(fù)前系統(tǒng)會(huì)將存在孔洞的三角形面片以淡青色顯示,修復(fù)后會(huì)以墨綠色顯示出來?？锥春土芽p都是因?yàn)槲刺畛錆M模型表面導(dǎo)致的,孔洞的修復(fù)方法一般是構(gòu)造三角形,依次遍歷孔洞的環(huán),每三條邊構(gòu)造一個(gè)三角形面片,然后在起始頂點(diǎn)和第三條邊的末頂點(diǎn)添加一條新邊,以此來形成一個(gè)新的三角形。而裂縫的修補(bǔ)一般是通過合并裂縫向鄰近的三角形的邊或頂點(diǎn)進(jìn)行完成縫補(bǔ)。

關(guān)于模型的修復(fù)是一個(gè)比較繁瑣和耗時(shí)的過程。對(duì)于一般的簡(jiǎn)單錯(cuò)誤,通過軟件自動(dòng)修復(fù)就可以完成修復(fù)；但是大部分的修復(fù)工作都要靠人工排查后進(jìn)行修復(fù),模型修復(fù)的好壞會(huì)直接影響到后續(xù)模型切片的工作,也會(huì)對(duì)模型的打印結(jié)果產(chǎn)生影響。

(a)孔洞修復(fù)前

3 切片分層打印

切片分層是3D打印的一個(gè)核心內(nèi)容,因?yàn)?D打印機(jī)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(gè)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(jī)上進(jìn)行層層打印。這個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的切片軟件叫Cura，Cura的切片層厚使用的是系統(tǒng)的默認(rèn)層厚1 mm。在將模型導(dǎo)入Cura后,軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出打印時(shí)間、耗材長(zhǎng)度、重量等信息。分層模式開啟后,如果有問題也能早點(diǎn)發(fā)現(xiàn),精確定位到指定層面,切片的每一層的截面信息和打印計(jì)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(shí)間等信息，以便對(duì)打印計(jì)劃進(jìn)行單獨(dú)檢查。在完成分層設(shè)置后就可以將打印信息傳輸?shù)?D打印機(jī)進(jìn)行打印。出于對(duì)打印成本的考慮,將STL模型與打印模型的比例尺設(shè)置為2.73∶1。

圖8所示是利用FDM(熔融沉積成型技術(shù))完成打印的工作圖。從成品效果可以看出，該礦區(qū)地勢(shì)復(fù)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(xì)部,使礦山地形變化的表達(dá)更加符合現(xiàn)狀,而且礦區(qū)能夠直接反映礦體、地層、構(gòu)造等地質(zhì)特征,也能在智能采礦設(shè)計(jì)、地質(zhì)環(huán)境勘查、災(zāi)害事故反演、通風(fēng)模擬、安全生產(chǎn)預(yù)警管理等領(lǐng)域形成特色專題應(yīng)用,對(duì)礦區(qū)后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃有一定的指導(dǎo)意義。

(a) 第69層截面信息

圖8 DEM打印工作圖

4 精度評(píng)定方法

此次實(shí)驗(yàn)將采用一種預(yù)估中誤差的方法來對(duì)成果模型進(jìn)行精度評(píng)估,具體方法是:在3D模型中量測(cè)特征點(diǎn)的距離,選擇多組任意兩個(gè)特征點(diǎn)。根據(jù)在3D模型中所選擇的特征點(diǎn),依次在實(shí)體模型中測(cè)量出多組同等位置間兩個(gè)特征點(diǎn)的距離,然后按照縮放比例進(jìn)行尺寸還原,將還原后兩個(gè)特征點(diǎn)的尺寸與3D模型同等位置兩個(gè)特征點(diǎn)尺寸進(jìn)行對(duì)比,然后得出一個(gè)差值。以此類推得到若干組差值,最后按照中誤差的計(jì)算公式得出一個(gè)預(yù)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(diǎn)距離,圖9(b)是按照?qǐng)D9(a)中所選取的特征點(diǎn)在實(shí)體模型上進(jìn)行相同特征點(diǎn)測(cè)量。

在經(jīng)過多次量測(cè)之后得到如表1數(shù)據(jù)。表中l(wèi)1(mm)表示3D模型特征點(diǎn)間距,l2(mm)表示實(shí)體模型特征點(diǎn)間距,Ed表示中誤差。

圖9 選取部分特征點(diǎn)示意圖

表1 特征點(diǎn)間距表

編號(hào)11121314151617181920l1/mm66.8187.7267.2134.3129.8286.972.198.8102.7148.3l2/mm2468.597.54947.510526.536.537.554.5

表1中數(shù)據(jù)是經(jīng)過多次量測(cè)得到,在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將實(shí)體模型特征點(diǎn)間距經(jīng)過還原后與3D模型中特征點(diǎn)間距進(jìn)行比較得出差值,然后按照如下中誤差公式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

由以上數(shù)據(jù)計(jì)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(jié)論

隨著地礦產(chǎn)業(yè)三維模型業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng),用戶對(duì)礦山三維模型的實(shí)用性、真實(shí)性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)可視化的地理信息三維模型,是用計(jì)算機(jī)制作而成的虛擬三維立體來表達(dá)客觀實(shí)體形態(tài)[14-15]。這種表達(dá)方式不夠真實(shí)直觀,而且非專業(yè)人士也不能熟練對(duì)三維模型進(jìn)行操作瀏覽和編輯,存在一定的局限性。3D打印技術(shù)能夠在很大程度上簡(jiǎn)化模型實(shí)體化的生產(chǎn)流程,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礦山的精確復(fù)制,打破了虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的壁壘,實(shí)現(xiàn)了礦山物理模型生產(chǎn)自動(dòng)化,降低物理仿真模型制作成本,使用戶能夠客觀真實(shí)地了解礦區(qū)情況,做好礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)的整體規(guī)劃管理工作。此次將礦山三維可視化數(shù)據(jù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合,在證明3D打印技術(shù)可行性的同時(shí),也進(jìn)一步強(qiáng)化了3D打印技術(shù)在礦山三維實(shí)體建模中的推廣應(yīng)用,制作出了真實(shí)、個(gè)性、直觀的礦山實(shí)體模型。