CN104494148A - 一种快速成型领域多材料的表达与转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速成型领域多材料的表达与转换方法，本发明利用不同的颜色代表不同的材料，实现颜色空间到材料空间的转换。具体方案是运用彩色打印机的颜色识别原理，由不同的颜色代表不同的材料，由多颜色组成的混合色代表多材料构成的复合材料。运用彩色打印机原理，用不同材料代替打印机的不同颜料，“打印”多材料的“平面”，通过多材料平面逐层累积构成三维实体，实现多材料的快速成型制造。

Description

一种快速成型领域多材料的表达与转换方法

技术领域

本发明涉及一种快速成型领域多材料的表达与转换方法。

背景技术

快速成形技术(Rapid Prototyping，简称RP)是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。首先设计出所需零件的计算机三维模型(数字模型、CAD模型)，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散(通常称为分层)，把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片，这些层片在不断在Z方向累积，得到一个三维空间物理实体。

单一材料的快速成型，只需要把成型实体的三维几何信息传递给计算机，计算机按照三维几何模型，在相对应的三维空间将材料成型，即可完成快速成型。但是在多材料快速成型中，成型件不仅在三维空间各个位置的几何结构不同，同时在不同的空间点，其成型材料也可能不同，这就不仅需要定义成型点的几何属性，同时需要定义成型点的材料属性。如图1所示，制作一个圆锥体，如果是单一材料，只需要定义圆锥体空间的几何参数，计算机辅助快速成型系统即可以通过圆锥体在空间每个点的坐标，完成圆锥体的制备。如果是多材料成型，则需要每个空间点的几何坐标与对应的材料特征，也即材料空间坐标，这样快速成型系统才能够在相应的空间点成型出相应的材料。如图2所示，三维几何空间坐标为X、Y和Z，三维物质空间坐标为x、y和z，物质空间的维数也可以是二维也即两种材料，也可以是多维的即由多种材料组成。

目前，快速成型形态多材料表达尚没有成熟实用的方法，很多研究通过复杂的算法，将材料信息叠加在几何信息中。这些方法在多材料表达的设计以及后续的多材料制备等方面，涉及到的软硬件均极复杂。

发明内容

本发明提供一种快速成型领域多材料的表达与转换方法。

本发明之方法利用不同的颜色代表不同的材料，实现颜色空间到材料空间的转换；运用彩色打印机的颜色识别原理，由不同的颜色代表不同的材料，由多颜色组成的混合色代表多材料构成的复合材料；运用彩色打印机原理，用不同材料代替打印机的不同颜料，“打印”多材料的“平面”，通过多材料平面逐层累积构成三维实体，实现多材料的快速成型制造。

颜色空间(RGB color space)是对色彩的一种描述方式，定义有很多种，区别在于面向不同的应用背景。在计算机中编程R、G和B(红、绿和蓝)三种颜色每一个分量值都用8位(bit)表示，可以产生256*256*256＝16777216种颜色，这就是经常所说的“24位真彩色”。

利用颜色空间的色彩表达来实现物质空间的材料表达，完成物质空间和颜色空间的转换。对于一个由多种材料构成的实体，可以将实体不同的材料，变换成不同的颜色来表达，颜色和材料一一对应，这样就可以由三种不同的颜色来代表不同的材料，如图3的红、蓝、绿代表图4中的的铝、镁和锌。

打印机要将彩色图像打印出来，还需要进行色彩转换。色彩转换是彩色图像数据与设备独立的色彩空间的桥梁，软件驱动程序首先把计算机的图5所示的R、G和B表示转换成打印机所使用的图6所示的C、M和Y(洋红、青和黄色)表示，这个转换过程确定了打印所要得到的颜色时每一种原色墨水的相对使用量。随后，软件驱动程序使用一个叫做半色调(Halftoning)的过程，把C、M和Y表示转换成一系列彩色打印头喷嘴的开/关命令(每一种颜色有一组喷嘴)，通过在平面喷出各种颜色，形成单一的色彩或者由三种基本颜色混合形成的新的色彩。最终将含有多种色彩的彩色图像打印出来。这样就实现了几何空间和颜色空间的识别、转换与实施，在平面上打印出包括几何构型与颜色组合的彩色图像。

完成了这种转换，我们就可以仿照彩色打印机打印色彩原理，在二维平面“打印”由多种材料组成的平面“图像”。这种“图像”实际上是具有一定厚度的涂层，将这种具有一定厚度的薄层一层层累积起来，将会形成一个三维实体。在多材料快速成型系统中，彩色打印机的三种颜色，由三种不同的材料代替，如图7所示。三维快速成型时，在几何空间的不同位置，施加不同的材料，即可完成多材料的三维实体打印。

快速成型中多材料表达的设计：

假设多材料成型系统由三种材料组成，分别以A、B和C表示，要成型的实体的某一个切面的材料组成如图8所示，图中的区域1，由材料A构成；区域2由30％材料A和70％材料B复合构成；区域3由20％材料A、30％材料B及50％材料C组成。

以红色代表材料A，以绿色代表材料B，以蓝色代表材料C。

区域1由单一的材料A组成，转换成颜色空间也就是由单一的红色组成。打开图形软件的颜色编辑器，将红色数值设置为255(颜色由8位二进制数值表示，最大值为255对应百分制的100％)，绿色和蓝色设置为0，即可形成纯红色，如图9所示。

区域2由30％材料A和70％材料B组成，转换成颜色空间就是由30％的红色和70％的绿色组成。打开图形软件的颜色编辑器，将红色数值设置为76(30％)，绿色设置为179(70％)，蓝色数值设置为0，即可形成30％红色与70％绿色组成的复合色，如图10所示。

区域3由20％材料A、30％材料B及50％的材料C组成，转换成颜色空间就是由20％的红色、30％的绿色及50％的蓝色组成。打开图形软件(如微软画图软件)的颜色编辑器，将红色数值设置为51(20％)，绿色设置为76(30％)，蓝色数值设置为128(50％)，即可形成20％红色、30％绿色及50％蓝色组成的复合色，如图11所示。将区域1、2和3分贝填充以图9、图10和图11的颜色，即完成了材料空间到色彩空间的转换，即由色彩信息来表达材料信息，如图12所示。

附图说明

图1是三维几何空间和单一材料图。

图2是三维几何空间与三维材料空间图。

图3是三基色及其合成色图。

图4是三种材料及其复合材料图。

图5是计算机图形使用的红绿蓝三基色R、G、B。

图6是打印机将三基色转换后形成的洋红、黄和青三原色C、M、Y。

图7是由三种材料组成的喷头示意图。1材料A，2材料B，3材料C

图8是多材料的表达与设计示意图。由A、B和C三种材料构成的复合材料，分别以红绿蓝三种颜色代表ABC三种材料，进行多材料表达设计。

图9是100％红色的颜色设计。

图10为30％红色与70％绿色组成的复合色设计。

图11为20％红色、30％绿色及50％蓝色组成的复合色设计。

图12为由色彩信息来表达材料信息图。

具体实施方式

本发明之方法利用不同的颜色代表不同的材料，实现颜色空间到材料空间的转换；运用彩色打印机的颜色识别原理，由不同的颜色代表不同的材料，由多颜色组成的混合色代表多材料构成的复合材料；运用彩色打印机原理，用不同材料代替打印机的不同颜料，“打印”多材料的“平面”，通过多材料平面逐层累积构成三维实体，实现多材料的快速成型制造。

颜色空间(RGB color space)是对色彩的一种描述方式，定义有很多种，区别在于面向不同的应用背景。在计算机中编程R、G和B(红、绿和蓝)三种颜色每一个分量值都用8位(bit)表示，可以产生256*256*256＝16777216种颜色，这就是经常所说的“24位真彩色”。

利用颜色空间的色彩表达来实现物质空间的材料表达，完成物质空间和颜色空间的转换。对于一个由多种材料构成的实体，可以将实体不同的材料，变换成不同的颜色来表达，颜色和材料一一对应，这样就可以由三种不同的颜色来代表不同的材料，如图3的红、蓝、绿代表图4中的的铝、镁和锌。

打印机要将彩色图像打印出来，还需要进行色彩转换。色彩转换是彩色图像数据与设备独立的色彩空间的桥梁，软件驱动程序首先把计算机的图5所示的R、G和B表示转换成打印机所使用的图6所示的C、M和Y(洋红、青和黄色)表示，这个转换过程确定了打印所要得到的颜色时每一种原色墨水的相对使用量。随后，软件驱动程序使用一个叫做半色调(Halftoning)的过程，把C、M和Y表示转换成一系列彩色打印头喷嘴的开/关命令(每一种颜色有一组喷嘴)，通过在平面喷出各种颜色，形成单一的色彩或者由三种基本颜色混合形成的新的色彩。最终将含有多种色彩的彩色图像打印出来。这样就实现了几何空间和颜色空间的识别、转换与实施，在平面上打印出包括几何构型与颜色组合的彩色图像。

完成了这种转换，我们就可以仿照彩色打印机打印色彩原理，在二维平面“打印”由多种材料组成的平面“图像”。这种“图像”实际上是具有一定厚度的涂层，将这种具有一定厚度的薄层一层层累积起来，将会形成一个三维实体。在多材料快速成型系统中，彩色打印机的三种颜色，由三种不同的材料代替，如图7所示。三维快速成型时，在几何空间的不同位置，施加不同的材料，即可完成多材料的三维实体打印。

快速成型中多材料表达的设计：

假设多材料成型系统由三种材料组成，分别以A、B和C表示，要成型的实体的某一个切面的材料组成如图8所示，图中的区域1，由材料A构成；区域2由30％材料A和70％材料B复合构成；区域3由20％材料A、30％材料B及50％材料C组成。

以红色代表材料A，以绿色代表材料B，以蓝色代表材料C。

区域1由单一的材料A组成，转换成颜色空间也就是由单一的红色组成。打开图形软件的颜色编辑器，将红色数值设置为255(颜色由8位二进制数值表示，最大值为255对应百分制的100％)，绿色和蓝色设置为0，即可形成纯红色，如图9所示。

区域2由30％材料A和70％材料B组成，转换成颜色空间就是由30％的红色和70％的绿色组成。打开图形软件的颜色编辑器，将红色数值设置为76(30％)，绿色设置为179(70％)，蓝色数值设置为0，即可形成30％红色与70％绿色组成的复合色，如图10所示。

区域3由20％材料A、30％材料B及50％的材料C组成，转换成颜色空间就是由20％的红色、30％的绿色及50％的蓝色组成。打开图形软件(如微软画图软件)的颜色编辑器，将红色数值设置为51(20％)，绿色设置为76(30％)，蓝色数值设置为128(50％)，即可形成20％红色、30％绿色及50％蓝色组成的复合色，如图11所示。将区域1、2和3分贝填充以图9、图10和图11的颜色，即完成了材料空间到色彩空间的转换，即由色彩信息来表达材料信息，如图12所示。

Claims (1)

1.一种快速成型领域多材料的表达与转换方法，该方法是：利用不同的颜色代表不同的材料，实现颜色空间到材料空间的转换；运用彩色打印机的颜色识别原理，由不同的颜色代表不同的材料，由多颜色组成的混合色代表多材料构成的复合材料；运用彩色打印机原理，用不同材料代替打印机的不同颜料，“打印”多材料的“平面”，通过多材料平面逐层累积构成三维实体，实现多材料的快速成型制造。