Основы послойного синтеза трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии (96

широкий диапазон измерений и позволяют грубо отрегулировать положение поверхности ФПК так, чтобы она вошла в зону измерений оптического датчика.

Рис. 4. Схема оптического датчика уровня

1 – лазер; 2 – поверхность ФПК; 3 – падающий луч; 4 – отраженный луч; 5 – фоточувствительный элемент

Подсистема повышения/пониженияуровняФПКвотечественных установках серии ЛС представляет собой точный механизм подъема/опускания всего рабочего бака. Позиционирование бака осуществляется с помощью шагового двигателя, а в качестве передаточного звена используется шариковинтовая пара.

Возможны и другие варианты реализации данной подсистемы, например, гидравлический – слив ФПК из рабочего бака в резервный и налив обратно и т. д.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ

3.1.Создание компьютерной модели будущего изделия и ее программная подготовка к процессу выращивания

В настоящее время существует целый ряд методов получения трехмерных компьютерных моделей (рис. 5), которые затем можно использовать, в технологиях быстрого прототипирования для послойного синтеза твердотельных объектов. В зависимости от вида исходных данных – формы представления информации о будущей модели – эти методы можно условно разделить на две группы:

– методы моделирования с использованием аппаратных средств ввода информации о реально существующем трехмерном объекте;

21

– методы непосредственного компьютерного моделирования. К первой группе относятся такие методы, как: моделирование по томографическим данным, бесконтактное формометрирование, сканирование на 3D-сканерах. Ко второй группе относятся все методы построения трехмерных моделей в специальных компьютерных приложения для трехмерного моделирования, таких как AutoCAD, T-FLEX, Solid Works, Unigraphics, Euclid, Компас,

Графика и др.

а б

Рис. 5. Трехмерная компьютерная модель

а – модель в формате программы; б – модель в STL-формате

Конечным результатом построения является трехмерная компьютерная модель, сохраненная в STL-формате представленная совокупностью ориентированных в пространстве треугольников, которые без разрывов покрывают поверхность объекта. STLформат первоначально был разработан для применения в стереолитографических машинах быстрого прототипирования. Согласно ему поверхность произвольной формы представляется в виде треугольников, примыкающих друг к другу одной стороной (см. рис. 5, б). Данное представление для задач САПР применяется уже давно [5, 6]. В настоящее время, благодаря усилиям Американской и Европейской ассоциаций пользователей стереолитографии, оно стало общепринятым для рассматриваемой технологии и получило название STL-формат (формат для стереолитографии). Применяют как текстовый, так и более компактный двоичный формат.

Рассмотрим основные методы создания трехмерных компьютерных моделей.

22

3.1.1. Построение компьютерных моделей трехмерных объектов по томографическим данным

Часто бывает необходимо быстро изготовить копии реальных объектов, например, в таких областях, как археология, медицина и др. Большие перспективы в этом плане открывает компьютерная томография.

Технология получения компьютерных моделей трехмерных объектовпотомографическимданнымвключаетвсебядваосновныхэтапа:

1)получение полной томограммы объекта;

2)создание трехмерной геометрической модели по цифровым данным томографических изображений срезов (сечений).

Получение полной томограммы объекта исследования. При ис-

пользовании современных рентгеновских томографов [7], например томографа SOMATOM AR-T фирмы SIEMENS, возможны: получение томографических срезов с разрешением 1 мм в сечении при прецизионном шаге координатного стола 1 мм; реконструкция цифрового изображения каждого среза с 8192 уровнями квантования (каждый слой представляется изображением 512 × 512 × 13 точек). Например, при сканировании человеческого черепа полный объем информации составит от 190 до 230 томографических срезов (рис. 6, а).

Создание трехмерной геометрической модели по цифровым данным томографических изображений срезов. Для перевода томо-

граммы в STL-формат необходимо построить математическую модель объекта как твердого тела. Объект исследования – как правило, достаточно сложное образование с большим количеством внутренних полостей и разной оптической плотностью в различных местах объекта. Имеются детали, геометрические размеры, которых меньше, чем разрешение томографа. Таким образом, правильное определение границы объекта возможно только при знании всех нюансов механизма томографического сканирования конкретных типов объектов и представлении их изображений на томограмме [7].

После определения границ объекта точность изготовленной модели полностью определяется числом точек изображения и числом слоев в исходных данных. Например, если расстояние между слоями dz = 1 мм, a dx = dy = 0,5 мм, пластиковая модель будет иметь структуру с такой же точностью (с характерными ступеньками). Однако стереолитография позволяет получать значительно более высокую точность. Следовательно, существует потребность в сглаживании поверхности модели объекта для определения необходимых промежуточных значений. Применение пакетов трехмерного проектирования для автоматической интерполяции и «на-

23

тягивания» гладкой поверхности на контуры слоев здесь не эффективно из-за большого объема обрабатываемых данных.

а

б

Рис. 6. 3D-моделирование по томографическим данным [7]:

а – некоторые томограммы лицевого отдела черепа, (шаг срезов 1 мм, разрешение 512 × 512); б – трехмерная модель черепа, полученная по томграфическим данным на экране редактора томографических изображений

24

Проблему может решить только специализированное программное обеспечение [7]. Например, программное обеспечение, разработанное в ИПЛИТ РАН (рис. 6, б) выполняет следующие функции:

–читает исходные данные рентгеновского томографа;

–формирует яркостное представление и приводит изображение к трехмерной матрице яркости (байт на точку);

–при необходимости выполняет сглаживание трехмерного изображения с помощью окна 3×3×3;

–вычисляет реальную границу объекта на изображении и приводит представление объекта к твердотельной форме; фильтрует твердотельное изображение (удаляет малогабаритные одиночные фрагменты и полости);

–позволяет оператору-эксперту при необходимости выполнять интерактивное редактирование полученной твердотельной модели для удаления артефактов и внутренних закрытых полостей, которые не несут полезной информации и просто не могут быть изготовлены;

–транслирует твердотельное представление в STL-формат [7].

3.1.2.Методы бесконтактного формометрирования

ифотограмметрии

Методы бесконтактного формометрирования и фотограмметрии во многом схожи. Измерения, производимые в них, основаны на явлении параллакса – геометрическом искажении изображения, спроецированного на измеряемую поверхность, при наблюдении изображения с другого направления (рис. 7).

Рис. 7. Структурное изображение объекта освещенного видеопроектором

25

В процессе формометрирования объекта информацию получают следующим бесконтактным оптическим способом: объект 1, освещенный структурным освещением от видеопроектора 2 (рис. 8) наблюдается телекамерой 3 с ПЗС-матрицей (в фотограмметрии съемка осуществляется одновременно тремя цифровыми камерами). В качестве проецируемого изображения применяют сетку равноотстоящих полос (см. рис. 7), интенсивность которых изменяется по гармоническому закону. Видеоизображение оцифровывается и поступает в компьютер 4 на обработку. Результатом измерения и обработки является массив (облако) координат точек видимой части поверхности объекта.

Рис. 8. Схема комплекса бесконтактного формометрирования

1 – объект; 2 – видеопроектор; 3 – телекамера; 4 – персональный компьютер

26

Для создания пространственной компьютерной модели (восстановления поверхности объекта) проводят процедуру триангуляции вычисленных трехмерных координат объекта, которая позволяет представить поверхность объекта в виде набора пространственных треугольников.

Созданная таким образом компьютерная модель поверхности выдается в виде файла DXF-формата системы компьютерного проектирования AutoCAD. На следующем этапе данные из DXFформата преобразуются в данные STL-формата.

При получении полной модели трехмерного объекта формометрирование осуществляют с нескольких сторон, после чего полученные части поверхности при помощи специального программного обеспечения сшиваются в единую 3D-модель (рис. 9).

Рис. 9. Стоматологический слепок:

а – фотография; б – компьютерная модель

Точность измерения объекта данными методами составляет 0,5…1,0 % от размера измеряемого объекта.

3.1.3. Методы непосредственного компьютерного моделирования

В настоящее время существует множество программных приложений для создания трехмерных компьютерных моделей. К

ним относятся: AutoCAD, T-FLEX, Solid Works, Unigraphics, Euclid, Компас, Графика, Alias, CADDS, HP PE/SolidDesigner, EMS-Power Pack, Syrko, Tebis, ROBOCAD, I-DEAS Master Series, SIGRAPH-DESIGN-3D, ZBrush и др. Независимо от применяемых методов проектирования (каркасное, твердотельное моделирова-

27

ние, проектирование с помощью криволинейных поверхностей, в том числе типа поверхностей Безье, Кунса, Эрмита, NURBS), а также комбинаций всех методов пользователь в итоге получает STL-файл в своей системе автоматизированного проектирования или применяет конвертеры графических форматов, например

IGES в STL, DXF в STL.

Наибольшей популярностью сегодня пользуются программные приложения, использующие принцип твердотельного моделирования. Ярким представителем таких программных продуктов являет-

ся Solid Works.

Solid Works – это система автоматизированного проектирования, использующая знакомый пользователю графический интерфейс Microsoft Windows и позволяющая инженерам-проектировщикам быстро отображать свои идеи в эскизе, экспериментировать с элементами и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи.

Процесс проектирования обычно включает в себя ряд последовательных шагов.

1.Определение потребностей. На процесс проектирования влияют многочисленные факторы, которые условно можно разделить на две группы: а) текущие нужды – понимание цели модели для ее эффективного проектирования; б) будущие требования – необходимо предвидеть будущие требования, чтобы при изменении модели уменьшить усилия, затрагиваемые на повторное проектирование.

2.Создание концепции модели на основе определенных потреб-

ностей. Концепция модели позволяет определить способ реагирования модели на любые изменения, необходимые в процессе ее построения и доработки. Концепция модели относится к планированию. От способа создания модели зависит то, как изменения влияют на нее. Чем ближе реализация конструкции к первоначальному замыслу проекта, тем целостнее модель.

Эскиз – это двухмерный профиль или поперечное сечение. Для создания двухмерного эскиза можно использовать плоскость или плоскую грань. Кроме двухмерных эскизов можно также создавать трехмерные эскизы с осью Z, а также с осями X и Y. Все эскизы содержат следующие элементы: исходная точка, плоскости, линии, размеры, взаимосвязи. Модель всегда включает один или несколько эскизов, а также один или несколько элементов.

После завершения эскиза создается трехмерная модель с помощью команд «вытянуть» или «повернуть» (рис. 10).

4.Редактирование модели. Для редактирования модели используется Feature Manager (Дерево конструирования), в котором зафиксирован весь процесс построения модели, и Property Manager (Менеджер свойств).

5.Преобразование модели в STL-файл. Solid Works позволяет конвертировать созданные трехмерные модели в STL файлы с указанием необходимых параметров. При этом можно выбрать запись

вдвоичном коде либо в текстовом виде.

Качество поверхности получаемых STL моделей определяется размером треугольников, из которых она состоит (рис. 11). Чем меньше размер треугольников (ниже значение отклонения), тем более качественной получается STL-модель, при этом файл имеет больший размер и конвертируется медленнее.

Рис. 11. Модель, конвертированная в STL-формат с разным разрешением

29

3.1.4. Подготовка компьютерной модели к выращиванию

Исходной информацией для стереолитографии является компьютерная модель трехмерного объекта, представленная совокупностью ориентированных в пространстве треугольников, которые без разрывов покрывают поверхность объекта (STL-формат). Для подготовки компьютерной модели к выращиванию используется специальное программное обеспечение. Оно может создаваться для конкретного оборудования быстрого прототипирования и поставляться вместе с ним (например, продукция фирмы 3D Systems – программа MaestroVirtuoso), а может быть универсальным с точки зрения типа используемого в дальнейшем оборудования (например, программы Magics, Gemma и др.).

Процесс подготовки модели к выращиванию состоит из нескольких основных этапов.

1. Чтение, проверка и корректировка STL-файлов. Основными требованиями, предъявляемыми к представлению объекта в STLформате, являются: замкнутость поверхности и ее топологическая однозначность. Ошибки, нарушающие данные требования, могут возникать либо на этапе построения компьютерной модели, особенно в случаях моделирования объекта поверхностями, при использовании методов бесконтактного формометрирования, фотограмметрии, 3D-сканеров и построении моделей по томографическим данным, либо на этапе преобразования из внутреннего формата САПР в STL. Эти ошибки вызывают: появление разрывов, самопересекающихся поверхностей (рис. 12), нестыкующихся участков, вырожденных треугольников (площадь которых равна нулю), потерю ориентации треугольников и т. п. Процедура исправления этих ошибок в стереолитографии называется верификацией [8].

Программа дает полную информацию о наличии таких ошибок, а также в полуавтоматическом режиме вносит исправления, замыкая поверхность модели так, чтобы она соответствовала твердому телу.

30