Guia geral completo sobre o ficheiro STL

STL, abreviatura de "Stereolithography" (estereolitografia), é um formato de ficheiro popular para Impressão 3D e CAD. Representa um objeto 3D como uma coleção de triângulos ou polígonos que definem a forma da sua superfície. O tipo de ficheiro STL tem os seguintes acrónimos: Standard Tessellation Language ou Standard Triangle Language.

O STL simplifica formas complexas em faces triangulares, tornando-as facilmente compreensíveis para as impressoras 3D. Quanto mais complicado for o desenho, mais triângulos são utilizados, aumentando assim a resolução.

A caraterística distintiva de uma imagem STL é a sua extensão de ficheiro .stl e a ausência de cor e textura.

História do formato de ficheiro STL

Foi criado em 1987 pela 3D Systems. O formato STL ganhou rapidamente atenção como o padrão da indústria para o seu programa CAD estereolitográfico. O STL foi criado para a impressão 3D e manteve-se relevante devido à sua simplicidade. É por isso que é maioritariamente utilizado na impressão e modelação 3D. Em 2009, foi introduzida uma versão actualizada do formato de ficheiro STL, o STL 2.0.

Apesar da sua simplicidade, a relevância do STL na indústria da impressão e modelação 3D perdurou.

Vantagens dos ficheiros STL no fabrico digital e no CAD

Os fabricantes digitais dependem fortemente dos ficheiros STL, que permitem aos designers conceber, partilhar e imprimir protótipos. Os ficheiros STL funcionam como uma ponte entre os modelos 3D e os objectos físicos em CAD. Esta simplicidade torna os ficheiros STL indispensáveis para indústrias como a aeroespacial e a medicina, que necessitam frequentemente de peças complexas.

Como funcionam os ficheiros STL

Os ficheiros STL codificam principalmente a geometria da superfície de um objeto 3D, utilizando um processo conhecido como "Tesselação".

A tesselação é uma técnica que simplifica superfícies complexas em polígonos mais simples e planos. Nos ficheiros STL, estes polígonos têm a forma de um triângulo. Em 1987, Chuck HullAlbert Consulting Group, o inventor da estereolitografia, precisava de uma forma de enviar modelos CAD 3D para a sua impressora 3D. O Albert Consulting Group resolveu este problema utilizando tesselações da superfície do modelo 3D para codificar a informação.

i) Aproximação da superfície

Na tesselação, mesmo as superfícies curvas, como os cilindros e as esferas, são representadas por uma série de triângulos em malha. Quanto mais suave for a aproximação da superfície curva, mais triângulos são necessários. No entanto, isto também aumenta o tamanho do ficheiro e a complexidade computacional, resultando em compromissos entre desempenho e resolução.

ii) Triângulos no espaço 3D

Um triângulo tem três vértices e cada vértice tem uma coordenada x, y e z no espaço 3D. Os vértices formam os cantos do triângulo que se juntam de uma aresta a outra e criam a superfície geral do objeto.

iii) Criação de malhas

A estrutura do ficheiro STL é constituída por triângulos que formam uma malha triangular que representa o mapa digital da superfície do objeto. São suficientemente pequenos para permitir uma aproximação exacta da forma original, mas simples de processar pelas impressoras 3D ou pelo software.

iv) Controlo da resolução

A resolução do modelo é indicada pelo número de triângulos utilizados na tesselação. Um maior número de triângulos resulta num modelo mais preciso e detalhado, mas aumenta o tamanho do ficheiro e as exigências do processo. Pelo contrário, um número reduzido de triângulos simplifica o modelo, mas pode fazer com que as curvas pareçam em blocos ou facetadas.

v) Representação STL

Nos ficheiros STL, os triângulos são úteis porque são mais fáceis de calcular e de trabalhar para a impressão 3D. Cada triângulo tem um vetor normal associado que mostra a direção para a qual a superfície está virada. Isto ajuda as impressoras 3D a compreender como construir o objeto camada a camada.

Tipos de ficheiros STL binários vs ASCII

O ficheiro STL apresenta-se em dois formatos principais: codificação ASCII e codificação binária.

Ficheiros STL ASCII

Os ficheiros STL ASCII são legíveis por humanos e fornecem uma descrição em texto simples da orientação e posição de cada triângulo. Embora sejam mais fáceis de depurar e ler, são maiores do que os ficheiros binários.

Por exemplo, um ficheiro de maiores dimensões pode tornar-se impraticável no caso de modelos complexos. Um modelo 3D simples pode ter 1 MB em formato binário mas, quando convertido em ASCII, sobe para 5-10 MB, o que dificulta a transferência de ficheiros e o seu processamento. Se estiver a trabalhar com uma impressora 3D ou Software CADO programa deve ler e interpretar cada linha. Devido ao seu tamanho, demora mais tempo a carregar modelos especialmente complexos, atrasando as etapas.

Os ficheiros STL ASCII começam com a palavra-chave "solid" e contêm uma série de definições de "faceta". Cada faceta é composta por três vértices e um vetor normal.

Ficheiros STL binários

Os ficheiros STL binários são a escolha preferida em várias aplicações porque são compactos e eficientes. Aceleram o processamento e reduzem o tamanho do ficheiro de informações semelhantes. Ao lidar com projectos de grande escala, como protótipos complexos ou tipos industriais, as empresas trabalham com centenas de ficheiros por dia. Os ficheiros pequenos de STL binário reflectem downloads e uploads rápidos, reduzindo o consumo de largura de banda. Além disso, algumas operações, como a renderização e o corte para impressão 3D, resultam num tempo de processamento mais rápido.

Os ficheiros binários são facilmente geridos por software 3D moderno. As ferramentas de edição e de verificação de erros, como o MeshLab e o Netfab, podem tratar estes ficheiros sem esforço.

Os ficheiros STL binários começam com um cabeçalho de 80 bytes. Seguem-se números inteiros sem sinal de 4 bytes que representam o número de triângulos no ficheiro. Cada triângulo tem 12 bytes para a normal e 36 bytes para os vértices (3 vértices)

Criação e exportação de ficheiros STL

Alguns programas CAD populares permitem aos utilizadores criar e exportar ficheiros STL. Os mais famosos são:

SolidworksO software de modelação 3D é o mais utilizado por engenheiros e profissionais na modelação 3D. Fornece capacidades avançadas, como simulações e análises incorporadas para testar projectos antes da impressão. Oferece opções de exportação STL abrangentes, como o controlo do formato (ASCII ou Binário) e da resolução.

Tinkercad: Possui interfaces de arrastar e largar para facilitar a criação de modelos 3D. Adequado para principiantes e educadores que não têm experiência prévia em design. Oferece exportação direta para o formato STL.

Fusion 360: uma ferramenta popular para CAD 3D, CAM e CAE, é útil na conceção e engenharia de produtos. Oferece funcionalidades de modelação robustas, como a escultura e o design paramétrico.

Para além destas opções, várias outras ferramentas CAD, incluindo o FreeCAD, o SketchUp e o Blender, também são capazes de exportar ficheiros STL.

Criação e exportação de um ficheiro STL

1. Abra o Solidworks ou o Tinkercad, consoante a aplicação CAD da sua preferência.
2. Criar o modelo ou desenho com ferramentas do software.
3. Guardar e exportar o desenho - uma função de gravação automática permite guardar facilmente um ficheiro STL criado pelo software e exportá-lo para o computador. No entanto, antes de exportar, verifique a uniformidade do modelo, os orifícios nas peças e as dimensões. Verifique a resolução; em caso de baixa resolução, os triângulos aparecerão na superfície do modelo após a impressão. Ajuste o nível de tolerância para um valor elevado, de modo a que os ficheiros STL possam ser impressos sem problemas. 

Parâmetros como o ângulo e a altura da corda dão a distância entre a impressão 3D e a superfície CAD. Idealmente, a altura da corda é 1/20^th o tamanho da superfície de impressão. Comprimento da corda inferior a 1 mícron, mas não demasiado baixo, e tolerância angular de 15⁰.

• Escolher um programa de corte - O Cura é o cortador de código aberto mais utilizado da Ultimaker, uma vez que é mais fácil e flexível de utilizar.
• Carregue o ficheiro e converta-o num ficheiro Código G (linguagem de impressão) utilizando o seu software de corte preferido.

Ficheiro STL Regra especial

1. Regra de orientação

Esta regra define como a direção de cada triângulo (faceta) é influenciada pelo seu vetor nominal. Este vetor mostra a direção para a qual o triângulo está virado e ajuda a determinar o interior e o exterior do objeto. O vetor normal aponta para longe da superfície, mostrando o exterior da impressora 3D. A orientação incorrecta da normal altera a interpretação das caraterísticas, resultando em erros de impressão.

Os vértices seguem a regra da mão direita, em que o polegar aponta para a direção da normal e os dedos para a direção dos vértices. Isto segue a ordem anti-horária.

2. Regra dos vértices

Esta regra estabelece que cada triângulo deve partilhar dois vértices com os triângulos Adjacentes a ele. Isto garante que os triângulos são posicionados com exatidão e é fundamental para a renderização de bots e o bom funcionamento da impressão 3D.

3. A regra do octante positivo

De acordo com esta regra, todas as coordenadas dos vértices dos triângulos devem ser positivas. Isto restringe todo o modelo 3D ou o primeiro octante do sistema de coordenadas 3D à área onde todas as coordenadas são positivas. Isto simplifica o desenho e poupa espaço. Esta abordagem simplifica a modelação em contextos específicos, mas não é um requisito para todos os ficheiros STL.

4. A regra de ordenação dos triângulos

Com base na regra de ordenação de triângulos, a disposição dos triângulos é feita por ordem crescente das suas coordenadas z. Este formato simplifica o processo de corte de modelos 3D, resultando numa preparação mais rápida e eficaz para a impressão 3D.

Otimização de ficheiros STL para impressão 3D

O formato de ficheiro STL recria parcialmente a superfície de um modelo CAD, produzindo uma malha adequada para a impressão 3D. No entanto, a otimização é essencial para garantir resultados óptimos. A resolução do ficheiro STL afecta significativamente a qualidade da impressão. Mais triângulos significam maior resolução e superfícies suaves, mas aumentam o tamanho dos ficheiros. A redução do número de polígonos através da fusão de vértices ou da redução de polígonos desnecessários alivia a carga. O software de corte considera-o mais fácil de processar e regista poucos erros. Por fim, para que o processo decorra sem problemas, é necessário garantir um modelo estanque, sem lacunas ou colectores. Manter um equilíbrio entre qualidade e tamanho é fundamental para otimizar os ficheiros STL.

Alternativas aos ficheiros STL

Embora os ficheiros STL sejam uma opção comum para a impressão 3D, poucas alternativas oferecem melhores caraterísticas e funcionalidades.

STL vs OBJ

Os ficheiros STL são amplamente utilizados na impressão 3D. Utilizam o princípio das malhas triangulares para codificar a geometria. O ficheiro OBJ, por outro lado, é utilizado principalmente para digitalização 3D. Combina diferentes polígonos num único ficheiro para representar a superfície.

 O quadro ilustra as comparações.

STL vs STEP

Neste caso, os ficheiros STL armazenam apenas a geometria da superfície através de malhas triangulares, resultando em ficheiros leves e fáceis de processar. Os ficheiros STEP são muito mais abrangentes. Retêm a intenção do projeto e podem guardar os modelos como entidades individuais, o que resulta numa maior precisão e em curvas mais suaves

Segue-se um quadro comparativo:

STL vs 3MF

A impressão 3D prefere os ficheiros STL devido à sua simplicidade e compatibilidade. O ficheiro 3MF (formato de fabrico 3D) é baseado em XML e mais avançado porque contém todas as informações necessárias para imprimir um objeto.

Segue-se um quadro comparativo;

STL vs código G

O ficheiro STL destina-se à impressão 3D. O software de corte 3D ajuda-o a comunicar com a impressora para a impressão. Comparativamente, o formato de ficheiro G-code é um conjunto de instruções que orientam o processo de impressão. Comum em máquinas de corte, como moinhos e tornos.

Segue-se uma comparação entre os dois formatos.

Conclusão

O formato de ficheiro STL tem sido como as plantas digitais do mundo da impressão 3D. Apesar da sua simplicidade e da rápida tradução de modelos digitais para um formato imprimível, tem as suas limitações. Independentemente das funcionalidades avançadas dos formatos mais recentes, o STL continua a ser uma opção de eleição para muitos designers. No entanto, é sempre importante escolher o formato de ficheiro de acordo com a intenção do ficheiro 3D.