Formate de schimb de date în fabricaţia aditivă: STL vs. AMF

În fabricaţia aditivă (FA), transferal datelor modelului virtual al piesei/ansamblului de fabricat către software-ul maşinii se face printr-un format de schimb de date denumit STL (acronim pentru Standard Tesselation Language, Standard Triangulation Language sau, după alte surse, Stereolithography). Acest format a fost dezvoltat în 1987 de Albert Consulting Group pentru firma 3D Systems şi este, de facto, standardul de transfer de date către software-ul de planificare a proceselor de FA. Astfel, obiectul în format STL este importat în software-ul maşinii de FA, orientat în spaţiul de lucru şi secţionat. Pe baza datelor secţiunilor obţinute se generează traiectoriile pentru capul de imprimare, raza laser, capul de extrudare etc., în funcţie de tipul procesului de FA utilizat pentru construirea obiectului.

Transferul de date la FA

Formatul STL constă dintr-o listă neordonată de faţete triunghiulare (B-rep triunghiulară), fără nicio altă informaţie topologică, decât aceea referitoare la orientarea fiecărei faţete. Sunt cunoscute două tipuri de reprezentări: reprezentările ASCII şi reprezentările binare (Binary).

Ambele descriu coordonatele a trei puncte care formează un triunghi în spaţiu şi normala asociată acestora, determinată după regula mâinii drepte. Formatul binar generează un fişier de mărime mai mică (conform Fadel&Kirschman, 1996, 1/4-1/6 din mărimea fişierului ASCII), dar formatul ASCII poate fi mai uşor de citit şi verificat vizual.

ASCII:

<STL file>::=<facet 1><facet 2>...<facet n>

<facet>::=<normal><vetex 1><vertex 2>  <vertex 3>

<normal>::=<lx><ly><lz>

<vertex>::=<x><y><z>

Binar:

<BINARY STL file format>::=<STL file entity name><fact number N><facet info>

<STL file entity name>::<80 bytes entity name, spaces are used to fill the blank>

<facet number N>::<4 bytes long integer>

<facet info>::<facet normal><facet vertices><2 bytes space><facet normal><facet vertices><2 bytes spaces>...

<facet normal>::=<lx,lz,ly, float, 12 bytes>

<facet vertex coordinates>::=<x1, y1, z1 ,x2, y2, z2, x3, y3, z3, float, 36 bytes>

Având în vedere acest mod de reprezentare, aproxima­rea suprafeţelor curbe prin triunghiuri are implicaţii negative asupra calităţii obiectului fabricat, fiind definit un parametru (chord height), care exprimă distanţa dintre suprafeţele modelului 3D CAD şi cele ale modelului teselat (suprafaţă generată prin utilizarea de module de suprafaţă elementare de tip triunghi plan). Astfel, cu cât numărul de triun­ghiuri este mai mare, cu atât modelul fizic ce va fi fabricat se apropie mai mult de cel proiectat, cu dezavantajul creării unui fişier STL de dimensiuni uneori foarte, foarte mari.

Prin urmare, este necesară stabilirea unui compromis, printre altele, în funcţie de geometria piesei de fabricat, între calitatea aproximării şi mărimea fişierului rezultat. (Nu trebuie omis şi faptul că orientarea faţă de direcţia de construire are, de asemenea, implicaţii asupra calităţii suprafeţelor şi a preciziei dimensionale şi de formă a obiectului.)

Figura 1. Extras dintr-un fișier STL ASCII pentru o piesă de tip cub cu latura  de 50 mm

Actualmente, orice modeler 3D CAD poate exporta date în format STL, oferindu-se posibilitatea de a controla valoarea toleranţei de conversie a modelului virtual în model STL. Ca exemplu, în software-ul CATIA V5 acest lucru se poate face prin modificarea valorii parametrului denumit 3D Accuracy(Tools→Options→General→Display→Performance→3D Accuracy).Tabelul 1 arată dependenţa dintre numărul de triunghiuri şi mărimea fişierului STL pentru un obiect extrem de simplu, o sferă cu rază de 50mm.

Tabel 1

 Avantaje şi dezavantaje ale formatului STL

Sintetizând, avantajele formatului STL sunt următoarele:

• Permite o conversie uşoară, formatul STL conţinând doar o listă de triunghiuri plane, foarte simplu de codat, citit şi verificat;
• Este independent de sistemul CAD utilizat la obţinerea modelului virtual al obiectului;
• Admite o varietate mare a datelor de intrare, reprezentările tridimensionale putând fi convertite în reprezentări B-rep triunghiulare;
• Oferă algoritmi simpli de secţionare, datorită modului de reprezentare printr-o reţea de triunghiuri, operaţiile executate asupra modelului fiind simple şi precise;
• Oferă posibilitatea împărţirii modelului, utilă atunci când spaţiul de lucru al maşinii de FA nu este suficient de mare, obiectul fiind împărţit în mai multe părţi construite individual şi asamblate la final.

Figura 2. Vizualizarea în software-ul Netfabb a unei sfere modelată în CATIA V5

Punctele slabe ale formatului STL se referă la următoarele:

• Suprafeţele curbe se  aproximează prin faţete triunghiulare, cu implicaţii negative asupra calităţii suprafeţelor;
• Mărimea fişierului STL este mare şi foarte mare, din cauza redundanţei formatului;
• Apar erori geometrice de tipul: goluri (triunghiuri lipsă), triunghiuri care se intersectează, triunghiuri duplicate, normale inconsistente sau faţete degenerate;
• Nu permite includerea de metadate sau a altor cerinţe referitoare la textură, micro­structură sau materiale multiple (informaţii necesare având în vedere noile evoluţii ale anumitor procedee FA).

 
Îmbunătăţiri, progrese şi tendinţe ale software-ului pentru FA

Corectarea (repararea) fişierelor STL devine necesară din motivele menţionate mai sus, în acest scop utilizându-se
software-uri specifice, gratuite sau nu, cum ar fi Netfabb (www.netfabb.com), MeshLab (meshlab.sourceforge.net), 3Deefab (www.3deefab.com), Magics (software.materialise.com/magics) etc.

Aşadar, pentru a fi siguri că modelul tridimensional este corect şi că poate fi secţionat, trebuie verificată validitatea tuturor triunghiurilor acestuia, astfel încât să se asigure faptul că sunt îndeplinite anumite condiţii: fiecare triunghi are câte o muchie comună cu triunghiurile adiacente şi triunghiurile se intersectează doar în vârfurile comune, se respectă regula lui Euler pentru solide, triunghiurile nu au normalele orientate incorect etc. De-a lungul timpului au fost propuse mai multe soluţii/algoritmi de corectare a fişierelor STL, putând fi menţionate, în acest sens, cele publicate de: Makela&Dolenc, 1993; Li ş.a., 2002; Jamshidi, ş.a., 2005; Chao, ş.a. 2011.

Dezavantajele STL au făcut ca, aproape imediat după apariţia sa, specialiştii în domeniu să-şi dorească un alt format, dar timp de peste 25 de ani nu s-a reuşit înlocuirea acestuia. Alte formate propuse nu s-au bucurat de succes: SLI (3D Systems Layer Interface Format), CLI (Common Layer Interface), SLC (3D Systems Layer Contour). Dar, după cum aminteam în articolul trecut, standardizarea recentă în domeniul FA a vizat şi schimbul de date CAD-maşină de FA, în acest scop fiind dezvoltat formatul standard AMF (Additive Manufacturing File).

FIGURA 2 Aproximarea suprafețelor curbe în formatul AMF (Lipson, 2009)

Formatul AMF (cunoscut poate unora sub denumirea mai veche de STL 2.0, Hiller&Lipson - 2009) este bazat pe XML, fiind uşor de comprimat, citit şi scris. El este, de asemenea, compatibil cu STL.

Formatul AMF este astfel conceput încât să elimine inconvenientele STL, conţinând secţiuni care permit definirea de materiale multiple (tag-ul <palette>), culori (tag-ul <color>), texturi (tag-ul <texture>) sau metadate (elementul <metadata>). De asemenea, calitatea reprezentării suprafeţelor este îmbunătăţită deoarece, pentru a elimina dezavantajul STL legat de aproximarea suprafeţelor curbe, formatul permite adăugarea de vectori normali/tangenţi în anumite vârfuri, obţinându-se, astfel triunghiuri curbe. Tag-ul <constellation> permite admi­nistrarea obiectelor identice aranjate în pachete-constelaţii, a componentelor multiple sau a elementelor geometrice interne care se repetă, răspunzând, astfel, necesităţilor curente ale industriei FA.

Ca informaţie geometrică, un fişier AMF conţine vârfuri şi volume. Astfel, se definesc, mai întâi, toate vârfurile (o singură dată în comparaţie cu formatul STL, unde apar redundanţe în acest sens) şi se ordonează, iar apoi, pentru fiecare volum sunt definite triunghiuri, fiecare ca un set de câte trei vârfuri.

Figura 3.Extras din fişierul în format AMF al unei sfere de rază 50mm

În figura 3 este prezentat un extras din fişierul în format AMF al sferei de rază 50mm. Dimensiunea acestuia este de 4,77Mb (şi poate fi comprimat) comparativ cu 6,55Mb pentru STL.

FIGURA 4.Captură de ecran al editorului AMF

Celor interesaţi să genereze şi să utilizeze fişiere în acest format, până când va fi disponibilă opţiunea „Save As… AMF” în toate software-urile 3D CAD (în acest sens amintim iniţiativa SolidWorks de a introduce exportul în format AMF în noua versiune 2014), le recomand: http://amf.wikispaces.com/Amf+Editor (figura 4).

Având în vedere toate avantajele menţionate anterior şi lansat fiind încă din 2011, se ridică întrebarea firească de ce AMF nu a fost adoptat de producătorii de maşini de FA sau de către producătorii de sisteme CAD. Din păcate, nu am un răspuns la această întrebare, dar este evident că nici producătorii de CAD şi nici cei din domeniul FA nu au făcut, încă, primul pas…

Bibliografie:

1. Fadel, G.M., Kirschman, C. (1996), Accuracy issues in CAD to RP translations, Rapid Prototyping Journal, Vol. 2 Iss: 2, pp.4 - 17

2. Mäkelä, I., Dolenc, A. (1993), Some Efficient Procedures for Correcting Triangulated Models, Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, p.126-134

3. Jamshidi, P., Haddad, M., Mansour, S. (2005), A new database approach to improve STL files correction algorithms, 18th International Conference on Production Research

4. Li, J.-F., Zhong, Y.-X., Li, D.-S.: Research on errors identifying and repairing of STL file, Machinery Design & Manufacture (2), 40–42 (2002)

5. Chao, H., Li, Y., Ying-ying Z., Research on Repair Algorithms for Hole and Cracks Errors of STL Models, Computing and Intelligent Systems Communications in Computer and Information Science Volume 234, 2011, pp 42-47

Diana Popescu este dr.ing. Universitatea Politehnica din Bucureşti, Facultatea IMST, Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie