STL: универсальный формат для 3D-печати — что это такое?

Современные технологии 3D-печати играют важную роль в самых разных отраслях — от прототипирования и промышленного производства до образования и медицины. Одним из ключевых элементов этого процесса является формат STL, который стал стандартом де-факто для передачи сведений о 3D-моделях между дизайнерскими программами и устройствами для печати. В статье подробно рассмотрим, что такое STL, как он работает, его преимущества и ограничения.

Что такое STL файл?

Это файловый формат, который создан специально для описания геометрии 3D-объектов. Его разработали в 1987 году для первых 3D-принтеров компании 3D Systems.

STL файл используется для того, чтобы передать информацию о трехмерных моделях от программ для проектирования к устройствам для 3D-печати. В основе структуре лежит представление поверхности объекта в виде множества треугольников (фасетов).

Каждая фигура описывается координатами трех вершин и нормалью — вектором, который указывает направление наружу. Этот формат не включает сведений о текстурах, материалах или цвете, что делает его универсальным для задач на 3Д-печать. STL может быть сохранен в текстовом или бинарном формате. Двоичные файлы более компактны, а текстовые — легче читаемы человеком. Благодаря простоте структуры, он стал стандартом де-факто для подготовки 3D-моделей к печати.

Как создать и оптимизировать файл STL?

Все начинается с 3D-моделирования в специализированных программах, таких как Blender, Fusion 360, SolidWorks, Tinkercad или SketchUp. Эти инструменты позволяют разработать модель с учетом требований. 3D формат STL считается наиболее популярным, так как он поддерживается практически всеми современными программами. Процесс подготовки можно разделить на несколько этапов.

Фото в тексте: Freepik

Создается 3D-модель. На этом этапе важно разработать объект, который будет пригоден для печати.

Нужно сделать экспорт в формат «STL». Большинство программ для 3D-моделирования поддерживают только структуру STL.

Оптимизировать файл. После того, как создали документ важно его оптимизировать для печати на 3Д-принтере. STL предлагает несколько способов, чтобы это сделать:

• Для крупных моделей с высокой детализацией сетка может содержать миллионы фасетов. Это увеличивает размер файла и нагрузку на слайсер. Инструменты вроде Meshmixer или Netfabb позволяют сократить число треугольников и сохранить основную форму.
• Проверяйте модель на наличие дублирующихся граней, перевернутых нормалей или отверстий. Программы, такие как Netfabb, предлагают автоматическое исправление недочетов.
• Используйте встроенные функции исследования модели в программах слайсинга, чтобы убедиться, что элемент корректно интерпретируется и готов к печати.
• Перед тем как отправить, загрузите STL файл в слайсер, например, Cura или PrusaSlicer, и проверьте, как он будет обработан. Обратите внимание на толщину стенок, возможные мосты или нависающие элементы, которые могут потребовать поддержки.

Если оптимизировать STL, то это поможет избежать проблем на этапе печати, уменьшит размер файла и ускорит обработку, гарантирует высокое качество конечного объекта.

Как файл STL хранит информацию о фасетах?

Документ представляет трехмерный объект в виде множества фасетов, которые соединяются и формируют замкнутую поверхность. Каждый треугольник описывает небольшую часть поверхности модели. Комплекс таких треугольников создает «тесселяцию» — сетку, которая приближает форму объекта. Именно через нее принтер получает сведения о геометрии для того, чтобы построить физический объект.

Nike представила первые кроссовки, напечатанные на 3D-принтере

10 вдохновляющих бизнес-идей для 3D-печати в 2024 году

Каждый треугольник содержит:

• Координаты трех вершин. Каждая вершина описывается точными параметрами X, Y и Z, что определяет ее расположение в трехмерном пространстве.
• Нормаль поверхности. Это вектор, перпендикулярный плоскости треугольника, который указывает направление наружу относительно объекта. Нормаль помогает слайсерам понять, какая сторона поверхности считается внешней.

Например, в текстовом формате описание фасета выглядит так:

facet normal 0.0 0.0 1.0   outer loop   vertex 0.0 0.0 0.0   vertex 1.0 0.0 0.0   vertex 0.0 1.0 0.0   endloop   endfacet 

3D-модели в формате STL могут быть представлены в 2 видах:

1. Текстовый (ASCII). В этом формате информация о треугольниках записана в буквенном виде. Такой файл легко читается человеком, но занимает больше места, что может быть невыгодно при сложных моделях.
2. Бинарный. Эта структура более компактная, поскольку координаты и нормали записываются в двоичном коде. Он занимает меньше места и быстрее обрабатывается слайсерами, что делает его предпочтительным для работы с большими моделями.

Фасеты используются в STL файле потому, что это самая простая и универсальная фигура для того, чтобы описать сложные поверхности. Любую кривую или сложную геометрию можно приблизить, если разделить ее на множество треугольников. Чем больше фасетов, тем точнее форма модели, но при этом возрастает размер файла.

Фигуры должны образовывать замкнутую поверхность, без пробелов и перекрытий. Если сетка неполная, слайсер может не распознать модель или создать ошибки при генерации слоев. Проверка замкнутости — ключевой этап подготовки модели к печати.

Ограничения формата STL

Фото в тексте: Freepik

Файл хранит только информацию о геометрии объекта. В нем отсутствуют такие характеристики, как цвет, текстуры или сведения о материале. Это делает формат универсальным, но не подходящим для задач, где требуется передать дополнительные свойства модели.

STL-документ хранит информацию о фасадах и предлагает точное представление 3D-объекта для его последующей обработки и печати. Простота структуры делает эту структуру удобной и широко используемой в задачах 3D-печати.

Специальные правила для формата STL

Параметр широко используется для подготовки 3D-моделей к печати, но для успешной работы с ним потребуется соблюдать определенные правила:

1. Макет должен быть водонепроницаемым. Важнейшее правило для STL заключается в том, что поверхность модели должна быть полностью замкнутой. Это означает, что у объекта не должно быть дыр или разрывов в сетке. В противном случае слайсер не сможет корректно определить, где находятся внутренние и внешние стороны элемента. Если макет не замкнут, могут возникнуть проблемы при печати, например, неверно построятся слои или будут пропуски материала.
2. Правильное направление нормалей. Каждый треугольник в файле имеет нормаль — вектор, который указывает, какая сторона фасета считается внешней. Все отрезки должны быть направлены наружу от объекта. Если нормали указаны неверно (например, направлены внутрь), слайсер может интерпретировать поверхность как внутреннюю, что приведет к ошибкам при печати. Программы для 3D-моделирования обычно имеют инструменты для того, чтобы проверять и исправлять векторы. Например, в Blender или Meshmixer можно автоматически направить все нормали в одну сторону.
3. Отсутствуют самопересечения. Сетка модели не должна содержать пересекающихся граней. Самопересечения — это области, где грани соприкасаются друг с другом, что нарушает целостность элемента. Это особенно важно для сложных объектов, где большое количество деталей может привести к подобным ошибкам.
4. Избегать дублирования граней. Некоторые программы при экспорте в STL могут создавать копии треугольников. Это увеличивает размер файла и может вызвать проблемы при слайсинге. Перед печатью рекомендуется проверить модель на наличие лишних элементов и удалить их.
5. Правильный масштаб и единицы измерения. STL-файл не содержит таких сведений, поэтому важно убедиться, что когда будете экспортировать что-то из программы для моделирования, то используете правильный масштаб. Например, если макет проектировалась в миллиметрах, экспортируйте его в тех же единицах. Ошибки в размере могут привести к тому, что объект окажется слишком большим или маленьким для принтера.
6. Толщина стенок и минимальные размеры деталей. Документ должен учитывать технические ограничения 3D-принтера. Толщина стенок должна быть достаточной для печати, а мелкие элементы — не менее минимального размера, который может воспроизвести устройство. Слишком тонкие элементы могут не напечататься, а слишком маленькие детали могут слиться.
7. Оптимизировать количество треугольников. Формат STL описывает поверхность модели с помощью треугольников. Чем больше фасетов, тем точнее будет макет, но при этом увеличится размер файла и нагрузка на слайсер. Если улучшить сетку, то это позволит уменьшить количество треугольников без потери качества, что ускорит обработку и снизит вероятность ошибок.
8. Проверять модель перед экспортом. Перед созданием STL файла рекомендуется проверить макет на наличие ошибок. Для этого можно использовать встроенные инструменты в программах для 3D-моделирования или сторонние сервисы, такие как Netfabb или Microsoft 3D Builder. Эти средства автоматически устраняют пробелы, пересечения и другие проблемы в геометрии.
9. Подготовьте макет под конкретное устройство. Разные 3D-принтеры имеют свои особенности и ограничения. При работе с FDM-принтерами стоит уделить внимание толщине стенок и ориентации модели, чтобы уменьшить количество поддержек.

Формат печати STL остается ключевым стандартом благодаря своей простоте и универсальности. Если соблюдать эти правила, то это гарантирует, что модель будет правильно интерпретирована слайсером и успешно напечатана.

Фото в тексте: Freepik

Это особенно важно при работе со сложными объектами, где ошибки могут привести к потере времени, материала и качества печати.

Можно ли печатать каждый файл STL 3D?

Несмотря на универсальность формата, не каждый документ подходит для 3D-печати. Вот основные проблемы, с которыми могут столкнуться пользователи:

1. Плохая геометрия. Пробелы, пересечения или неправильные нормали могут сделать STL для печати непригодным .
2. Слишком высокая детализация. Модели с избыточным количеством треугольников могут замедлить процесс слайсинга и даже вызвать сбои.
3. Некорректный масштаб. Если единицы измерения указаны неверно, макет может оказаться слишком большим или слишком маленькой.

Используйте инструменты, чтобы проверять и исправлять STL-файлы, это поможет решить большинство проблем.

Проблемы с точностью и экспортом файлов

Точность документа зависит от настроек при экспорте. Слишком низкая детализация приводит к появлению угловатых граней, тогда как слишком высокая детализация увеличивает размер файла и замедляет процесс обработки.

Хотите построить бизнес на 3D-печати? Вот что нужно знать

Мифы о производственной 3D-печати: дорого, ненадёжно, медленно

Рекомендации по настройке точности:

• Укажите минимальное значение допустимого отклонения (tolerance).
• Используйте режимы оптимизации сетки, чтобы сократить количество фасетов без потери качества.

Некоторые программы могут экспортировать модели с ошибками, например, с перевернутыми нормалями или нарушениями целостности. Для сложных макетов важно учитывать настройки и параметры принтера, чтобы обеспечить печать чистоты STL и избежать дефектов. Поэтому важно проверять исходники перед печатью.

Итог

STL — универсальный формат, который сделал 3D-печать доступной для пользователей по всему миру. Его простота и поддержка большинством программ гарантируют удобство использования. Однако, чтобы добиться успешной печати, потребуется правильно подготовить файл: исправить ошибки геометрии, оптимизировать треугольную сетку и проверить масштаб.

3Д-модели в формате STL идеально подходят для передачи геометрической информации без лишних сведений, таких как текстуры или материалы. Если использовать проверенные инструменты и следовать правилам работы, то это гарантирует, что модели будут готовы к печати и удовлетворят всем требованиям качества.