增材制造的工艺过程前处理——切片

1．基于STL格式文件的切片

虽然目前有多种格式文件能够充当CAD与3D打印系统之间的接口界面，但STL格式文件由于其简单性和CAD建模方法无关性而成为3D打印领域事实上的标准，得到绝大多数3D打印和CAD厂商的支持，基于STL格式文件的切片技术成为3D打印所需的切片数据的主要来源。

基于STL格式文件的切片是指将工件的STL格式的3D模型转化为一系列2D截面图形，并根据这些图形生成3D打印机的控制指令。3D打印机上一般都配备了切片软件，切片处理的实质是将几何模型用轮廓线表达，这些轮廓线代表模型在切片层上的边界，它由一系列以Z轴正方向为法方向的平面与STL格式模型经相交计算所得的交点连接而成。根据这些轮廓线可以确定3D打印成形的路径，并生成3D打印机的控制指令，即生成G代码和M代码。切片的厚度称为分层厚度，通常取为恒定值，这种切片方式称为等厚度切片。分层厚度越小，成形工件的精度和表面精度越好，单成形时间越长。分层厚度的范围为0.015~0.6 mm，通常为0.1mm左右。

STL格式文件切片算法主要可以分为两种类型：基于模型拓扑信息的切片算法和基于模型层间连续性的快速分层算法。在基于模型拓扑信息的切片算法中，首先重构模型的拓扑信息，是STL模型中的各个三角形面片在逻辑上连接起来，然后通过依次追踪与给定切平面相交的相邻三角形面片的方法来快速获得切片轮廓，它的优点是一旦建立好了拓扑模型，切任意高度的切片时间都不会改变，速度很快，可以达到实时切片。在基于模型层间连续性的快速分层算法中，首先建立STL模型的分层面新相交三角形面片表，提取模型的活性拓扑结构，再利用相邻层之间的连续性，用增量式求解分层轮廓线的方式代替层间独立的求解方式来连续获得各层的切片轮廓，其原理类似于计算机图形学中经典的活性边表轮廓填充算法，效率较高。这种方法的优点是占用的内存量与STL模型面片总数的多少基本无关，有利于处理大量的STL文件，但算法中切片层厚是预先设置好的，只能进行离线切片，无法完成对任意层高的实时切片处理，因而应用领域受到限制。

好的切片软件是3D打印的核心，现在的切片软件也非常多，目前使用比较guangfan且操作便捷的切片软件有Cura、XBuilder、Simplify3d、Slic3r等。切片软件的好坏，会直接影响到打印物品的质量。下面介绍两种主流的切片软件：

 (1) Cura

Cura是由开源桌面3D打印机Ultimaker领导开发，以"高度整合性"以及"容易使用"为目标而设计的。Cura软件包含了suoyou3D打印需要的功能，有模型切片以及打印机控制两大部分。其主要特点就一个字：快，它是目前suoyou3D打印模型软件切片zui快的上位机软件，而且软件的操作界面简单明了，每个参数都提供了详尽的提示，非常容易上手。

 (2) Simplify3d

Simplify3D是一款付费3D打印软件。其功能非常强大，可自由添加支撑，支持双色打印和多模型打印，预览打印过程，切片速度极快，附带多种填充图案，参数设置详细，几乎支持市面上suoyou3D打印机。Simplifyzui有特色的功能是多模型打印，它能在同一个打印床上同时打印多个模型，且每个模型都有一套独立的打印参数，此功能对双色打印和提高打印效率非常有帮助。

 2.直接切片

直接从CAD三维模型上得到切片二维数据，由于不经过曲面的三角化过程，一般认为它可减少X—Y平面误差。上有不少学者开发出了直接切片（Direct Slicing）技术，例如，在UG的实体造型内核Parasolid（B-rep表示的实体建模器）上进行了直接切片研究，并将切片描述数据转化成CLI、HPGL和SLC文件；在CSG（constructive solid geometry）上进行了直接切片研究，可以提供准确的激光扫描路径；在I-DEAS造型软件基础上得到以NURBS曲线（non-uniform rational B-spline）表示的直接切片轮廓。德国一个软件公司推出的CENIT软件能直接在CATIA软件环境下对三维模型切片，得到线段、弧与曲线综合表示的轮廓，并对曲线序列排序，将其转换成正确的切片格式。

直接切片技术的应用具有一定的局限性，这主要是由于在CAD系统和3D打印系统之间缺乏一种被guangfan接受的截面二维数据的信息接口方式造成的。如果一种3D打印系统需要通过直接切片技术接受suoyou种类的CAD模型数据，它必须为每一种CAD系统的造型方法和数据表示方式都互不相同，开发过程将十分复杂。目前，多数支持直接切片引擎都是在特定的CAD平台上二次开发而来的，对3D打印系统而言，支持直接切片必须购买相应的CAD系统，这将大幅度提高系统成本。因此，直接切片技术一般只为满足某些特定需求使用。