Самые распространенные форматы файлов 3D-принтеров в 2022 году

С таким количеством форматов файлов 3D-принтеров трудно сказать, какой из них использовать. Читайте дальше, чтобы узнать, какой формат файла лучше всего подходит для вас!

В этой статье вы узнаете о различиях между наиболее распространенными типами файлов, используемых в 3D-печати. Мы сравним те, которые используются для хранения и совместного использования 3D-моделей, включая STL , OBJ , AMF и 3MF , а также их менее распространенные аналоги. Мы также объясним, как они связаны с другими типами файлов 3D-печати, такими как G-код , который используется для управления тем, как 3D-принтер создает физические объекты.

Независимо от того, являетесь ли вы новичком в этой теме, опытным любителем или профессионально используете 3D-печать, мы постараемся развеять распространенные заблуждения и предсказать, как всё может измениться в будущем.

Чтобы оценить различия между различными типами форматов файлов, используемых в 3D-печати, стоит понять типичный рабочий процесс (то есть отдельные шаги, необходимые для создания печатного объекта). Итак, прежде чем мы перейдем к обсуждению различных форматов, давайте кратко рассмотрим процесс создания 3D-печатной детали и то, как он соотносится с типами файлов.

Рабочий процесс 3D-печати

3D-печать берет виртуальную модель и создает ее слой за слоем как физический объект. Итак, первое, что вам нужно, это модель для печати.

Моделирование

3D-модель — это описание предмета для печати, обычно создаваемое с использованием специального программного обеспечения САПР или программного обеспечения для моделирования . Эта модель описывает форму и размеры поверхности объекта, а также необязательные детали, такие как внутренняя структура, материалы, цвет, текстура и т. д. Существует много методов, используемых для определения таких моделей, и еще больше способов хранения полученных данных.

Существуют буквально сотни различных форматов файлов для описания 3D-моделей. Некоторые из них являются проприетарными форматами, которые связаны с конкретной программой или компанией и, следовательно, ограничены в возможности передачи, в то время как другие общеприняты для ряда программных инструментов. Чтобы упростить совместное использование моделей, для 3D-печати наиболее широко используются файлы с открытым исходным кодом или нейтральные форматы, хотя проприетарные форматы являются мощным преимуществом, если вы разрабатываете в рамках определенного программного пакета. В следующих разделах мы более подробно рассмотрим плюсы и минусы наиболее распространенных типов файлов 3D-моделей и несколько альтернатив.

Нарезка

Следующим шагом в рабочем процессе является преобразование 3D-модели во что-то, пригодное для печати, с помощью  3д слайсера . Для этого программному обеспечению требуется дополнительная информация о характеристиках принтера (размер, скорость и способ печати), свойствах материала и множество других данных, определяющих настройки слайсера (среди прочего, качество, поддержка и масштаб).

G-код

Результатом этого шага является файл, содержащий информацию о траектории инструмента, чтобы указать принтеру, что делать. Наиболее распространенным форматом файла траектории является G-код, и мы увидим, как этот (и альтернативные форматы) соотносятся с лежащими в основе 3D-моделями и как они могут развиваться в будущем.

Теперь, когда у вас есть представление обо всем рабочем процессе и соответствующих форматах файлов на каждом этапе, давайте углубимся в сами форматы.

3D-модели используются во всем: от медицинских изображений и инженерных симуляций до игр и создания спецэффектов в фильмах. Программное обеспечение, создающее эти модели, хранит связанные данные в разных форматах, и не все они идеально подходят для 3D-печати.

Программы САПР также хранят дополнительные вспомогательные данные, включая внутренние размеры, проектные ограничения, историю редактирования или, возможно, данные освещения или анимации (которые не имеют отношения к определению 3D-печати).

В результате простые форматы файлов с открытым исходным кодом, которые сводят к минимуму нерелевантные данные, стали доминировать в пространстве 3D-печати. К сожалению, по мере того, как 3D-печать развивается и становится все более сложной, то, какие именно данные важны, также меняется и создает проблемы для будущего отрасли.

В конечном счете, эти модели должны быть разделены на тонкие слои, характерные для 3D-печати, и этого проще всего добиться, когда форма модели определяется как сетка мозаичных плиток. Обычно эти плитки имеют треугольную форму, но могут использоваться и другие полигоны.

Этот подход к «разбиению» поверхности очень гибкий, но он делает это за счет точности. Например, программа САПР может описывать точную сферу заданного радиуса с центром в указанных координатах, но эквивалентная сетка будет лишь приближением этой формы.

Для 3D-печати наиболее распространенным типом файла модели является формат STL, в котором используется сетка треугольников для определения поверхностей. Миллионы STL можно найти на таких сайтах , как Thingiverse ,  MyMiniFactory и Cults , но эти сайты также поддерживают другие форматы 3D-моделей.

Давайте сравним основные варианты и выясним, почему STL не всегда лучший выбор.

STL: стандарт де-факто

Формат STL был изобретен еще в 1987 году компанией 3D Systems , основанной пионером 3D-печати Чаком Халлом . Это расшифровывается как стереолитография, одна из самых ранних форм 3D-печати.

Файлы STL описывают 3D-объекты как сетку мозаичных треугольных «плиток», каждая из которых определяется координатами ее вершин. По этой причине STL часто называют «стандартным языком треугольников» или «стандартным языком тесселяции». Достаточно сложная модель с изогнутыми формами может состоять из десятков тысяч треугольников. Добавление большего количества треугольников улучшает разрешение формы, но приводит к увеличению файлов STL.

Несмотря на этот потенциальный недостаток, простота и давнее наследие STL сделали его самым доминирующим форматом, используемым в 3D-печати. Он поддерживается практически всеми программами САПР и слайсерами и доминирует на веб-сайтах для обмена моделями.

Помимо проблемы с размером файла, формат STL имеет несколько других существенных недостатков. Основная проблема заключается в том, что он не требует проверки геометрии и явно не связывает один треугольник с другим. Полученный «треугольный суп» может медленно обрабатываться и подвержен ошибкам.

Файлы STL часто имеют отверстия или зазоры (замкнутые поверхности, которые не являются «водонепроницаемыми») или иным образом не являются многообразными, что означает, что описанная геометрия не может существовать физически. Следовательно, многие файлы STL нельзя разрезать или распечатать, что привело к появлению большого рынка инструментов и программного обеспечения, предназначенных для исправления и устранения этих неотъемлемых проблем.

Наконец, STL описывают только формы и не определяют цвет, материал, масштаб или любую другую контекстную информацию. Это делает формат непригодным для высокоточной или многоцветной 3D-печати .

ПЛЮСЫ

  • Является нейтральным и простым в реализации форматом 3D-модели.
  • Стал стандартом де-факто и широко поддерживается почти всеми инструментами САПР, слайсерами и веб-сайтами для обмена моделями.

МИНУСЫ

  • Не поддерживает цвета или другую информацию о материалах, поэтому не подходит для многоцветных принтеров или принтеров с поддержкой нескольких материалов.
  • Не содержит информации о масштабировании, что приводит к путанице с размерами по умолчанию (например, миллиметры, дюймы или другие единицы измерения).
  • Не содержит никаких других метаданных о дизайне (например, о дизайнере или авторских правах)
  • Подвержен ошибкам из-за проблем, связанных с простым методом тесселяции, препятствующим успешному разрезанию или печати модели.
  • Требует огромных размеров файлов для (или не может поддерживать) сверхвысокого разрешения или гладкой поверхности, возможной во многих современных принтерах.
  • Может устаревать в будущем, поскольку более современные форматы набирают популярность среди пользователей.

OBJ: второй по популярности

Формат OBJ, также известный как объект Wavefront, был впервые определен в 1990-х годах компанией Wavefront Technologies и нацелен на улучшение STL в нескольких существенных аспектах.

Первое улучшение заключается в том, что он способен кодировать более гладкие поверхности с меньшим количеством плиток. Он делает это, используя не только треугольные плитки, но и другие многоугольники (например, четырехугольники или шестиугольники). Он также может использовать дополнительные математические модели для дальнейшего улучшения определения формы.

Во-вторых, он способен описывать информацию о цвете, материале и текстуре, хотя для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами этого, с ним должны быть отдельно связаны файлы списка дополнительных материалов (MTL) и изображения (PNG).

Формат OBJ является очень популярным способом хранения 3D-моделей с информацией о цвете и текстуре и обычно используется для видеоигр и спецэффектов для фильмов. В результате это богатый источник дизайнов для 3D-печати, и почти каждый слайсер поддерживает его. Это также второй по популярности формат веб-сайтов для обмена моделями.

ПЛЮСЫ

  • Как и STL, это открытый и нейтральный файловый стандарт с широкой поддержкой программного обеспечения и наличием уже разработанных моделей.
  • Это самый простой формат файла для поддержки нескольких цветов и материалов.
  • Имеет улучшенное разрешение модели и, следовательно, качество по сравнению с STL.
  • Сохраняет другие метаданные без дополнительных файлов

МИНУСЫ

  • Вызывает проблемы с рабочим процессом из-за наличия отдельных файлов для определения цвета и текстуры.
  • Не предоставляет информацию о масштабе
  • Может привести к файлам, которые сложно переработать

AMF: преждевременно названный «STL 2.0»

К 2000-м годам форматы STL и OBJ стали препятствием для продвинутой 3D-печати, и поиск более современных альтернатив начался всерьез. AMF, сокращение от «Файл аддитивного производства», был представлен в 2011 году и позиционировался как «STL 2.0». Это формат на основе XML, предназначенный для того, чтобы быть более быстрым, менее подверженным ошибкам и способным хранить информацию о цвете, материале и текстуре (без использования внешних файлов) среди многих других атрибутов.

AMF стал официальным стандартом ISO (52915) в 2013 году и был обновлен до версии 1.2 в 2020 году. Это огромный шаг вперед как для STL, так и для OBJ. Он не только решает проблемы отсутствующих материалов и других метаданных, но и гораздо более сложным образом кодирует 3D-формы. В формате используются изогнутые треугольники, которые должны соответствовать строгим правилам топологии и связи; это почти полностью устраняет множество проблем с моделями, которые особенно мешают файлам STL.

Управляемая экспертным комитетом, сформированным международной организацией по стандартизации ASTM , и при первоначальной поддержке SolidWorks и Autodesk , AMF выглядела вполне достойной, чтобы ввести STL в историю. Принятие, однако, было медленным, и его будущее теперь неопределенно. Было высказано предположение, что комитет AMF слишком поторопился с определением важных моментов и недостаточно проконсультировался с ключевыми производителями и поставщиками услуг в индустрии 3D-печати.

Несколько пакетов САПР, а также основные слайсеры поддерживают формат AMF, хотя его использование не обязательно поощряется всеми этими поставщиками. Этот последний момент, возможно, связан с наличием быстро растущего конкурента, как мы увидим в следующем разделе.

ПЛЮСЫ

  • Это современный расширяемый стандарт файлов на основе XML, который может развиваться в соответствии с новыми требованиями.
  • Сохраняет материал, цвет и другие метаданные без дополнительных файлов
  • Использует расширенные средства определения и хранения геометрии формы, что приводит к лучшему разрешению и меньшему количеству ошибок.

МИНУСЫ

  • Имеет низкий уровень понимания и связанную с этим поддержку со стороны программного обеспечения CAD и слайсера.
  • Поддерживается не всеми игроками индустрии 3D-печати.
  • Перед лицом неопределенного будущего в свете конкуренции со стороны новой альтернативы 3MF

3MF: потенциальный новый стандарт

Начиная с внутреннего проекта, Microsoft создала консорциум 3MF (3D Manufacturing Format) в 2015 году и сделала исходный код своего базового программного обеспечения открытым. Цель состояла в том, чтобы устранить то, что они считали недостатками (хотя и очень техническими) в AMF и, что более важно, продвигать развивающийся стандарт с открытым исходным кодом при полном участии всех ключевых влиятельных лиц и игроков в мире 3D-печати.

Последний момент оказался ключевым в его быстром росте. Членами консорциума являются Autodesk, 3D Systems , Stratasys , Dassault Systemes, Ultimaker , Siemens, Simplify3D , HP, Shapeways и Prusa Research , все они активно работают над внедрением и постоянным улучшением.

В качестве дальнейшего шага, направленного на то, чтобы сделать 3MF действительно открытым исходным кодом (и не находящимся под неправомерным влиянием Microsoft), консорциум стал членом Linux Foundation в 2020 году и передал полный контроль независимо избранному исполнительному директору.

Как и AMF, 3MF является стандартом на основе XML, и на высоте 30 000 футов они практически одинаковы. 3MF, однако, имеет более строгие стандарты числовой точности и уменьшения ошибок округления, которые часто вызывают проблемы с моделью. 3MF также больше ориентирован на сбор полной картины сквозного рабочего процесса. Например, в дополнение к базовой 3D-модели в файле 3MF может храниться информация о настройках принтера и слайсера, включая пользовательские опоры.

За относительно короткий период времени 3MF значительно опередила AMF в плане поддержки как инструментов САПР, так и слайсеров. Некоторые организации (в том числе Prusa) даже рекомендуют своим пользователям отказаться от AMF в пользу 3MF, хотя они поддерживают и то, и другое.

ПЛЮСЫ

  • Является открытым стандартом с сильной поддержкой отрасли
  • Внутренне исправляет многие источники ошибок геометрии модели по сравнению с другими форматами (особенно STL).
  • Включает в себя не только все важные функции модели для 3D-печати, но и дополнительную информацию, в том числе информацию о конструкторе, лицензировании и производственных данных (например, настройки слайсера и опорные конструкции), а также другую информацию.
  • Может включать защиту и шифрование для частей моделей, чувствительных к IP

МИНУСЫ

  • Пока еще не полностью совместим между платформами (например, файл 3MF, сохраненный PrusaSlicer , не обязательно будет полностью понят или переведен Cura )
  • Некоторые считают его слишком сложным для простых приложений, а это означает, что внедрение программ САПР начального уровня происходит относительно медленно.

Другие форматы 3D-моделей

Мы рассмотрели наиболее часто поддерживаемые форматы файлов 3D-моделей, используемые при печати, но есть много других, которые либо поддерживаются непосредственно слайсерами, либо относительно легко конвертируются в один из форматов, указанных выше.

VRML и X3D

VRML (язык моделирования виртуальной реальности) и его преемник X3D являются наиболее популярными форматами с открытым исходным кодом для интерактивной трехмерной векторной графики. Обычно они используются в играх, спецэффектах и ​​визуализации в научных, инженерных и медицинских целях. Многие слайсеры (например, Cura) могут напрямую читать файлы X3D и просто игнорировать любые данные, которые не относятся к делу.

Единство

Еще одним отличным источником 3D-моделей являются модели, разработанные для использования в  Unity — популярном кроссплатформенном игровом движке, разработанном Unity Technologies. Наиболее распространенные форматы файлов в Unity включают OBJ, FBX и Blender. Последние два из них являются проприетарными, что означает, что поддержка слайсеров ограничена. Однако их можно преобразовать с помощью специальных инструментов. Ознакомьтесь с нашими статьями о преобразовании FBX в STL ,  FBX в OBJ и Blender в STL , чтобы узнать больше.

PLY

PLY, также известный как «Формат многоугольных файлов» или «Формат Стэнфордского треугольника», был в основном разработан для хранения данных с 3D-сканеров и широко используется в стоматологической промышленности . Хотя это обычно не поддерживается основными слайсерами, многие другие специализированные предложения делают это напрямую ( например, Formware ).

STEP и IGES

STEP и IGES — это два важных стандарта файлов с открытым исходным кодом, которые предназначены для взаимодействия между инженерными приложениями. Вместо представления сетки в этих форматах используется NURBS , что является более сложным, но более точным подходом. Опять же, типичным подходом является преобразование их в 3MF (или STL или OBJ), хотя на специализированных профессиональных рынках наблюдается растущая тенденция к их прямому использованию.

Другие форматы

Конечно, существует множество других форматов, каждый из которых служит определенной нише или сообществу. Некоторые из основных слайсеров также поддерживают Collada (файлы DAE), Open Compressed Triangle Mesh (CTM) или glTF Binary (GLB), и это лишь некоторые из них.

После того, как 3D-модель была объединена с данными принтера и материалов, а также с настройками слайсера, программное обеспечение для слайсинга обрабатывает всю эту информацию и выводит набор инструкций, используемых 3D-принтером для создания физического объекта.

Обычно мы называем это «выводом G-кода», но G-код — это только один пример того, что обычно называют файлами траекторий. Не все 3D-принтеры используют G-код, и мы кратко рассмотрим, почему это так, в следующих разделах.

Все файлы траекторий относятся к станкам и материалам, для которых они были созданы. Они не будут работать на других машинах и могут даже повредить их.

Можно перепроектировать файлы траекторий для получения базовой 3D-модели или некоторых исходных настроек слайсера, но трудно добиться полной и точной реконструкции исходного проекта.

G-код: универсальный стандарт

G-код даже старше, чем STL, но лучше выдержал испытание временем. Разработка началась в лаборатории сервомеханизмов Массачусетского технологического института в конце 1950-х годов, а первая стандартизированная версия была согласована в 1960-х годах. G-код используется для запуска всех видов оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) и поставляется на различных диалектах для поддержки различных типов станков.

G-код имеет общее ядро ​​​​команд, начинающихся с буквы G (от которой стандарт получил свое название) и M (для разного) , которые указывают машине, какие действия следует выполнять. Со временем были добавлены дополнительные команды, начинающиеся с этих и других букв. Гибкость для организаций в добавлении к основному стандартизированному списку команд позволила G-коду развиваться и идти в ногу со временем. В результате G-код прочно закрепился в качестве предпочтительного формата файла траектории для подавляющего большинства принтеров.

Для 3D-печати FDM наиболее значимым фактором стало появление стандартных прошивок ( например, Marlin ). Прошивка 3D-принтера считывает файл G-кода и реализует каждую из команд на основе собственных настроек по умолчанию для отправки соответствующих сигналов шаговым двигателям , вентиляторам, нагревательным блокам и другим компонентам принтера.

Для обычных принтеров и принтеров любительского уровня эти команды выполняются последовательно, но нет механизма проверки их выполнения в соответствии с ожиданиями (известного как управление без обратной связи). Это не обязательно проблема с G-кодом; это больше вопрос того, на что способно аппаратное обеспечение принтера. Однако в верхней части рынка исследователи работают над оптимизацией процесса печати, «замыкая» этот контур управления.

Например, если контроллер обнаруживает, что часть принтера или материала не соответствует спецификации, он может на лету внести изменения в способ печати объекта, чтобы компенсировать это. Такая оптимизация требует очень интегрированного рабочего процесса 3D-печати, который однажды может сделать G-код избыточным для определенных процессов печати.

ПЛЮСЫ

  • Настоящее решение, не имеющее серьезных недостатков, выдержавшее испытание временем и продолжающее развиваться
  • Является прямым стандартом для 3D-печати FDM и полностью доминирует в пространстве, что делает его хорошо понятным благодаря множеству ресурсов для создания, моделирования и тестирования его использования.

МИНУСЫ

  • Меньше подходит для методов 3D-печати, которые в значительной степени основаны на изображениях (например, DPM)
  • Может быть менее подходящим для сложных решений по нарезке и оптимизации производства, которые могут стать обычными для будущих высокопроизводительных процессов 3D-печати.

Другие форматы траекторий

Как и в случае с файлами 3D-моделей, файлы траекторий для 3D-принтеров бывают разных форматов. Что у них общего, так это способ представления модели, разрезанной на фрагменты, и инструкции, сообщающие принтеру, как воспроизвести эти фрагменты. Давайте посмотрим на пару примеров.

S3G и X3D

Файлы S3G и X3G используются машинами Makerbot и восходят к тем временам, когда 3D-принтеры RepRap управлялись простыми микроконтроллерами Arduino . S3G — это аббревиатура от «Sanguino3 Gcode» — упрощенного и оптимизированного варианта G-кода, с которым проще работать принтеру. Более поздняя улучшенная версия получила название X3G. Большинство основных слайсеров могут выводить файлы в этом формате, но их общее применение ограничено.

ФОТОН И CBDDLP

Принтеры DLP используют другой, более основанный на изображении процесс для создания своих отпечатков, поэтому собственный G-код (ориентированный на движущиеся двигатели) менее подходит. Поэтому их файлы траекторий ориентированы на управление этими изображениями. Результирующие форматы файлов, как правило, являются частными, хотя и соответствуют тем же основным принципам. Примеры включают форматы файлов Photon и CBDDLP.

Команды G-кода, тем не менее, могут по-прежнему играть свою роль и часто встраиваются за кулисы для лучшего из обоих миров (например, для ручного перемещения или тестирования оборудования принтера).

Краткий обзор форматов

Как мы видели, существует два основных семейства файлов 3D-принтеров. Файлы 3D-моделей содержат цифровое представление того, что должно быть напечатано, а файлы траекторий выводятся из программного обеспечения слайсера и указывают принтерам, как создавать 3D-модель. В обоих случаях существует несколько различных форматов файлов со своими плюсами и минусами для каждого, в частности для файлов 3D-моделей.

Вездесущий формат STL доминирует в пространстве 3D-моделей и, похоже, будет таковым в течение некоторого времени. Он выживет, потому что большую часть времени он достаточно хорош. В данном случае «в большинстве случаев» означает относительно простые отпечатки из одноцветных материалов, изготавливаемые любителями, энтузиастами и небольшими мастерскими в относительно небольших масштабах.

Формат OBJ преодолевает некоторые проблемы STL, а также поддерживает многоцветную печать (хотя и неуклюже). AMF был изобретен, чтобы заменить оба этих формата, но уже уступает место относительно новому стандарту 3MF. 3MF имеет сильную отраслевую поддержку от поставщиков высокого уровня до поставщиков потребительского уровня и имеет явные преимущества с точки зрения поддержки будущего направления 3D-печати по всем направлениям, особенно в профессиональной сфере.

Для большинства приложений 3D-печати в файлах траекторий по-прежнему будет преобладать настоящий G-код. Он может быть старым, но он способен развиваться, и нет серьезных недостатков, сдерживающих его. Процессы 3D-печати, которые в значительной степени основаны на изображениях (в отличие от перемещения печатающей головки по плоскости XY), как правило, не используют собственный G-код и вместо этого принимают проприетарные форматы, но даже с ними команды G-кода часто все еще встречаются. скрывается за кулисами.

Прогнозы на будущее

Многие комментаторы, в том числе такие иконы индустрии, как Джозеф Пруса, предсказывали смерть STL . Однако эти прогнозы могут быть несколько преждевременными.

STL не является идеальным форматом, но он достаточно хорош для большинства случаев использования, а объем готовых проектов означает, что он вряд ли потеряет свое доминирующее положение на рынке. Поскольку большинство любителей 3D-печати, похоже, годами будут использовать один цвет и материал, а слайсеры будут лучше справляться с ошибками файлов STL, похоже, что она продолжит доминировать в течение некоторого времени.

При этом явная поддержка и поощрение 3MF растет очень быстро. Вскоре он станет опорой профессионального рынка, и мы уже видим, как он проникает в потребительский сектор.

На форумах по 3D-печати комментарий «STL, пожалуйста» сильно пародируется. Сколько времени пройдет, прежде чем это изменится на «3MF, пожалуйста» спорно, но это, вероятно, произойдет в какой-то момент в будущем.

С другой стороны, нет никаких оснований предполагать, что G-код потеряет свое доминирующее положение. В некоторых случаях могут быть альтернативы, а в верхней части рынка сложные предложения могут вытеснить их. Но в обозримом будущем G-код никуда не денется.

По всем вопросам — 3d печать/3d сканирование писать сюда:

контактный телефон +79531178495

Telegram: https://t.me/fidller 

E-mail: shope@fidller.com

вконтакте: https://vk.com/3d_krd_123

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

The following two tabs change content below.

Александр

Занимаюсь проектированием/ 3д печатью больше 8 лет. Со-переводчик книги "Доступная 3д печать для науки, образования и устойчивого развития". По всем вопросам писать в телеграм - https://t.me/fidller