Форматы файлов для 3D-печати: почему их так много, и в чем разница

Аддитивная индустрия использует разные форматы для хранения и подготовки 3D-моделей к 3D-печати. Самый популярный — STL, но есть и другие — OBJ, AMF, 3MF. Объясняем отличия и преимущества.

Любой слайсер, то есть программное обеспечение для преобразования 3D-моделей в понятный экструзионным 3D-принтерам машинный код (Gcode, G-код), принимает 3D-модели в виде файлов формата STL. В то же время многие слайсеры поддерживают и другие форматы, самые известные из которых — OBJ, AMF, 3MF. Почему так — легко догадаться: идеального варианта пока не существует, хотя попытки создать универсальный формат предпринимаются постоянно, и определенные успехи есть. Сегодня вкратце взглянем на преимущества и недостатки четырех наиболее распространенных вариантов, начиная с эталонного STL.

STL

Формат STL разработан компанией 3D Systems специально под 3D-печать. Если точнее, то под стереолитографию (SLA), то есть 3D-печать фотополимерными смолами, хотя используется в связке и с другими аддитивными технологиями. STL как раз расшифровывается как Stereolitography. 3D-модели в STL-файлах состоят из полигонов — треугольников, формирующих поверхности подобно мозаике. Такие поверхности называются полигональными сетками или мешами (англ. mesh, сетка).

Чем больше полигонов в сетке, тем выше гладкость поверхностей и детализация 3D-модели, но в то же время выше размер файла. Концепция очень простая и практичная, отсюда и популярность этого формата, но есть и ряд ограничений. STL-файлы передают только геометрию поверхностей 3D-моделей, но не содержат информацию о текстурах, оттенках, используемых материалах, и так далее. С другой стороны, раз этот формат содержит только геометрические данные, размеры файлов обычно относительно невелики — в среднем порядка 1-25 Мб, хотя простенькие 3D-модели могут «весить» еще меньше.

Более того, полигональная структура поверхностей не всегда позволяет передавать мелкие детали, особенно в изделиях сложной геометрической формы при относительно низком количестве полигонов. Даже при использовании высокополигональных моделей криволинейные поверхности передаются приблизительно, но иначе никак, ведь поверхности состоят из множества плоскостей.

Наконец, в полигональные сетки этого формата нередко закрадываются ошибки, например дырки, способные приводить к сбоям при конвертации в машинный код или во время 3D-печати. Особенность неприятная, но поправимая с помощью специальных программ — STL-редакторов. Подробнее про программы для ремонта мешей рассказывается в статье по этой ссылке.

Преимущества: широко распространен и совместим практически с любыми слайсерами и оборудованием. Абсолютное большинство 3D-моделей на профильных интернет-площадках предлагаются именно в формате STL.

Недостатки: позволяет передавать только данные о геометрии, относительно ограниченная детализация, особенно в плане криволинейных поверхностей. Нередко возникают дефекты, требующие редактирования перед нарезкой.

OBJ

Формат OBJ изначально никакого отношения к 3D-печати не имел, будучи разработанным для нужд киноиндустрии. Формат создан компанией Wavefront Technologies для фирменного 3D-редактора The Advanced Visualizer. Эта программа использовалась в том числе в работах над специальными эффектами фильмов «Терминатор 2» и «Парк Юрского периода».

В мире 3D-моделирования формат OBJ завоевал довольно широкую популярность благодаря эффективности и высокой гибкости. Сюда входит возможность передачи информации о цветах, текстурах, прозрачности и материалах, чего не хватает STL.

Пожалуй, еще более важное преимущество — возможность более точной передачи геометрических форм: в отличие от STL здесь геометрия поверхностей передается не только простыми треугольниками, но и разнообразными многоугольниками и даже кривыми произвольной формы.

За все эти преимущества, зачастую избыточные, приходится платить более высоким объемом файлов и повышенными требованиями к вычислительным мощностям. Файлы в этом формате бывают довольно увесистыми — в районе 5-50 Мб и выше, особенно если данные включают детальные текстуры.

В общем и целом, для многих задач, особенно в любительской 3D-печати, вполне хватает формата STL, тогда как OBJ более универсален и нередко используется в промышленной 3D-печати и 3D-сканировании.

Преимущества: позволяет передавать не только геометрию, но и цвета, текстуры и информацию о расходных материалах. Более точная передача геометрии в сравнении с STL. Опенсорсный формат с довольно широкой поддержкой.

Недостатки: большие объемы данных, информация о текстурах и цветах хранится во вспомогательных файлах.

AMF

AMF (Additive Manufacturing File) можно считать следующим шагом в эволюции STL. Этот формат тоже создан специально под аддитивные технологии и с оглядкой на недостатки предшественника по инициативе Американского общества испытаний и материалов (ASTM). Если STL передает только геометрию поверхностей, то AMF может содержать дополнительную информацию о материалах, цветах и других особенностях посредством расширяемого языка разметки XML, то есть по возможностям он ближе к OBJ.

Метод построения тоже усовершенствован. Файлы в этом формате могут содержать несколько объектов, состоящих из непересекающихся объемов — полигональных сеток из треугольников, при этом у треугольников могут быть криволинейные стороны, а не только прямые. Каждому объему и даже каждому полигону можно приписать материал и цвет, что удобно при работе с мультиматериальными 3D-принтерами, а для некоторых промышленных аддитивных систем просто необходимо.

Объекты, в свою очередь, можно упорядочить в так называемые «созвездия», описывающие расположение и пространственную ориентацию каждого элемента. Это может быть удобно, например, при работе с аддитивными системами по технологии порошкового синтеза на подложке (PBF), когда при 3D-печати множества изделий за один рабочий цикл операторы стараются плотно паковать модели в рабочем объеме ради максимальной эффективности.

Недостатки все те же, что и у OBJ: объемы файлов могут достигать внушительных размеров (100 Мб и даже выше, в зависимости от геометрической сложности и объема дополнительных данных), а широкий функционал зачастую избыточен — настолько, что многие слайсеры и 3D-принтеры, особенно любительского сегмента, просто не заточены под работу с этим форматом.

Преимущества: способен хранить как геометрические данные, так и разнообразные метаданные. Возможно указание используемых единиц измерения.

Недостатки: ограниченная совместимость, поддерживается не всеми слайсерами.

3MF

Еще одна продвинутая альтернатива STL, разработанная целым консорциумом — компаниями Microsoft, Autodesk, HP, Dassault Systemes, PTC, SLM, Shapeways, Materialise, 3D Systems, Stratasys и другими. 3MF расшифровывается как 3D Manufacturing Format, то есть формат для 3D-производства.

Главная цель опять-таки заключается в устранении недостатков альтернативных форматов с упором на повышение универсальности, расширение функционала и, что не менее важно, удержание объемов файлов даже с обильной информацией в более-менее приемлемом размерном диапазоне — структура оптимизирована, а готовые файлы архивируются в ZIP.

Этот формат позволяет предавать не только информацию о геометрии, цветах, материалах и текстурах, но и определенные производственные параметры, например единицы измерения, относительное положение в пространстве, отслеживание объектов и компонентов, требования к оборудованию, и так далее. Вся дополнительная информация записывается на языке XML и может быть без особого труда отредактирована вручную. По объему итоговые файлы зачастую даже меньше аналогичных STL, хотя и содержат больше полезной информации.

Из четырех перечисленных вариантов 3MF дает оптимальную комбинацию удобства и функциональности, хотя полностью заменить конкурентов ему пока не удалось, несмотря на почти десятилетие разработки и продвижения. Популярность 3MF постепенно растет, но все же ограничена в первую очередь консервативностью: многие пользователи просто привыкли к STL, к тому же расширенный функционал хоть и не мешает, но требуется не всем.

Преимущества: довольно широко распространен и продолжает набирать популярность, точно передает геометрию, позволяет хранить разнообразную вспомогательную информацию.

Недостатки: слишком сложен и избыточно функционален для большинства применений, особенно в любительской 3D-печати. Остается теоретическая возможность превращения в закрытый формат по воле разработчиков.

Какой вариант использовать? Как всегда, все зависит от поставленных задач и возможностей оборудования. Если вы печатаете на любительском 3D-принтере с одним или двумя экструдерами, старого-доброго STL волне хватит, но 3MF может более удобен при работе со сложными моделями и продвинутыми аддитивными системами. Последний особенно удобен для конструкторских бюро и студий 3D-печати, занимающихся итерационным прототипированием и мелкосерийным аддитивным производством. OBJ и AMF не теряют актуальности, но в основном востребованы в промышленном секторе.

Остались вопросы? Свяжитесь с нами, и специалисты REC будут рады предоставить подробную консультацию по выбору аддитивного оборудования, программного обеспечения и расходных материалов под конкретные задачи.