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Standards et normes de données imprimables

Standards et normes de données imprimables

par Gaëtan Lefèvre19 octobre 2016
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Depuis les premiers travaux de recherche sur ce qui allait devenir la fabrication additive dans les années 70 et le brevet de Charles W. Hull, le sujet du codage de l’information numérique permettant de piloter le processus matériel de fabrication est resté une problématique d’une brûlante actualité.

Par Jérémie Farret.

 

Tout d’abord, la question d’encoder et d’embarquer l’information numérique d’un objet matériel est un problème complexe, qui touche tout autant les domaines de la conception assistée par ordinateur, de la modélisation et simulation visuelle et géométrique, du transfert de données, que les caractéristiques mécaniques de l’équipement d’impression ainsi que les caractéristiques et limitations des consommables utilisés, ou encore la validation de la qualité de la pièce une fois produite. En conséquence, la question du format de données utilisé peut toucher des considérations métrologiques (fidélité, finition des surfaces, déformations), physiques (résistance, gradients de propriété…), de colorimétrie (l’exemple de la reproduction des tableaux d’art par fabrication additive en étant le parfait exemple). Il y a donc potentiellement une multitude de paramètres à prendre en compte, fonctionnels (la géométrie de l’objet, ses caractéristiques physiques et visuelles), mais également non fonctionnels (les réglages et modes du processus de fabrication, par exemple), qu’il convient de véhiculer dans les données imprimables.

Comme nous avons pu le voir dans la première partie (article « Vers une alternative au format STL » dans A3DM Magazine n°4), les techniques de modélisation géométriques ont également beaucoup évolué en trente ans, qu’il s’agisse de la nature des informations utilisées pour la conception des modèles tridimensionnels, ou des capacités des matériels de modélisation et de simulation, ou de la puissance de calcul pure et des capacités de simulation visuelle des systèmes graphiques modernes. Enfin, parce que les équipements d’impression 3D évoluent à un rythme soutenu et que les caractéristiques des équipements, la nature des consommables et la finesse du contrôle sur les attributs du produit fini ne cessent d’évoluer, les données numériques doivent également évoluer de façon à refléter les besoins et exigences de la communauté des utilisateurs.

Il suffit de considérer le nombre d’initiatives de normalisation qui se sont succédées, avec un succès divers, ces vingt dernières années, et de les comparer avec le format originel STL, qui est toujours et plus que jamais, en dépit de ses immenses limitations, le plus utilisé, pour prendre la mesure du défi que représente aujourd’hui la normalisation des données imprimables.

Les formats historiques

Un certain nombre de formats utilisés aujourd’hui remontent à la naissance de la fabrication additive et de l’informatique graphique. Les raisons de leur longévité sont multiples. L’une d’elles est industrielle, les fabricants d’équipements d’impression 3D ayant structuré leur activité autour d’une course aux nouvelles techniques et matériaux dans laquelle les revenus liés aux consommables ont eu longtemps une part considérable. Dans un tel contexte, les nouvelles technologies d’impression et les données numériques nécessaires pour les décrire et les contrôler (finition de surface, contrôle des matériaux ou d’impressions multimatériaux, gradients de propriété, gestion de la couleur…) ont longtemps été gardées strictement séparées des données géométriques produites par l’utilisateur, qui sont donc restées essentiellement inchangées pendant près de trente ans.

STL

Le format STL a été introduit par 3D Systems, société fondée par l’inventeur du brevet de stéréolithographie en 1986. Ce format, aujourd’hui utilisé par l’écrasante majorité des équipements d’impression 3D, ne contient que très peu de la sémantique de conception originelle. Il est lié à la représentation polygonale de la surface de l’objet, illustrée dans son acronyme signifie « Standard Triangle Language » ou « Standard Tessellation Language ». Cette représentation implique nécessairement une approximation du modèle de conception original, tel qu’illustré dans la figure 1.

1_modelisation_stl_a3dm_magazine

Voici ses limitations notables en tant que standard.

  • L’absence d’information d’échelle et le fait que les unités soient arbitraires, rendant toute métrologie des pièces imprimées impossible sur la base de l’information embarquée.
  • Des limitations importantes en terme de référentiel. (Les coordonnées doivent être positives.)
  • Le fait que le maillage soit de fait un sous-ensemble non structuré, brut de triangles, ôtant encore davantage d’informations de conception que d’autres formats polygonaux. Cette limitation est particulièrement signifiante dans des cas de géométrie erronée : triangles superposés, disjoints, problèmes de normale, etc.
  • La couleur ne fait pas partie du standard. Il existe de ce point de vue deux variations du format STL, la version VisCAM / SolidView et une version de Materialise Magics, qui sont résolument incompatibles, et dont l’identification est problématique pour les lecteurs STL qui voudraient supporter les deux encodages.

VRML et X3D

Ce format, apparu en 1994 et standardisé par ISO en 1997, n’a absolument pas été conçu pour l’impression 3D, mais pour la représentation et la communication de données tridimensionnelles, en particulier sur Internet et le World Wide Web.Toutefois, ce format avait pour avantage de proposer une représentation polygonale similaire à celle du STL, tout en supportant une représentation standardisée des informations de texture et de couleur. Pour cette raison, lorsque les fabricants d’équipements d’impression 3D ont dû proposer à leurs utilisateurs des formats 3D supportant la couleur ou la texture, certains se sont tournés vers le VRML et son successeur, le X3D. Aujourd’hui, des imprimeurs en ligne tels que Shapeways proposent toujours le VRML comme format de description de pièces imprimables en couleur. Le département américain National Institutes of Health liste également le STL et le VRML comme formats « les plus communs et universels pour l’impression 3D » et ne mentionne les nouveaux formats tels que l’AMF, par exemple, que de façon provisionnelle.

Les formats propriétaires

Très souvent, et pour des raisons que nous avons déjà abordées, les constructeurs d’équipement d’impression ont choisi de promouvoir leurs propres formats. Il peut s’agir de données venant s’ajouter aux informations STL à l’étape de préparation du travail d’impression, comme on le voit très souvent en ce qui concerne des informations sur l’optimisation de l’impression du volume de l’objet, avec la gestion des treillis / lattices, par exemple. Mais il peut également s’agir d’initiatives plus ambitieuses. À ce titre, on peut mentionner le format .form, par exemple, pour les imprimantes Form1, ou encore le format XPR, utilisé par les logiciels ZPrint et ZEdit utilisés par certaines imprimantes ZCorp.

STEP

STEP (ISO 10303) ou « Standard de l’échange de données de produit » est un standard ISO qui a pour objet d’uniformiser la représentation de la chaîne complète de production, de la conception et du développement jusqu’à la fabrication et la maintenance des produits. De par son niveau de couverture, STEP – avec son implémentation, AP242 – était en principe un candidat idéal pour la normalisation des données imprimables, puisqu’il en couvre totalement la chaîne, de la conception jusqu’à la fabrication. Dans les faits, le nombre important de participants et la complexité immense qui en a résulté a posé des problèmes rédhibitoires dans l’utilisation de STEP pour la fabrication additive. Il n’est de ce fait mentionné le plus souvent dans un contexte d’impression 3D que pour tenter d’en assurer l’export vers des formats imprimables, opération de base qui peut tout de même se révéler d’une immense complexité du fait de la nature extrêmement multiforme de ce standard.

Les formats en émergence

STEP-NC

STEP-NC (ISO 14649-238, également connu sous l’acronyme AP238), créé en 1999, étend la norme STEP pour y inclure la standardisation des phases de production par commande numérique (Computer Numerical Controlled ou CNC). Il prend la suite de la norme ISO 6983, qui introduisait la programmation en G-code permettant de décrire dans l’espace des opérations d’usinage. Ceci est particulièrement important dans le contexte de la fabrication additive, qui s’est appropriée très tôt le G-code pour décrire les opérations de dépôt de matière pour chaque tranche. Il suffit également de considérer l’existence aujourd’hui de kits pour transformer les équipements CNC en véritables imprimantes 3D pour juger de la proximité étroite qu’il y a entre ces deux types de matériels. Toutefois, et en dépit de la relative logique qu’il y aurait pour la fabrication additive à adopter STEP-NC, l’adhésion des fabricants d’équipement d’impression et des utilisateurs à ce format n’est pas encore au rendez-vous. Des outils comme AdditiveNC, qui au sein des STEP tools a pour objectif de connecter STEP-NC aux étapes de tranchage d’équipements d’impression, sont par exemple encore actuellement relativement confidentiels.

AMF

L’AMF (ISO 52915) ou « Additive Manufacturing File Format », qui a également été appelé à ses débuts « STL 2.0 », est un format de type XML qui a pour objectif de décrire la forme et la composition de n’importe quel objet imprimable par n’importe quel équipement 3D. À l’opposé de STEP-NC, il ne s’attache qu’à la représentation des informations de conception et n’intègre pas les données numériques de fabrication. Mais à l’inverse du STL, il propose un format natif de la couleur, des matériaux, des treillis / lattices et des constellations. Il propose optionnellement, la gestion de patchs triangulaires courbés, avec l’objectif de compresser l’information et / ou d’améliorer le niveau de fidélité des données imprimables vis-à-vis des modèles de conception, comme l’illustré la figure ci dessous.

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La description de la couleur et des attributs solides en particulier est bien mieux supportée que dans le cas du STL ou même du VRML / X3D et intègre les textures solides ainsi que des techniques de description des densités de matières (vides également) qui sont tout à fait compatibles avec des approches de description de type NDCode, par exemple. Celles-ci sont relativement puissantes et permettent en théorie l’import de données voxel, la traduction de représentations CSG simples (mais pas CSG), la génération dynamique de treillis / lattices et autres gradients de densité. Cela permet notamment le support des matériaux à gradient de fonctionnalité (Functionally Graded Materials ou FGM), domaines particulièrement porteurs à l’heure actuelle.

Créé sur la base d’ambitions larges et de fonctionnalités innovantes, le format AMF n’a probablement pas encore rencontré les niveaux d’adhésion auxquels il pouvait prétendre. Les raisons en sont multiples et complexes.

  • Souvent mentionné par les utilisateurs non industriels (chercheurs, makers…), le fait que le format, bien que standard ISO depuis sa version 2013, n’est pas gratuitement disponible à l’ensemble de la communauté des utilisateurs représente probablement un certain frein pour les plus petits acteurs de l’impression 3D, à relativiser toutefois du fait du faible coût du document.
  • Au niveau industriel, le support très timide des constructeurs de matériel et des éditeurs de logiciel a certainement été un frein à la diffusion du standard. Les raisons de ce délai sont multiples, mais parmi celles-ci on peut très certainement lister les freins à l’interopérabilité des équipements d’impression 3D déjà évoqués et donc les raisons concurrentielles qui ont permis jusqu’ici de donner au STL sa longévité exceptionnelle.
  • L’attention donnée au AMF lors de sa sortie en tant que « STEP 2.0 », qui s’est cristallisée sur l’introduction des patchs curvilignes, fonctionnalité optionnelle de la norme dont le niveau d’adoption s’est finalement avéré restreint. Les évolutions majeures en termes de texture solide, treillis / lattices, ou de représentation fonctionnelle ont par comparaison bénéficié d’une moindre exposition.
  • Le fait que certaines portions du standard soient relativement moins bien supportées par les logiciels de référence disponibles tels qu’AMFtools. On peut mentionner à ce titre les fonctionnalités de représentation fonctionnelle ou de textures solides, par exemple. Ce problème a pu entraîner des conséquences en termes d’adhésion de certains secteurs qui utilisent ces types de données extensivement, tels que celui de la santé.

Aujourd’hui, le support des fonctionnalités de modélisation et de texture solide trouve un regain d’intérêt du fait des techniques d’impression 3D émergentes qui supportent par exemple les gradients de propriétés ou la résolution voxel. De nouvelles activités, telles que celles du groupe de travail ASTM sur la modélisation solide (ASTM WK48549), maintenant activité de normalisation ISO (ISO/TC 261 JG 64), s’attachent aujourd’hui à permettre et à faciliter l’utilisation de ces fonctionnalités théoriques de l’AMF et à les promouvoir au travers d’un document guide. Cette activité est menée via le concours de représentants de secteurs d’activités divers, partageant les problématiques de l’imagerie médicale, de la métallurgie, des matériaux à gradient fonctionnel, des tests non destructifs et des mécanismes de traçabilité et d’identification/authentification.

3MF

Le « 3D Manufacturing Format » ou 3MF est un format de fichier développé par un consortium industriel. Comme l’AMF, il s’ait d’un format de fichier basé sur XML. Comme l’AMF, il a pour objectif d’ajouter la représentation des couleurs, des matériaux et de toute autre information de conception imprimable qui n’est pas traduisible à l’heure actuelle dans le format STL. Il existe de très grandes similitudes entre les formats AMF et 3MF, à tel point que courant juin 2016, une liaison a été établie entre ASTM, éditeur avec ISO/TC 261 de la norme AMF, et le consortium 3MF. Il y a toutefois un certain nombre de différences fondamentales.

  • La spécification est disponible publiquement.
  • Elle bénéficie d’un engagement d’acteurs majeurs parmi les constructeurs de matériels d’impression 3D et les éditeurs de logiciels de conception, qui sont d’ores et déjà membres du consortium.
  • Elle ne propose pas d’étendre les principes d’encodage de la représentation polygonale utilisée aujourd’hui dans le format STL, ce qui constitue tout à la fois une simplification et une limitation au regard des considérations présentées dans la première partie de l’article.

En revanche, la spécification est encore jeune et les aspects de treillis / lattices ou texture solide sont peu ou pas développés dans la documentation actuellement disponible, alors qu’il s’agit d’éléments fondamentaux pour l’interopérabilité avec certains formats solides et domaines industriels d’application. Il est difficile à l’heure actuelle de juger du devenir de cette nouvelle norme.

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La figure ci-dessus résume graphiquement les standards présentés. En couleur vive, les standards conçus pour l’impression 3D, en pastel, les standards qui ne le sont pas. Les standards publics historiques (qui ont plus de dix ans) sont présentés en vert, les standards récents en jaune (moins de dix ans) et, en bleu, les initiatives industrielles (consortiums). On y voit la limitation du STL et du VRML, la couverture très étendue du STEP et du STEP-NC, mais avec le problème d’une conception non spécifique à l’impression 3D. L’AMF a actuellement une couverture fonctionnelle bien plus importante que le 3MF, d’autant plus que des initiatives sont en cours concernant les tests non destructifs, la sécurité… ainsi que des échanges sur des éléments comme les tolérances et dimensionnements (ou GD&T, couverts par ASME Y14.5, par exemple). À titre d’exemple, le positionnement revendiqué par le NDCode présenté dans la première partie de l’article est illustré à la droite du schéma.

Un exemple concret

Des travaux préparatoires menés avec le concours de Quick Prod, spécialiste français de l’impression 3D pour la fabrication par cire perdue de pièces de joaillerie dans le contexte des standards et de la modélisation mathématique d’objets imprimables, permettent d’illustrer les problématiques de standards de données. En utilisant la représentation polynomiale NDCode introduite dans le numéro d’A3DM Magazine précédent (du type F-Rep supporté par AMF 1.2, bien que d’un degré supérieur), il a été possible d’encoder avec une précision exacte en format NDCode un modèle complexe, occupant moins d’un kilo octet, contre plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de méga octets pour une représentation STL de qualité inférieure. Il est alors possible de le transférer numériquement (ici du Canada vers la France), de le traduire dans une représentation consommable par le matériel cible, de faire une impression 3D en cire puis de produire la pièce en argent comme sur la figure ci-dessous.

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Cet exemple illustre bien l’avantage qu’il y a à faire évoluer les standards d’impression 3D, qu’il s’agisse de qualité, de stockage, de transfert ou de sécurité.

Des technologies nouvelles qui poussent les normes à se réinventer

La problématique de la simulation et du test non destructif

Les applications industrielles de la fabrication additive ont besoin de processus de contrôle de qualité produit performants, en particulier en termes de métrologie mais également de test non destructif. Ces processus sont de grands consommateurs d’analyses non destructives (gammahertz, tomographie, acquisition laser…). La capacité à réintégrer le résultat de ces analyses, c’est-à-dire des données de type multislice ou voxel, dans les données de fabrication est un excellent moyen de contrôler la performance de la chaîne de fabrication.

Les applications du domaine de la santé, et en particulier l’orthopédie, utilisent la fabrication additive pour adapter prothèses, orthèses et supports à la physiologie du patient, et cette physiologie est représentée par des données solides, là aussi de type multi-slice ou voxel. Pour ces deux domaines industriels, la capacité à gérer les textures solides et à importer les données multi-slice ou voxels apparaît comme absolument fondamentale.

Les matériaux à gradients de fonctionnalité

Les matériaux à gradient de fonctionnalité (« functionally graded materials » ou FGM) demandent pour leur fabrication par impression 3D d’introduire un contrôle fin de leur densité. C’est l’objectif des fonctionnalités de contrôle de lattices et de texture volumique d’AMF, par exemple, de supporter ce type de gradient de fonctionnalité, qu’il s’agisse de rigidité, d’opacité, de caractéristiques thermiques, etc. Ici aussi, qu’il s’agisse d’avionique, de formule 1 ou autres, les applications industrielles des gradients de fonctionnalité rendent essentiel le support des textures solides et des imports de représentations tels que la tomographie ou le voxel pour les standards d’impression 3D.

Les considérations de sécurité

Un modèle numérique imprimable véhicule une grande partie, si ce n’est la totalité, de la propriété intellectuelle et technique associée à un produit. Pour cette raison, les considérations de sécurité sont absolument essentielles en matière d’impression 3D. Pour autant, ces considérations sont quasi absentes à la fois des normes historiques et des standards émergents. Des initiatives tentent d’introduire et d’implanter ces notions dans les standards. À ce titre, par exemple, le 3MF positionne le cryptage, à défaut de l’implanter. L’AMF fait mention à des champs ou méta-informations permettant d’identifier la source des données. Il existe également ponctuellement des échanges entre normes de sécurité et traçabilité et activités de normalisation de l’impression 3D. Par ailleurs, des activités de liaison inter normes, entre ISO/TC 261 (impression 3D) et ISO/TC 292 (sécurité et résilience), par exemple, sont en cours. On ne peut que souhaiter que ces convergences se développent, dans l’intérêt même des utilisateurs de la fabrication additive.

Il est à noter qu’ici également, pour concevoir et implémenter des mécanismes de marquage et d’identification des objets imprimables, qu’il s’agisse de composants additionnels (RFID et autres dispositifs similaires) ou structurellement ajoutés à la modélisation géométrique de la pièce, les fonctionnalités de support des textures solides ou de représentation volumique s’avèrent une nouvelle fois incontournables.

Première partie de l’article, « Vers une alternative au format STL« .

Auteur

Jérémie Farret, secrétaire du sous-comité ASTM F42-04 de conception et responsable du groupe WK48549 sur le Support de la Modélisation Solide au sein du comité ASTM F42 – Fabrication Additive, expert technique mandaté par la délégation canadienne au comité technique ISO/TC 261 – Fabrication Additive, responsable du groupe JG64 sur le Support par AMF de la Modélisation Solide (jeremie.farret@llgeometry.com).

Crédit photos : Llgeometry

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