3MF体积设计扩展

3MF 联盟最近宣布了他们最新的体积设计扩展（volumetric design extension），用于通过基于体积的描述来编码几何形状和空间多样性属性。 该组织致力于推进 3D 打印的通用规范，目前正在新扩展达到 1.0 之前征求公众反馈。

Engineering.com 采访了 3MF 联盟执行董事 Luis Baldez，以了解更多信息。 巴尔德斯拥有电子和软件背景，他的大部分职业生涯都在惠普度过。 在 2008 年进入 3D 打印领域并观察 HP 3D 打印业务部门的发展后，Baldez 发现需要实施更好的设计工具和文件格式来捕获工程师尝试设计并发送到 3D 打印机的内容。

“联系了我在微软、欧特克和西门子等行业认识的一些人，”巴尔德斯说。 “我们有类似的见解，并同意成立一个联盟，该联盟于 2015 年宣布。”

如今，3MF 联盟由 20 家领先的增材制造硬件和软件公司组成，所有这些公司都在合作开发几何数据交换格式，以满足增材制造 (AM) 行业的需求。 该联盟管理 3MF 规范，允许设计应用程序将 3D 模型发送到其他应用程序和打印机的组合。

1、3MF 的必要性

Baldez 认为 3MF 对于 3D 打印的未来至关重要。 “如今打印机可以做很多新事情，但软件和数据格式却落后了，”他表示。 “他们实际上限制了你能做的事情。 整个数字工作流程需要改进以匹配硬件的功能。”

3D 打印已从非常基本的 3D 打印格式发展为用于传达有关颜色、材料、晶格等复杂信息的 3MF。 STL 是原始文件格式之一，尽管它创建于 20 世纪 80 年代，但仍然相对流行。 除了不支持各种属性之外，STL 没有可扩展性机制，也不保存网状拓扑，导致规范含糊不清。

“STL 是在计算资源非常有限的时代开发的，”Baldez 说。 “由于当时的限制，这是一种相当简单的文件格式。 供应商为支持不同用例所做的事情要么是创建专有文件格式（但是，你无法选择不同的软件或打印机），要么为其他应用程序借用文件，这也有限制。 3MF 希望有所作为的地方在于规范的完整性，以涵盖 3D 打印可以做的一切。”

公司经常面临与针对不同行业和应用定制工具的挑战。 例如，汽车领域的扫描打印工作流程与医疗保健领域的扫描打印工作流程有所不同。 这些差异可能与公差、单位、几何描述、保密要求等有关。 相反，3MF 可以配置为任何行业的任何应用程序。

Baldez 的愿景是让 3MF 达到与 PDF 相同的普及程度。 “你可以在手机、浏览器（Windows、Mac、Linux）上打开 PDF，而且它始终呈现相同的效果。 当你将其发送到打印机时，它始终会准确打印你在屏幕上看到的内容。 这就是我们想要实现的目标。”

3MF 被证明非常出色的领域之一是它能够将单位、方向等详细信息封装在文件中。 Baldez 表示，如今大约 80% 的服务机构收到的文件没有单位。 这会导致与客户的往来次数增加、出错的可能性更高以及普遍缺乏简化的操作。

当谈到 3MF 的各种应用时，Baldez 对 HP、西门子和一家名为 Unlimited Tomorrow 的公司之间的合作伙伴关系感到特别自豪 创造个性化的假肢。 虽然此类假肢的成本通常高达 80,000 美元以上，但 Unlimited Tomorrow 利用 3D 打印将其价格降低至 5,000 至 10,000 美元。

“他们需要一种强大的方法来捕捉患者皮肤的颜色，并将其一直描述到打印面，因此当他们 3D 打印假肢手臂时，它看起来与身体的其他部分相似。 从心理学的角度来看，它的力量非常强大。”，巴尔德斯回忆道。

这就需要在工作流程开始时准确捕捉肤色，并一直复制到最终产品。 “当他们没有 3MF 时，他们会发现他们想要打印的内容与打印机实际打印的内容之间存在差异，”Baldez 说。 “然后他们使用 3MF 作为端到端传输信息的工具，并确保尊重色彩准确性。 这是一个非常酷的故事，3MF 正在为客户提供真正的价值，我震撼到起鸡皮疙瘩。”

那么，3MF 规范是如何运作的呢？ 它从定义对象外表面的强制性核心规范开始。 用户随后选择可选扩展的组合：切片、材料、颜色、梁晶格、体积设计和安全性。 例如，为了描述前面提到的手臂假肢，核心规范将与颜色扩展结合使用。

切片扩展（slice extension）更多地与打印机所说的语言有关。 当使用切片表示对象时，3D 打印机可以更轻松地复制某些设计。

至于梁晶格延伸（lattice extension），它是一种更智能的方式来描述由重复节点和连接这些节点的梁组成的几何形状。 由此产生的几何表示是轻量且灵活的。 梁晶格允许设计者通过修改梁尺寸来控制零件的机械性能，而不改变拓扑。 这样可以通过对文件进行最少的编辑来对零件行为进行精细控制。 举例来说，如果将梁晶格应用于弹性体材料，则可以轻松改变刚度等特性。

安全扩展（security extension）提供了一个底层结构，供用户选择文件格式中加密和解密的基本元素。 “例如，你可能希望在公共网页等敌对环境中共享文件，其中多人可以访问该文件，但你只希望一个人访问其中的内容，”Baldez 解释道。 “你可以加密内容，以便只有拥有正确密钥的个人才能解密文件并访问内容。”

2、体积设计扩展

传统建模使用边界 — 例如非均匀有理基样条 (NURBS) 和三角形网格 — 来描述表面或实体。 “如今，CAD 软件支持多种表示形式—从曲面的 NURBS 到实体，”Baldez 说。 “你可以根据你想要设计的内容来选择你想要的。 如果你尝试设计一架飞机，你将使用某种类型的几何表示。 如果你正在设计一辆汽车，可能会使用另一辆不同的汽车。 如果你使用患者的扫描数据作为输入，将使用另一个扫描数据。

“但是，CAD 软件从未真正有一种很好的方法来描述零件的内部。 它只是描述了外部的情况——内部假设是均匀的或空的。 我认为部分限制在于，即使你可以对零件进行建模并描述其内部，你也无法使用传统的减材制造工艺来制造它。 快进到过去十年，不同的 3D 打印技术出现爆炸式增长，推动了设计工具所需支持的极限。 这可以追溯到他们使用的数学表示，它必须不断发展才能涵盖你今天可以制作的所有内容。”

另一方面，体积建模依赖于对物体整个体积（内部结构等）基于现场的数学描述。 它的好处是它支持属性在空间中的变化。 巴尔德斯提供了一个人体模型的例子，其多色的内部组件可以在透明的外壳内展示。

“在内部，你可以有坚硬和白色的骨骼结构，”巴尔德斯解释道。 “你可以 3D 打印不同颜色、纹理和硬度的肌肉。 如何在计算机软件中对其进行建模实际上并不容易。 你可以单独对每个部件进行建模，然后尝试将它们连接在一起。 它会变得很麻烦并导致错误。 体积规范试图做的是，在外壳内，你可以使用多种技术来描述对象的内部。 一个对象内可以有多个子对象。 每一种都可以具有不同的属性，从透明度梯度到重量、强度、材料分布和成分。”

除了查看零件内部的能力之外，还有其他应用。 例如，体积设计扩展可用于开发磨损指示器（对于跑鞋或牙刷等物品）。 这可以通过在物体内部印刷一层来实现，一旦物体充分磨损，该层就会显示出来。 同样，该扩展可以在游戏中用作对 3D 打印部件内隐藏消息进行编码的方式。

另一个应用涉及优化项目的构建。 “想象一下你有一个支撑结构，比如一张桌子，”巴尔德斯说。 “当你施加压力时，并不是桌子的所有部分都承受相同的压力。 如果你知道最适合你零件的压力分布，则可以使用体积延伸来描述这些区域，并告诉 3D 打印机在不需要的地方放置更少的材料，在需要的地方放置更多的材料。”

3、推进 3MF 规范

在制定 3D 打印通用规范时，3MF 联盟有多个工作流程。 虽然工作的核心是由联盟成员的首席工程师负责，但重点也放在营销和客户推广上。

“我花了很多时间与用户交谈，了解他们在当前设计工具中看到的差距和 文件格式，这样我就可以回到技术团队并指导他们需要做什么，”Baldez 说。 “我们非常欢迎大家提出意见，并努力与行业保持联系。”

未来的扩展想法已经在开发中。 客户要求的一项功能是刀具路径扩展，类似于加工中的 G 代码。 另一项涉及质量检查，在打印物体后将公差规格包含在文件中。 虽然 3MF 目前不支持 NURBS，但有关于合并高阶表示以覆盖某些类型对象的讨论。

当被问及 3MF 的长期目标时，Baldez 笑了。 “该联盟的最终愿景绝对是它不复存在。 我们希望它成为主流，以至于你甚至都不会想到它。 它就是有效的。 我认为，当世界上每个人都使用 3MF 作为向任何应用程序、软件、服务或打印机传达设计意图的手段时，我们的使命就完成了。 当它刚刚成为底层基础设施的一部分以获得好的部件时。 我们还没有完全做到这一点。 围绕采用、引入新成员、定义新规范等方面仍有大量工作要做。”

未来，3MF 联盟还在考虑制定官方 ISO 标准，汽车、航空航天和航空航天等行业可能需要该标准。

3MF 联盟的成员公司包括 3D Systems、Autodesk、GE、HP、Materialise、Microsoft、nTopology、Stratasys、Siemens、Hexagon 和 Prusa。 到目前为止，该规范已在 38 家公司的 50 多种产品中实施。

“五年前，我们会要求人们采用 3MF，但没有软件或硬件支持。 如今，事实并非如此。 市场上所有主要的 3D 软件和 3D 打印机都支持 3MF。”Baldez 说道。 “我欢迎所有成员继续推动这一信息，并欢迎所有最终用户开始使用该规范。 如果他们不喜欢所看到的，请回到我们这里。 当谈到做出改变以解决真正的客户问题时，我们会洗耳恭听。 我们是一个非常开放的组织； 我们不会在野外这样做。 任何人都可以在 LinkedIn 上联系我并提出问题。 我们致力于帮助行业向前发展。”

要了解有关 3MF 规范的更多信息，请访问该网站。

原文链接：A Look into 3MF and Its New Volumetric Design Extension

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