CN106553345A - 一种多材料3d物体的打印方法及打印控制装置 - Google Patents

一种多材料3d物体的打印方法及打印控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多材料3D物体的打印方法，包括以下步骤：a.基于目标物体的每组区域信息随机生成至少一组区域打印数据，则根据所述目标物体每层的多组所述区域信息对应生成层打印数据，多组所述层打印数据形成3D物体打印数据；b.基于所述3D物体打印数据进行逐层打印；c.将所述步骤b中的逐层打印成果叠加形成3D物体。使用本发明打印生成的3D物体材质均匀，拓宽了使用喷墨打印技术制造3D物体的应用范围，实现了同一3D物体不同区域之间材料的平滑过渡。

Description

一种多材料3D物体的打印方法及打印控制装置
技术领域
本发明涉及快速成型技术，尤其涉及采用喷墨打印头进行逐层加式制造3D物体的技术，特别是一种多材料的3D物体的打印方法及打印控制装置。
背景技术
快速成型技术又称快速原型制造技术，是在计算机控制下基于离散/堆积的原理，将物体的物理形状通过造型软件或三维扫描仪转化为三维数字立体模型，并用该模型生成STL文件，用分层软件将此模型在Z轴离散，形成一系列具有相同厚度或不同厚度的薄片，然后利用熔融沉积技术(FDM技术)、立体光刻技术(SLA技术)、选择性激光烧结技术(SLS技术)或叠层成型技术(LOM技术)等将这一系列的薄片逐层加工堆积起来，最后经过后处理得到3D图像。
相较于传统的SLA、SLS和LOM技术，多喷立体打印技术(MJP技术)是根据喷墨打印机的工作原理，在数字信号的激励下使喷嘴腔室中的液体(成型材料和/或制成材料)在瞬间形成液滴，并以一定的速度和频率从喷嘴中喷出，按指定路径逐层固化成型，最终得到3D图像，使用MJP不需要昂贵的激光系统，因此设备价格便宜，运行和维护成本也很低；相较于FDM技术，使用MJP技术可以在更低的温度下工作；而且MJP技术还具有操作简单、成型速度快、适用的材料种类多、成型件的精度高，可在办公环境下使用等优点，因此MJP技术是目前快速成型技术研究的热点之一。
现有的MJP技术多用于打印单一材料的3D物体，少数用于打印含有多种材料(至少两种材料)的3D物体。在现有的采用MJP技术打印多材料3D物体时有如下两种方案：
方案一：根据多材料3D物体的各部分的材质事先选好对应的材料，在进行喷墨打印过程中打印头喷嘴根据各部分的材质将选好的材料进行分配，逐层叠加形成3D物体。方案一的缺陷是：由于每个打印头对应一种打印材料，而打印头的数量是有限的，相应的采用方案一打印多材料3D物体所能选择的材料种类的数量有限，同时采用此方案打印需要根据3D物体的各部分的材质分别对应单独开发不同的材料，这样大大增加了人力成本以及制造成本。
方案二：与方案一不同的是，方案二并不需要根据3D物体的各部分的材质事先单独开发多种打印材料，而是根据多材料3D物体的各部分的材质选好多种基础喷墨打印材料，在实际的打印过程中，多种基础喷墨打印材料按照不同比例混合从而形成不同种类的打印材料，不同种类的打印材料对应多材料3D物体的各部分的材质。方案二在方案一的基础上做了改进，但仍然存在缺陷：采用方案二打印形成的3D物体在水平方向或垂直方向存在材料分布不均匀的情况，同时多种基础喷墨打印材料的混合比例也不是任意的，不能满足个性化设计的需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，根据本发明的一个方面，提供一种多材料3D物体的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.基于目标物体的每组区域信息随机生成至少一组区域打印数据，则根据所述目标物体每层的多组所述区域信息对应生成层打印数据，多组所述层打印数据形成3D物体打印数据；
b.基于所述3D物体打印数据进行逐层打印；
c.将所述步骤b中的逐层打印成果叠加形成3D物体。
优选地，对所述至少一组区域打印数据分别进行随机性测试，将其中Y组随机性测试不合格的区域打印数据舍弃，并重新随机生成Y组区域打印数据，其中Y≥0。
优选地，所述随机性测试按照如下方式执行：每生成一组所述区域打印数据后接着执行一次随机性测试。
优选地，采用游程检验法进行随机性测试。
优选地，每组所述区域信息至少包括所述区域信息的对应区域所包含的像素点数量N、包含的材料种类M以及各材料所占的比例，其中，所述M种材料与所述区域打印数据相关联，所述M种材料包括第一材料、第二材料…第M-2材料、第M-1材料、第M材料。
优选地，通过以下方式生成所述区域打印数据：
根据每组所述区域信息随机生成M-1组区域打印数据，其包括第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第X组区域打印数据；
其中，所述区域打印数据为二进制数据且1≤X≤M-1，其中，M≥2，相应的第X组区域打印数据的位数为N×(RX+…+RM)，所述RX为第X种材料所占的比例，RM为第M材料所占的比例，所述第X组区域打印数据中0或者1的位数为N×RX。
优选地，M-1组所述区域打印数据中的第M-1组区域打印数据关联第M-1材料和第M材料，则执行如下步骤：
a1.由所述第M-1组区域打印数据生成新的补充区域打印数据；
a2.将所述第M-1组区域打印数据和所述补充区域打印数据与第M-1材料和第M材料关联。
优选地，通过以下步骤生成所述补充区域打印数据：
i1.生成与所述第M-1组区域打印数据的位数相同的参考数据，对所述参考数据进行二进制赋值形成全部数值为1的参考数据；
i2.计算所述参考数据与所述第M-1组区域打印数据的差值，得到所述补充区域打印数据。
优选地，M-1组所述区域打印数据中的第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据关联第一材料、第二材料…第M-2材料，则执行如下步骤：
a3.将第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据中的至少一组待校正区域打印数据进行校正对应得到至少一组校正区域打印数据：
a4.将所述待校正区域打印数据对应替换为校正后的所述校正区域打印数据。
优选地，通过以下步骤生成所述校正区域打印数据：
i3.生成与所述待校正区域打印数据位数相同的校正数据，对所述校正数据进行二进制赋值形成全部数值为1的校正数据；
i4.计算所述校正数据与所述待校正区域打印数据的差值，得到校正区域打印数据。
优选地，每组所述区域信息的对应区域划分为L行和I列，则N＝L×I。
优选地，所述区域信息通过以下步骤获得：
a1.获取所述目标物体的模型数据；
a2.获取所述模型数据不同部分的材料组成以及各材料的所占的比例；
a3.对所述目标物体进行分层处理，得到每层相应区域的像素点数量、材料种类以及各材料的所占的比例。
优选地，通过随机数发生器随机生成所述区域打印数据。
优选地，所述各材料所占的比例为质量百分比。
优选地，所述步骤c中，每个所述逐层打印成果固化后再进行叠加。
优选地，所述步骤c中，每个所述逐层打印成果较平后先进行固化，然后再叠加。
根据本发明的另一方面，提供一种打印控制装置，包括数据处理器、过程控制器和打印头，所述数据处理器、过程控制器和打印头分别进行通讯，其特征在于：
所述数据处理器用于获取所述区域信息以及根据所述区域信息随机生成区域打印数据，并对生成的区域打印数据进行随机性测试和处理生成3D物体打印数据；
所述过程控制器基于所述3D物体打印数据控制打印头进行逐层打印并将逐层打印成果叠加。
优选地，还包括较平装置，用于对每个所述逐层打印成果进行较平。
优选地，还包括固化装置，用于对每个所述逐层打印成果进行固化。
本发明根据区域信息随机生成区域打印数据，同一层中的不同区域打印数据共同形成层打印数据，多组层打印数据共同形成3D物体打印数据，根据3D物体打印数据进行逐层打印生成3D物体，具有以下优点：
一、本发明中的区域打印数据是随机生成的，且生成的打印数据经过随机性测试，不需要人为逐层进行数据配比，智能化程度高。另外，在进行随机性测试时可以人为调节显著性水平参数实现稳定的结构特性。
二、本发明中，在每组区域信息的对应区域中按照任意比例将不同的基础材料混合，并且不同对应区域的混合比例也可以是不同的，满足了个性化设计的需求；
三、使用本发明打印生成的3D物体材质均匀，拓宽了使用喷墨打印技术制造3D物体的应用范围，实现了同一3D物体不同区域之间材料的平滑过渡。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本发明的一个具体实施方式的，一种多材料3D物体的打印方法的流程图；
图2示出根据本发明的一个实施例的，基于区域打印数据进行打印的流程图；
图3示出根据本发明的一个实施例的，对区域打印数据进行补充的方法的流程图；
图4示出根据本发明的一个实施例的，对区域打印数据进行校正的方法的流程图；以及
图5示出根据本发明的一个实施例的，一种多材料3D物体的打印方法的流程图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个具体实施方式的，一种多材料3D物体的打印方法的流程图，本领域技术人员理解，图1中示出的仅是打印多材料3D物体的核心步骤，同时也包含了本发明不同于现有技术的步骤，在实际的打印过程中，还包括前置的多个处理步骤以及生成3D物体后的多个后处理步骤，这些步骤都属于3D打印技术领域的常规步骤，图1中并未示出这些常规步骤，并不代表本发明中的不执行这些常规步骤，本领域技术人员可以结合图1中示出的步骤以及现有技术的常规步骤完成本发明的打印过程。以下结合图1进行具体说明：
首先执行步骤S101，基于目标物体的每组区域信息随机生成至少一组区域打印数据。本领域技术人员理解，本发明根据目标物体的实际构成情况将目标物体划分为不同区域，不同区域包含不同的区域信息，并基于每组区域信息随机生成对应区域打印数据。具体地，获取所述区域信息的步骤为图1中未示出的前置处理步骤，较为常用的方式之一可以是利用安装在PC终端的软件来实现分组，比较简单的分组方式是，将目标物体置于一个三维空间内，XYZ轴是三维空间中彼此垂直的三个坐标轴，目标物体在Z轴方向上被分成多层，每层再分为多组区域，相应地每组区域包含对应的区域信息，所述区域信息包括与打印过程相关的参数，所述区域信息至少包括所述区域信息的对应区域的像素点个数，像素点个数的多少决定所述区域的分辨率的高低。更为具体地，所述区域信息还可能包括所述区域信息的对应区域的材料种类以及各材料所占的比例，所述材料种类还可能包括材料的性质、材料的颜色、材料的物理状态等，所述各材料所占的比例可以是质量百分比，也可以是体积百分比。作为一种变化，所述目标物体是直接设计出来的，相应的所述区域信息在设计所述目标物体的过程中即已经确定，这在后面有具体描述，在此不予赘述。
进一步地，所述区域打印数据是基于所述区域信息随机生成的，相比于现有技术中通过人工编排数据，本步骤生成所述区域打印数据的自动化程度高、速度快，同时也具备智能化的特点。具体地，每组所述区域信息可以只生成一组打印数据，也可以生成多组打印数据，例如所述区域信息的对应区域由两种材料组成，且两种材料的配比方式只有一种，则相应的只生成一组打印数据即可，又例如所述区域信息的对应区域由多种材料(三种以上材料)组成，则相应的生成多组区域打印数据。更为具体地，在实际的应用中，所述区域打印数据为二进制数据，即所述区域打印数据由0和1组成，通常使用随机数发生器随机生成的所述区域打印数据，所述随机数发生器可以是一种产生随机序列的设备，也可以是仅仅是一种产生随机序列的算法。例如，可以使用安装在PC终端中的数据生成软件随机生成所述区域打印数据。本领域技术人员理解，在随机生成的所述区域打印数据的基础上形成的3D物体，能够实现所述3D物体沿分层方向上的材料的均匀性，例如所述目标物体是沿Z轴方向进行分层的，则实现了在Z轴方向的各材料之间的平滑过渡，保证了Z轴方向上材料的均匀性。
本领域技术人员理解，真正的随机性的数据需要通过物理现象产生，例如掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等，相应地生成真正的随机性数据需要使用到物理性随机数发生器。而在实际的应用中，大都采用随机数发生算法生成随机数，既然是算法，则必定是通过一个固定的、重复计算的方法实现，因此生成的随机数并不能保证百分百的随机性。相应地在一个优选地实施例中，对所述至少一组区域打印数据分别进行随机性测试，符合随机性的所述区域打印数据保留，不符合随机性的所述区域打印数据舍弃。具体地，如果Y组所述区域打印数据不符合随机性，则将不符合随机性的Y组区域打印数据舍弃，并重新随机生成Y组区域打印数据。更为具体地，本实施例中的随机性测试可以只执行一次，也可以重复循环多次，直至全部区域打印数据随机性测试合格为止。本领域技术人员理解，随机性测试是以每组区域信息对应的所述区域打印数据进行的，因此基于本实施例中最后形成的区域打印数据形成的3D物体，能够实现所述3D物体每层的各材料之间的平滑过渡，保证了所述3D物体每层材料的均匀性，例如，所述目标物体是在Z轴方向上进行均匀分层的，则本实施例保证了XZ平面上的材料的均匀性。
进一步地，目前已有的随机性测试方法近百种，其中比较有代表性的是美国国家标准与技术研究所(NIST公布)的SP800-22标准，共包含了15种不同的检验方法，分别为单比特频数检验、块内频数检验、游程检验、块内最长游程检验、二元矩阵秩检验、离散傅里叶变换检验、非重叠模块匹配检验、重叠模块匹配检验、Maurer通用统计检验、线性复杂度检验、序列检验、近似熵检验、累加和检验、随机游动检验、随机游动状态频数检验。这些检验方法可测试任意长二进制数据的随机特性，主要致力于判定可能存在于数据中的多种多样的非随机性。
在一个具体的实施例中，采用游程检验的方法来检测每层各区域生成的打印数据是否具有随机性。本领域技术人员理解，游程检验中游程指的是一组数据中连续出现的具有相同特征的样本点为一个游程，该组数据中游程的总个数称为游程数。例如在步骤S101中生成的一组由0和1组成的数据为0000000001001101100000000，其游程总数为7。在进行游程检验时，通常先观测该组数据的游程数，如果该组数据中游程数太少，则该组数据存在成群趋向，即0或1总是成群出现；如果该组数据中的游程数过多，则该组数据有混合趋向，即0和1总是交替出现；因此，只有游程数处于适宜数值时，即游程数处于一个范围内，对应的该组数据才有随机性，其统计量符合标准正态分布，具体地，可用显著性水平来判断游程数是否合适即该组数据是否具有随机性。在实际的应用中，有多种游程检验的方式可供选择，具体到本实施例中，采用matlab算法进行游程检验，首先导入随机生成的区域打印数据，将所述区域打印数据处理成能被游程检验函数识别的数据，输入显著性水平，执行游程检验即可。在实际的应用过程中，所述显著性水平是可以变化的，例如显著性水平设为0.05、0.025或者0.015等，这些都属于现有技术，在此不予赘述。
进一步地，上述具体实施例只是以游程检验的方式进行随机性测试，在现有技术中，随机性测试的方式有很多种可供选择，本领域技术人员可以结合实际情形，选择最熟悉的随机性测试方式进行，在此不予赘述。
作为本发明的第一实施例，图2示出了基于区域打印数据进行打印的流程图。本领域技术人员理解，在实际的打印过程中，是逐层进行打印的，在执行每层的打印时(以下称为打印层)，打印头在打印层是循环移动的，例如从左向右移动或者从右向左移动等，在每一次的移动过程中，打印头可能会经过打印层中的不同区域，相应地打印头会根据每组区域打印数据对应的材料在对应区域的对应位置进行打印，经过多个移动过程后，最终完成打印层的打印并形成层打印成果，多个层打印成果叠加后即形成最终的3D物体，而图2中示出的实施例是描述基于区域打印数据进行打印的过程，这样可以更加细致的描述出本发明的打印过程，本发明所涉及的整个打印过程实际上即为多个图2中示出的打印过程的重复。
首先执行步骤S201，获取所述目标物体的模型数据，具体地，例如本实施例中利用PC终端辅助完成这个打印过程，则将所述目标物体的模型数据导入PC终端中，所述模型数据可以是CAD图或者扫描的立体图形等。
进一步地，在步骤S201的基础上，执行步骤S202，根据所述模型数据选定不同区域，确定不同区域中的材料种类及各材料所占的比例。具体地，在本步骤中，所述目标物体还未进行分层处理，因此本步骤选定的不同区域实际上是立体的结构，所述不同区域的材料种类以及各材料所占的比例根据所述模型数据确定，确定的方式可以是自动生成的，也可以是人为确定的。本领域技术人员理解，在具体的应用过程中，本实施例虽然也可能需要人工确定不同区域的材料种类以及各材料所占的比例，但本实施例的只需要确定所述目标物体几个不同区域的相应信息，因此相比于现有技术本实施例的工作量是很低的。
进一步地，在执行步骤S202的基础上，执行步骤S203，对所述目标物体进行分层处理，得到每层对应区域的像素点数量N、材料种类M以及各材料的所占的比例，所述像素点数量N、材料种类M以及各材料的所占的比例即为所述对应区域的区域信息。具体地，对所述目标物体分为多层后，每层与步骤S202的不同区域相交，进而在每层形成多个对应区域，所述多个对应区域对应多组所述区域信息。具体地，所述像素点数量N通过对所述对应区域分行、分列得出，如所述对应区域分为L行、I列，则所述像素点数量N＝N×L。
进一步地，采用最为简单的分层方式实现步骤S203，即对所述目标物体沿Z轴方向均匀分割为多层。在一个更为复杂的实施例中，采用基于分组排序和对边求交的分层处理算法实现步骤S203，其基本思想是：根据STL模型的几何连续性进行整体分组排序，建立分层关系矩阵，然后对关系矩阵中的三角面片分别进行对边追踪求交，最终生成切面轮廓数据，所述切面轮廓数据对应形成所述目标物体的一个分层。具体地，通过以下方式实现：第一步进行分组排序。本领域技术人员理解，快速成形加工的分层厚度与STL模型中三角形面片的尺寸比较起来一般都非常小，一个三角形面片往往与多个相邻分层平面相交。由于STL模型的几何连续性，使得与分层平面相交的三角形面片也是连续排列的，所以除少数分层平面外，与相邻分层平面相交的三角形面片集合是连续的，即与相邻两个分层面相交的面片集合是基本不变的。第二步进行对边求交，获取切面轮廓数据，具体的过程通常是这样的：已知一系列边和一组相互平行的切平面，求各边与这组平面的交点，并将处于同一层的所有交点按照它们之间的连接关系顺序排列，形成各层封闭切面轮廓。在实际的操作过程中，上述步骤通常使用分层软件来实现，使用者只需操作分层软件即可。
进一步地，执行步骤S204，基于目标物体的每组区域信息随机生成M-1组区域打印数据。具体地，每组区域信息中所包括的材料种类M，本领域技术人员理解，本步骤的目的在于生成区域打印数据，在实际的应用中，大多数的打印头驱动控制数据都是二进制的，因此所述区域打印数据也为二进制数据，即所述区域打印数据是由0和1组成的数据，相应地，在所述区域打印数据中0的位置打印头并不执行打印动作，只有在所述区域打印数据中1的位置，打印头才执行打印动作。因此M种材料需要对应M组区域打印数据，即一组区域打印数据对应一种材料，在所述一组区域打印数据中1的位置使用所述一种材料进行打印。更为具体地，所述M组区域打印数据并非是一次性生成，而是经过多个步骤形成，而步骤S204即为其中一个步骤。
进一步地，M-1组区域打印数据包括第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第X组区域打印数据，其中，1≤X≤M-1，同时由于本发明涉及的是多材料3D物体的打印，则M≥2。具体地，所述区域信息中包括N个像素点，所述N个像素点由M种材料形成，生成所述区域打印数据的目的即是确定每个像素点对应使用哪种材料进行打印，本实施例首先生成第一组区域打印数据，所述第一组区域打印数据中1的位置对应的像素点即使用第一材料打印，之后需要继续生成第二组区域打印数据，所述第二组区域打印数据中1的位置对应的像素点即使用第二材料打印，以此类推。本领域技术人员理解，M-1组区域打印数据的位数并不是相同的而是变化的，例如第一组区域打印数据是确定哪些像素点使用第一材料进行打印，使用第一材料进行打印的像素点是相对于所有像素点而确定的，因此所述第一组区域打印数据的位数应当与所述区域信息的像素点数量N相同。相应地，在确定第二组区域打印数据，并不需要考虑使用第一材料进行打印的像素点，因此第二组区域打印数据的位数则为所述区域信息的像素点数量N减去使用第一材料进行打印的像素点数量，以此类推。
进一步地，每种材料对应的像素点的数量与该种材料所占的比例是相关的，例如，使用第一材料进行打印的像素点数量为所述区域信息的像素点数量N与所述第一材料所占的比例的乘积，使用第二材料进行打印的像素点数量为所述区域信息的像素点数量N与所述第二材料所占的比例的乘积，结合上一段的描述，所述第一组区域打印数据的位数应当为N×R1+N×R2…+N×RM，所述第二组区域打印数据的位数应当为N×R2+N×R1…+N×RM，以此类推。具体地，如果以RX表示第X种材料所占的比例，RM为第M材料所占的比例，则第X组区域打印数据的位数为N×(RX+…+RM)。更为具体地，由于所述区域打印数据是随机生成的，因此所述区域打印数据中0和1的位置也是随机的，但每组区域打印数据的作用即是使用相应材料打印相应数量的像素点，因此所述每组区域打印数据中0和1的比例是与所述相应材料所占的比例相关的，例如所述相应材料所占的比例是20％，则所述每组区域打印数据中0或1的数量就是N×20％，即当所述相应材料对应数值0时，则0的数量为N×20％，当所述相应材料对应数值1时，则1的数量为N×20％。更为具体地，由于打印头只有在识别到1时才执行打印，因此当所述相应材料对应数值0时，还需要对所述每组区域打印数据进行处理，以使得打印过程继续进行，具体过程会在后面叙述。相同的原理，第X组区域打印数据中0或者1的位数应当为N×RX。
进一步地，执行步骤S205，将M-1组区域打印数据扩展为M组区域打印数据，将M种材料与M组区域打印数据关联。具体地，在步骤S204中生成了M-1组区域打印数据，包括第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第X组区域打印数据，步骤S203得到了M种材料，包括第一材料、第二材料…第M-2材料、第M-1材料、第M材料。在本实施例中，将第M-1组区域打印数据与第M-1材料和第M材料关联，其中第M-2组区域打印数据即是X取值为M-2时的区域打印数据，第M-1组区域打印数据即是X取值为M-1时的区域打印数据。更为具体地，由于第M-1组区域打印数据同时关联第M-1材料和第M材料，而实际的打印过程中只能实现一组区域打印数据只能实现一种材料的打印，因此还需要对第M-1组区域打印数据进行补充，具体地，图3示出了对区域打印数据进行补充的方法的流程图：
首先执行步骤S301，生成与所述第M-1组区域打印数据的位数相同的参考数据，对所述参考数据进行二进制赋值形成全部数值为1的参考数据，例如所述区域打印数据的位数为25位，则所述参考数据也是25位，且全部由数值1组成。
进一步地，执行步骤S302，计算所述参考数据与所述第M-1组区域打印数据的差值，得到所述补充区域打印数据，相应地，M-1组区域打印数据与补充区域打印数据共同组成M组区域打印数据，即M组区域打印数据对应包括第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第X组区域打印数据、补充区域打印数据。本领域技术人员理解，通过步骤S302得到的所述补充区域打印数据也是由0和1组成，实际上最终生成的所述补充区域打印数据与所述第M-1组区域打印数据相比，其规律就是，所述第M-1组区域打印数据中0的位置相应变更为1，所述第M-1组区域打印数据中1的位置相应变更为0。
进一步地，将第M-1组区域打印数据和补充区域打印数据与第M-1材料和第M材料关联。具体地，在执行图3中的补充步骤之前，所述第M-1组区域打印数据同时关联第M-1材料和第M材料，如果所述第M-1组区域打印数据中数值0代表第M-1材料，数值1代表第M材料，相应地执行图3中的补充步骤之后，所述补充区域打印数据关联第M-1材料，所述第M-1组区域打印数据关联第M材料；相反地，在执行图3中的补充步骤之前，如果所述第M-1组区域打印数据中数值1代表第M-1材料，数值0代表第M材料，相应地执行图3中的补充步骤之后，所述补充区域打印数据关联第M材料，所述第M-1组区域打印数据关联第M-1材料。其中的原理也是基于前面描述的打印原理，即如果在执行图3中的补充步骤之前，数值1代表第M材料，则所述第M-1区域打印数据已经确定了使用第M材料打印的像素点，因此生成补充区域打印数据只需要确定第M-1材料打印的像素点，相应地所述补充区域打印数据关联第M-1材料。相反地，其原理也是一样的，在此不予赘述。
进一步地，在本实施例中，还将第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据与第一材料、第二材料…第M-2材料关联，相应地，如果所述第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据中均以数值1代表所述第一材料、第二材料…第M-2材料，则直接将所述第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据传输到过程控制器，过程控制器控制打印头进行打印。本领域技术人员理解，由于所述区域打印数据是随机生成的，在实际的应用中，所述第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据中可能存在至少一组待校正区域打印数据，所述待校正区域打印数据以数值0代表相应材料，此时需要对所述待校正区域打印数据进行校正步骤，对应得到至少一组校正区域打印数据，即待校正区域打印数据的数量与得到的校正区域打印数据的数量是相同的，同时也是一一对应的。具体地，图4示出对所述待校正区域打印数据进行校正的流程图：
首先执行步骤S401，确定第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据中的至少一组待校正区域打印数据，本步骤的实现方式即是确认所述第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据中有哪几组区域打印数据是以数值0代表相应的材料，则相应的这几组区域打印数据即被确认为待校正区域打印数据。
进一步地，执行步骤S402，生成与所述待校正区域打印数据位数相同的校正数据，对所述校正数据进行二进制赋值形成全部数值为1的校正数据。例如所述待校正区域打印数据的位数为25位，则所述参考数据也是25位，且全部由数值1组成。
进一步地，执行步骤S403，计算校正数据与待校正区域打印数据的差值，得到校正区域打印数据。本领域技术人员理解，通过步骤S403得到的所述校正区域打印数据也是由0和1组成，实际上最终生成的校正区域打印数据与所述待校正区域打印数据相比，其规律就是，所述待校正区域打印数据中0的位置相应变更为1，所述待校正区域打印数据中1的位置相应变更为0。
进一步地，执行步骤S404，将所述待校正区域打印数据对应替换为所述校正区域打印数据。本领域技术人员理解，对所述待校正区域打印数据进行校正的原因是，在实际的打印过程中，每种材料对应的打印通道通常是预先确定的，相应地该材料对应的区域打印数据也是通过对应的打印通道传输的，如果一种材料(本段以下部分称为“该材料”)对应的区域打印数据是以数值0代表该材料，但在实际打印过程中，打印头只能在识别到数值1时进行打印，因此打印头会自动匹配为在数值1的位置使用该材料进行打印，而实际上是需要在数值0的位置使用该材料进行打印。为了避免这样的错误出现，当某组区域打印数据是以数值0代表对应的材料，则该组区域打印数据即判定为待校正区域打印数据，并通过步骤S401至S403进行校正，并将校正后得到的所述校正区域打印数据传输到过程控制器，过程控制器根据所述校正区域打印数据控制打印头进行打印，以实现在正确的位置使用对应的材料进行打印。例如第三组区域打印数据是以数值0代表第三材料，则对所述第三组区域打印数据进行校正得到校正区域打印数据，并将第三组区域打印数据替换为校正区域打印数据，即M组区域打印数据中的第三组区域打印数据变更为校正区域打印数据。
进一步地，执行步骤S206，基于区域打印数据使用相应的材料进行打印。本领域技术人员理解，本步骤中的区域打印数据可能是最初生成的区域打印数据，还可能是随机测试后不合格并重新生成的区域打印数据，还可能是补充区域打印数据，还可能是校正区域打印数据，具体是哪一种区域打印数据需要根据实际情况进行变化，而需要生成以上任一种数据的情形在前面的实施例中已有具体的描述，在此不予赘述。具体地，在每组区域信息的对应区域中，每种材料根据该材料在对应区域的区域打印数据进行打印。更为具体地，在本实施例中，在同一层中的不同区域所包含的材料种类可以是不同的，例如甲区域中包括A材料、B材料和C材料，但乙区域则包括C材料、D材料和E材料，因此打印头根据A材料对应的区域打印数据进行打印时，在甲区域会执行打印动作，而乙区域并不包括A材料，因此在乙区域根本不执行打印动作，同时即使甲区域和乙区域虽然同时包括C材料，但是C材料所占的比例还可以是不同的，因此打印头在甲区域和乙区域使用C材料进行打印时，还是根据C材料对应的不同的区域打印数据进行打印，打印方式还是不同的。本领域技术人员理解，在这个具体的例子中只通过甲区域和乙区域进行了形象化的说明的，在实际的打印过程中，还可能包括更多的打印区域以及更多的材料种类，同时各种材料在不同的区域对应的比例还可以是不同的，但基本的打印原理都是相同的，本领域技术人员可以在此基础上进行不同的变化，这也是本发明的区别于现有技术的创新点。
以下通过三个具体的实施例说明在某个区域中是如何使用相应的材料根据相应的区域打印数据进行打印的，本领域技术人员理解，以下的实施例是以某个区域为单元进行说明的，但实际的打印过程并不是按照区域的顺序进行打印的，在打印过程中，打印头在开始打印前被置于一个具体的位置，在开始打印后，打印头通常是按照既定的移动轨迹进行移动的，例如是从左向右移动，或者是从右向左移动，在打印头移动的过程中，根据确定的区域打印数据在对应的位置使用对应的材料进行打印，因此整个打印过程并不是打印形成一个完整的区域才进行下一个区域的打印，而是按照打印头移动的轨迹逐渐形成一个完整的打印层，相应地，以下的具体实施例是用于说明在每个区域进行打印的依据，而不是用于说明在每个区域进行打印的顺序。
在一个具体地实施例中，一组区域信息中的材料种类为两种，分别是A材料和B材料，A材料比例为80％，B材料比例为20％，像素点个数为25个，取0代表A材料，1代表B材料，此时生成一组由0和1组成的区域打印数据0000000001001101100000000，其中A材料出现了80％*25＝20次，B材料出现了20％*25＝5次，游程总数为7，随后对区域打印数据0000000001001101100000000进行游程检验，而游程检验的结果为不合格，则该组数据即被舍弃，重新生成新的区域打印数据0001001000010001000001000，其中A材料出现了80％*25＝20次，B材料出现了20％*25＝5次，游程总数为11，再次执行游程检验，游程检验的结果为合格，则重新生成的区域打印数据0001001000010001000001000即可作为有效数据，所述区域打印数据0001001000010001000001000即作为B材料对应的区域打印数据。
进一步地，对所述区域打印数据0001001000010001000001000进行校正，生成校正数据1111111111111111111111111，并计算校正数据1111111111111111111111111与所述区域打印数据0001001000010001000001000的差值得到校正区域打印数据1110110111101110111110111，所述校正区域打印数据1110110111101110111110111即作为A材料对应的区域打印数据，将所述校正区域打印数据1110110111101110111110111和所述区域打印数据0001001000010001000001000通过专用的传输通道分别传输到过程控制器，所述过程控制器对应使用A材料和B材料进行打印。
在另一个具体地实施例中，所述区域信息的材料种类为三种，分别是A材料、B材料和C材料，A材料的比例为20％，B材料的比例为40％，C材料的比例为40％，像素点数量为25个，相应地，生成第一组区域打印数据0001001000010001000001000并对第一组区域打印数据进行游程检验，第一组区域打印数据的游程检验结果为合格，接着生成第二组区域打印数据00111110000011111000，并对第二组区域打印数据进行游程检验，第二组区域打印数据的游程检验结果为不合格，相应地重新生成新的第二组区域打印数据10101001100100111100，其中，第一组区域打印数据0001001000010001000001000中的1代表A材料，0代表B材料和C材料，新的第二组区域打印数据10101001100100111100中的1代表B材料，0代表C材料。
进一步地，根据新的第二组区域打印数据10101001100100111100生成补充区域打印数据01010110011011000011，相应地，所述第一组区域打印数据0001001000010001000001000即作为A材料对应的区域打印数据，所述新的第二组区域打印数据10101001100100111100即作为B材料对应的区域打印数据，所述补充区域打印数据01010110011011000011即作为C材料对应的区域打印数据，最后将所述第一组区域打印数据0001001000010001000001000、所述新的第二组区域打印数据10101001100100111100以及所述补充区域打印数据01010110011011000011通过专用的传输通道分别传输到过程控制器，所述过程控制器对应使用A材料、B材料以及C材料进行打印。
在另一个具体地实施例中，所述区域信息的材料种类为四种，分别是A材料、B材料、C材料和D材料，A材料的比例为20％，B材料的比例为40％，C材料的比例为20％、D材料的比例为20％，像素点的数量为25个，首先生成第一组区域打印数据0001001000010001000001000并对第一组区域打印数据进行游程检验，且游程检验结果合格，接着生成第二组区域打印数据00111110000011111000并对第二组区域打印数据进行游程检验，此时游程检验结果为不合格，则将该检验不合格的第二组区域打印数据舍弃重新生成新的第二组区域打印数据10101001100100111100，并对该新的第二组区域打印数据进行游程检验，游程检验合格后接着生成第三组区域打印数据0100110101，并对第三组区域打印数据进行游程检验，第三组区域打印数据的游程检验结果为合格。
进一步地，第一组区域打印数据0001001000010001000001000中的1代表A材料，0代表B材料、C材料和D材料，新的第二组区域打印数据10101001100100111100中的0代表B材料，1代表C材料和D材料，第三组区域打印数据0100110101中的1代表C材料，0代表D材料。相应地，对新的第二组区域打印数据10101001100100111100进行校正得到校正区域打印数据01010110011011000011，根据第三组区域打印数据0100110101生成补充区域打印数据1011001010，则所述第一组区域打印数据0001001000010001000001000即作为A材料对应的区域打印数据，所述校正区域打印数据01010110011011000011即作为B材料对应的区域打印数据，所述第三组区域打印数据0100110101即作为C材料对应的区域打印数据，所述补充区域打印数据1011001010即作为D材料对应的区域打印数据，最后将所述第一组区域打印数据0001001000010001000001000、所述校正区域打印数据01010110011011000011、所述第三组区域打印数据0100110101以及所述补充区域打印数据1011001010通过专用的传输通道分别传输到过程控制器，所述过程控制器对应使用A材料、B材料、C材料以及D材料进行打印。
作为本发明的第二实施例，图5示出了一种多材料3D物体的打印方法的流程图，具体地：
首先执行步骤S501，将每层的每组区域信息对应的区域打印数据与每组区域信息对应的M种材料关联。本领域技术人员理解，每组区域信息对应包括M组区域打印数据，所述M组区域打印数据至少由实施例一的步骤S204的M-1组区域打印数据以及补充区域打印数据组成，在一个变化例中，所述M-1组区域打印数据还经过随机性测试步骤以及校正步骤，这在前面已有叙述，在此不予赘述。
进一步地，在步骤S501的基础上，执行步骤S502，将每层的每组区域信息对应的M组区域打印数据传输到过程控制器。具体地，在实际的打印过程中，所述过程控制器设置有M个传输通道，所述M组区域打印数据分别通过M个传输通道传输到过程控制器。
进一步地，执行步骤S503，过程控制器控制打印头根据每种材料对应的区域打印数据进行打印。具体地，本实施例中涉及M组区域打印数据，但这并不表示本实施例中就必然设置相同数量的打印头以实现本实施例的目的，如步骤S502所述，所述M组区域打印数据是通过M个传输通道传输到过程控制器，而一种材料对应关联一组区域打印数据，实际上就是一种材料对应关联一个传输通道，打印头则是通过识别传输通道进而确认使用哪一种材料进行打印。因此，所述打印头的数量可以是一个，也可以是多个，这只是会影响本发明中打印3D物体的速度，并不会影响实现本实施例的目的。
进一步地，执行步骤S504，重复步骤S501至S503直至形成单层打印成果。本领域技术人员理解，在实际的应用中，所述目标物体分层后，每层包括多组区域信息，而步骤S501至步骤S503要实现的目的是：如何使用每种材料根据该种材料对应的区域打印数据进行打印，具体地，每层包含的多组区域信息对应每层的多个区域，而每种材料在多个区域信息中对应的区域打印数据也是不同的，即每种材料在多组区域信息中也对应多组区域打印数据，相应地在打印的过程中，每种材料在多个区域中打印方式也是不同的。因此执行一次步骤S501至步骤S503并不能完成单层的打印，而是需要将步骤S501至步骤S503循环执行多次才能完成单层的打印并形成单层打印成果，循环的次数与打印头的数量、每层包括的区域信息数量以及材料种类的数量相关，在实际的打印过程中可以进行个性化设计，只要能够形成完整的单层打印成果即可。
进一步地，执行步骤S505，本领域技术人员理解，与步骤S504的原理相似，步骤S501至步骤S503形成的是单层打印成果，而所述目标物体包括多层，因此需要重复执行步骤S501至S504形成多个单层打印成果，最终多个单层打印成果叠加形成3D物体，相应地，步骤S501至S504的重复次数与所述目标物体包括层数是相同的。
在一个优选地实施例中，在步骤S505中，所述单层打印成果先固化后再进行叠加，以减小3D物体的尺寸误差。作为一种变化，所述单层打印成果先较平后在进行固化，进一步提高3D物体的尺寸精度。
作为本发明的另一具体实施方式，提供一种打印控制装置，包括数据处理器、过程控制器和打印头，所述数据处理器、过程控制器和打印头分别进行通讯。具体地，所述数据处理器用于获取所述区域信息以及根据所述区域信息随机生成区域打印数据，并对生成的区域打印数据进行随机性测试和处理生成3D物体打印数据。本领域技术人员理解，所述数据处理器通常包括中央处理器，主存储器，输入-输出接口，其用于处理数据，并按照程序规定的步骤执行指令的部件，一般的工作过程为，中央处理器通过输入接口读取主存储器中的目标物体的模型数据，并对模型数据进行处理得到区域信息，进而根据区域信息随机生成区域打印数据。在一些变化例中，所述中央处理器还可以对区域打印数据进行随机性测试，或者对区域打印数据进行校正，或者根据区域打印数据生成补充区域打印数据，这些均属于对所述区域打印数据的处理，在此不予赘述。通过以上方式，所述数据处理器最终生成的一系列区域打印数据，所述一系列区域打印数据共同形成3D物体打印数据。
进一步地，所述3D物体打印数据通过数据传输通道传输到所述过程控制器，所述过程控制器通常包括中央处理器，主存储器，输入-输出接口，其用于将特定数据转换为打印指令并存储在主存储器中，运行时能够读出所述打印指令形成控制信号分给各部分执行。一般的工作过程为，中央处理器通过输入接口接收所述3D物体打印数据，并根据所述3D物体打印数据产生特定的打印指令存储在主存储器中。在一个具体地实施例中，根据第一区域打印数据产生使用第一材料进行打印的第一打印指令，根据第二区域打印数据产生使用第二材料进行打印的第二打印指令，以此类推，最后再将相应的打印指令转换为相应的控制信号通过输出接口输出到打印头，所述打印头根据所述控制信号进行打印，并最终形成多个逐层打印成果，所述多个逐层打印成果叠加形成3D物体。在另一个变化例中，所述过程控制器并不将打印指令转换为控制信号，而是直接将产生的打印指令通过输出接口输出到所述打印头，此时所述打印头将接收的所述打印指令与打印头自身的内置指令进行匹配，如果匹配成功则执行打印动作，如果匹配失败则不执行打印动作。
在一个优选地实施例中，所述打印控制装置还包括较平装置以及固化装置，所述较平装置用于对每个所述逐层打印成果进行较平，优选地所述较平装置由传动装置和功能装置组成，所述功能装置可以是较平辊或者刮刀，所述传动装置可以是机械臂。所述固化装置用于对每个所述逐层打印成果进行固化，根据材料的不同，所述固化装置可以是热固化装置，也可以是光固化装置。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (19)

1.一种多材料3D物体的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.基于目标物体的每组区域信息随机生成至少一组区域打印数据，则根据所述目标物体每层的多组所述区域信息对应生成层打印数据，多组所述层打印数据形成3D物体打印数据；
b.基于所述3D物体打印数据进行逐层打印；
c.将所述步骤b中的逐层打印成果叠加形成3D物体。
2.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，对所述至少一组区域打印数据分别进行随机性测试，将其中Y组随机性测试不合格的区域打印数据舍弃，并重新随机生成Y组区域打印数据，其中Y≥0。
3.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，每生成一组所述区域打印数据后接着执行一次随机性测试。
4.根据权利要求3所述的打印方法，其特征在于，采用游程检验法进行随机性测试。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的打印方法，其特征在于，每组所述区域信息至少包括所述区域信息的对应区域所包含的像素点数量N、包含的材料种类M以及各材料所占的比例，其中，所述M种材料与所述区域打印数据相关联，所述M种材料包括第一材料、第二材料…第M-2材料、第M-1材料、第M材料。
6.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于，通过以下方式生成所述区域打印数据：
根据每组所述区域信息随机生成M-1组区域打印数据，其包括第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第X组区域打印数据；
其中，所述区域打印数据为二进制数据且1≤X≤M-1，其中，M≥2，相应的第X组区域打印数据的位数为N×(RX+…+RM)，所述RX为第X种材料所占的比例，RM为第M材料所占的比例，所述第X组区域打印数据中0或者1的位数为N×RX。
7.根据权利要求6所述的打印方法，其特征在于，M-1组所述区域打印数据中的第M-1组区域打印数据关联第M-1材料和第M材料，则执行如下步骤：
a1.由所述第M-1组区域打印数据生成新的补充区域打印数据；
a2.将所述第M-1组区域打印数据和所述补充区域打印数据与第M-1材料和第M材料关联。
8.根据权利要求7所述的打印方法，其特征在于，通过以下步骤生成所述补充区域打印数据：
i1.生成与所述第M-1组区域打印数据的位数相同的参考数据，对所述参考数据进行二进制赋值形成全部数值为1的参考数据；
i2.计算所述参考数据与所述第M-1组区域打印数据的差值，得到所述补充区域打印数据。
9.根据权利要求7或8所述的打印方法，其特征在于，M-1组所述区域打印数据中的第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据关联第一材料、第二材料…第M-2材料，则执行如下步骤：
a3.将第一组区域打印数据、第二组区域打印数据…第M-2组区域打印数据中的至少一组待校正区域打印数据进行校正对应得到至少一组校正区域打印数据：
a4.将所述待校正区域打印数据对应替换为校正后的所述校正区域打印数据。
10.根据权利要求9所述的打印方法，其特征在于，通过以下步骤生成所述校正区域打印数据：
i3.生成与所述待校正区域打印数据位数相同的校正数据，对所述校正数据进行二进制赋值形成全部数值为1的校正数据；
i4.计算所述校正数据与所述待校正区域打印数据的差值，得到校正区域打印数据。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的打印方法，其特征在于，每组所述区域信息的对应区域划分为L行和I列，则N＝L×I。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的打印方法，其特征在于，所述区域信息通过以下步骤获得：
a1.获取所述目标物体的模型数据；
a2.获取所述模型数据不同部分的材料组成以及各材料的所占的比例；
a3.对所述目标物体进行分层处理，得到每层相应区域的像素点数量、材料种类以及各材料的所占的比例。
13.根据权利要求12所述的打印方法，其特征在于，通过随机数发生器随机生成所述区域打印数据。
14.根据权利要求13所述的打印方法，其特征在于，所述各材料所占的比例为质量百分比。
15.根据权利要求1至11或13或14中任一项所述的打印方法，其特征在于，所述步骤c中，每个所述逐层打印成果固化后再进行叠加。
16.根据权利要求15所述的打印方法，其特征在于，所述步骤c中，每个所述逐层打印成果较平后先进行固化，然后再叠加。
17.一种打印控制装置，包括数据处理器、过程控制器和打印头，所述数据处理器、过程控制器和打印头分别进行通讯，其特征在于：
所述数据处理器用于获取所述区域信息以及根据所述区域信息随机生成区域打印数据，并对生成的区域打印数据进行随机性测试和处理生成3D物体打印数据；
所述过程控制器基于所述3D物体打印数据控制打印头进行逐层打印并将逐层打印成果叠加。
18.根据权利要求17所述的打印控制装置，其特征在于，还包括较平装置，其用于对每个所述逐层打印成果进行较平。
19.根据权利要求18所述的打印控制装置，其特征在于，还包括固化装置，其用于对每个所述逐层打印成果进行固化。
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