O que é STL? Guia descomplicado sobre o formato 3D

A tesselação pode envolver formas geométricas simples ou formas muito complexas (e imaginativas). Há alguns exemplos de tesselações artísticas do famoso pintor MC Escher. Se quiser ver mais exemplos de tesselações marcantes, recomendamos que você confira suas pinturas.

Explorando a Tesselação para Codificar Dados de Superfície

Em 1987, Chuck Hull, fundador da 3D Systems, havia acabado de patentear o processo de impressão estereolitográfica. Parte essencial para que o processo funcionasse foi descobrir uma maneira de transferir informações sobre modelos CAD 3D para a impressora 3D, algo que o Albert Consulting Group conseguiu para a 3D Systems ao perceber que podia usar tesselações da superfície do modelo 3D para codificar essas informações.

 

A ideia básica era tesselar a superfície externa bidimensional de modelos 3D usando pequenos triângulos (também chamados de “facetas”) e armazenar informações sobre as facetas em um arquivo.

Vejamos alguns exemplos para entender como isso funciona. Por exemplo, se você tiver um cubo 3D simples, ele pode ser coberto por 12 triângulos, como mostrado na imagem abaixo. Como você pode ver, há dois triângulos por face. Como o cubo tem seis faces, a soma total é de 12 triângulos.

Se você tiver um modelo 3D de uma esfera, ela poderá ser coberta por vários triângulos pequenos, também mostrados na mesma imagem. Como os triângulos sempre consistem em três arestas retas, a única maneira de aproximar geometrias curvas é aumentar a densidade da malha e diminuir o tamanho de cada triângulo.

 

Aqui está outro exemplo de uma forma 3D muito complicada, tesselada com triângulos.

 

O Albert Consulting Group para Sistemas 3D percebeu que, se as informações sobre esses pequenos triângulos pudessem ser armazenadas em um arquivo, o arquivo poderia descrever completamente a superfície de um modelo 3D arbitrário. Esse conceito é a ideia básica por trás do formato de arquivo STL.

 

 

O formato de arquivo ASCII STL

O arquivo ASCII STL começa com a linha obrigatória:

Aqui, n é a normal do triângulo e v1 , v2 e v3 são os vértices do triângulo. Os valores das coordenadas são representados como um número de ponto flutuante no formato sinal-mantissa-esinal-expoente – por exemplo, “3,245000e-002”.

O arquivo termina com a linha obrigatória:

O formato de arquivo STL binário

O arquivo ASCII STL pode ficar enorme se a tesselação envolver muitos triângulos pequenos. É por isso que existe o formato binário STL, mais compacto.

O arquivo STL binário começa com um cabeçalho de 80 caracteres. Isso geralmente é ignorado pela maioria dos leitores de arquivos STL, com algumas exceções notáveis ​​que discutiremos mais tarde. Após o cabeçalho, o número total de triângulos é indicado por um inteiro sem sinal de 4 bytes.

As informações sobre os triângulos seguem. O arquivo termina após o último triângulo.

Doze números de ponto flutuante de 32 bits representam cada triângulo. Assim como no arquivo ASCII STL, três números representam as coordenadas cartesianas 3D da normal do triângulo ao triângulo. Os nove números restantes representam as coordenadas dos vértices (três de cada). Veja como fica:

Observe que, após cada triângulo, há uma sequência de 2 bytes chamada “contagem de bytes de atributo”. Geralmente, ela é definida como zero e atua como um espaçador entre dois triângulos. Mas alguns softwares usam esses 2 bytes para codificar informações adicionais sobre o triângulo. Veremos um exemplo disso mais adiante, em que esses bytes são usados ​​para armazenar informações de cor.

 

A Regra de Orientação

A regra de orientação diz que a orientação da faceta (ou seja, qual direção está “dentro” do objeto 3D e qual direção está “fora”) deve ser especificada de duas maneiras.

Primeiro, a direção da normal deve apontar para fora. Segundo, os vértices são listados em sentido anti-horário quando se olha o objeto de fora (regra da mão direita).

Essa redundância existe por um motivo. Ela ajuda a garantir a consistência da malha e a identificar dados corrompidos. O software pode, por exemplo, calcular a orientação a partir da normal e, posteriormente, dos vértices, e verificar se elas correspondem. Caso contrário, pode declarar o arquivo STL corrompido.

A Regra do Octante Totalmente Positivo

A regra do octante totalmente positivo diz que todas as coordenadas dos vértices do triângulo devem ser positivas.

Isso implica que o objeto 3D vive no octante totalmente positivo do sistema de coordenadas cartesianas 3D (e daí o nome).

A lógica por trás dessa regra é economizar espaço. Se o objeto 3D pudesse residir em qualquer lugar no espaço de coordenadas, teríamos que lidar com coordenadas negativas. Para armazenar coordenadas negativas, você usa números de ponto flutuante com sinal . Números de ponto flutuante com sinal requerem um bit extra para armazenar o sinal (+/-). Ao garantir que todas as coordenadas sejam positivas, essa regra nos permite usar números sem sinal para as coordenadas e economizar um bit para cada valor de coordenada que armazenamos.

 

A regra de classificação de triângulos

A regra de classificação de triângulos recomenda que os triângulos apareçam em ordem crescente de valor z.

Isso ajuda o software a fatiar os modelos 3D mais rapidamente, mas a regra não é rigorosamente aplicada.

Como um arquivo STL é impresso em 3D?

 

Para impressão 3D, você precisa abrir o arquivo STL em um software de fatiamento, geralmente conhecido simplesmente como “fatiador”. O que é um fatiador? É um software de impressão 3D que converte modelos 3D digitais em instruções de impressão para sua impressora 3D criar um objeto.

Com base nas configurações escolhidas, o fatiador corta seu arquivo STL em centenas (às vezes milhares) de camadas horizontais planas e calcula quanto material sua impressora precisará extrudar e quanto tempo isso levará.

Todas essas informações são gravadas em um arquivo de código G, a linguagem nativa da sua impressora 3D. As configurações do fatiador afetam a qualidade da impressão, portanto, ter o software e as configurações corretos é essencial para obter a melhor qualidade de impressão possível.

Assim que o código G estiver na sua impressora 3D, a máquina seguirá as instruções na ordem correta. As camadas bidimensionais separadas são impressas uma a uma para produzir um objeto tridimensional na sua mesa de impressão.

 

Todos os arquivos STL podem ser impressos em 3D?

 

Infelizmente não. Somente um design 3D feito especificamente para impressão 3D é imprimível em 3D. O arquivo STL é apenas o contêiner para os dados, não uma garantia de que algo seja imprimível.

Modelos 3D adequados para impressão 3D precisam de uma espessura de parede dentro da resolução de impressão e de uma geometria de superfície “estanque”. Mesmo que um modelo seja visível na tela do computador e pareça um objeto tridimensional, pode haver erros na geometria que o tornam não sólido ou não múltiplo, o que significa que ele não pode ser dobrado em uma superfície 2D com todas as normais apontando na mesma direção.

Há também a consideração de elementos salientes no modelo. Observe o logotipo da ALL3DP na imagem acima; se o modelo for impresso na vertical, elementos salientes com um ângulo superior a 45 graus exigirão estruturas de suporte (que você pode ver em verde).

Ao baixar um arquivo STL que você não criou, vale a pena verificar se ele é realmente imprimível em 3D. Isso economizará muito tempo e frustração (e filamento).

 

A impressora 3D imprimirá o objeto com a mesma grossura especificada no arquivo STL. É claro que, ao tornar os triângulos cada vez menores, a aproximação pode ser melhorada, resultando em impressões de boa qualidade. No entanto, à medida que você diminui o tamanho do triângulo, o número de triângulos necessários para cobrir a superfície também aumenta. Isso pode resultar em arquivos STL gigantescos, que alguns softwares de fatiamento terão dificuldade para processar. Também é um problema compartilhar ou enviar arquivos enormes como esse.

Portanto, encontrar o equilíbrio certo entre tamanho do arquivo e qualidade de impressão é crucial. Não faz sentido reduzir o tamanho dos triângulos infinitamente, porque, primeiro, seus olhos e, depois, a resolução da impressora não conseguirão distinguir entre as qualidades de impressão.

A maioria dos softwares CAD oferece algumas configurações ao exportar arquivos STL. Essas configurações controlam o tamanho das facetas e, consequentemente, a qualidade de impressão e o tamanho do arquivo. Vamos analisar as configurações mais críticas e determinar seus valores ideais.

 

Altura ou tolerância do acorde

A maioria dos softwares CAD permite que você escolha um parâmetro de altura da corda ou tolerância. A altura da corda é a distância máxima entre a superfície do desenho original e a malha STL. Se você selecionar a tolerância adequada, suas impressões ficarão suaves e sem facetas. É bastante evidente que quanto menor a altura da corda, mais precisamente as facetas representam a superfície real do modelo.

Recomenda-se definir a tolerância entre 0,01 milímetro e 0,001 milímetro. Isso geralmente resulta em impressões decentes. Não faz sentido reduzir ainda mais, pois as impressoras 3D não conseguem imprimir com esse nível de detalhe.

 

Desvio Angular ou Tolerância Angular

A tolerância angular limita o ângulo entre as normais de triângulos adjacentes. O ângulo padrão geralmente é definido em 15 graus. Reduzir a tolerância (para um valor entre 0 e 1) melhora a resolução da impressão.

A configuração recomendada para este parâmetro é 0.

Binário ou ASCII?

Por fim, você pode exportar o arquivo STL em formato binário ou ASCII. O formato binário é sempre recomendado para impressão 3D, pois resulta em arquivos menores. No entanto, se você quiser inspecionar o arquivo STL para depuração manualmente, o formato ASCII é preferível, pois é mais fácil de ler.

 

Alternativas ao arquivo STL

 

O formato de arquivo STL não é o único usado na impressão 3D. Existem mais de 30 formatos de arquivo para impressão 3D. O mais importante é o formato de arquivo OBJ, que pode armazenar perfis de cor e textura. Outra opção é o formato de arquivo Polygon (PLY), inicialmente usado para armazenar objetos digitalizados em 3D.

Mais recentemente, o Consórcio 3MF tem se esforçado para lançar um novo tipo de arquivo, propondo um novo formato de arquivo para impressão 3D chamado 3MF. Eles afirmam que ele simplificará e aprimorará o processo de impressão 3D.

Abreviação de 3D Manufacturing Format, essa extensão de arquivo de código aberto contém mais informações relevantes, incluindo duplicatas, configurações de perfil de impressora, suportes, alturas de camadas, modificações, unidades, cor, textura e até mesmo uma miniatura.

Apesar de seus benefícios, ele ainda não parece ter ganhado força suficiente para desbancar o STL como o tipo de arquivo mais conveniente para impressão 3D. Ainda assim, ele sem dúvida ganhou popularidade ao longo dos anos, com muitos fabricantes de impressoras 3D oferecendo-o como arquivo de cena padrão.

 

Na última seção, dissemos que o formato de arquivo STL não suporta modelos multicoloridos. A razão pela qual o formato de arquivo STL não possui informações de cores é simples. Quando a prototipagem rápida evoluiu na década de 1980, ninguém pensava em impressão colorida. Hoje em dia, os materiais e processos de impressão 3D evoluíram rapidamente. Alguns permitem a impressão em cores – pense em escaneamentos 3D de arenito, como ilustrado acima.

No entanto, é injusto dizer que o STL não pode lidar com cores. Acontece que existem versões não padronizadas do formato STL que podem transportar informações de cores.

Por exemplo, os pacotes de software VisCAM e Solidview usam a “contagem de bytes de atributo” no final de cada triângulo para armazenar uma cor RGB de 15 bits usando o seguinte sistema:

 

Visualizadores STL

Felizmente, abrir um arquivo STL não é muito complicado. Existem vários visualizadores de arquivos STL gratuitos, que você pode acessar online ou como um aplicativo para desktop.

Editores e conversores STL

Sim, é perfeitamente possível editar um arquivo STL e convertê-lo para outro formato. Como o formato é aberto, não há nada que impeça você de alterar o conteúdo de um arquivo. O processo de edição é relativamente fácil.

 

Software e serviços de reparo STL

Lembra da seção onde discutimos as regras que os arquivos STL devem obedecer? Por exemplo, triângulos adjacentes devem compartilhar dois vértices e a regra da mão direita aplicada aos vértices deve resultar na mesma orientação do vetor normal. Se essas condições forem violadas em um arquivo STL, ele estará corrompido ou corrompido.

Existem vários programas que podem ajudar a reparar um arquivo STL corrompido. Por exemplo, o Meshmixer é uma excelente ferramenta gratuita para corrigir os problemas mais comuns de arquivos STL.

Concluindo, aprendemos como o formato de arquivo STL codifica o layout de modelos 3D. Discutimos como otimizar arquivos STL para obter a melhor qualidade de impressão 3D. Conversamos sobre como o formato de arquivo STL se compara a outros formatos populares de impressão 3D, o OBJ, e quando usar cada um deles. Por fim, compartilhamos alguns recursos para baixar, visualizar, editar e reparar arquivos STL.

Esperamos que um conhecimento aprofundado do formato de arquivo STL ajude você a se tornar um usuário mais experiente da sua impressora 3D. Se você achou este artigo útil, compartilhe-o com outros entusiastas da impressão 3D e divulgue. Tem alguma pergunta ou comentário? Deixe-nos saber nos comentários abaixo!

 

 

Este artigo foi inicialmente publicado por All3DPrint.