CN110253889A - 一种基于数字光栅图像处理器的多材料3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，包括如下步骤：步骤一，建立多材料三维模型；步骤二，对三维模型进行彩色切片，得到一系列包含尺寸和颜色信息的单层截面图像；步骤三，对每层的单层截面图像，基于数字光栅处理器将单层截面图像转化为二值半色调图像；步骤四，根据二值半色调图像，由3DP打印设备打印模型。通过本发明，实现了多材料的精确打印。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体是一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法。
背景技术
当代社会对产品的功能及性能的要求越来越高，由均质材料制造的零件性能以难以满足产品的功能需求，因此对多材料零件的制造进行研究成为当今研究热点之一，多材料零件又称为异质材料零件，是按照产品最优使用功能进行设计制造的零件，一般是指由多种材料按一定的分布规律组合而成的功能性零件。
尽管3D打印成型材料范围广，制造灵活，但是对于大多数类型的3D打印来说，使用的数据格式为STL格式，该格式用三角形网格来表现3D CAD模型，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材质等信息。正是由于STL数据格式不包含材料和颜色信息，所以加工时只能使用某一种特定的材料，不能够同时使用多种不同属性的材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立多材料三维模型；
步骤二，对三维模型进行彩色切片，得到一系列包含尺寸和颜色信息的单层截面图像；
步骤三，对每层的单层截面图像，基于数字光栅处理器将单层截面图像转化为二值半色调图像；
步骤四，根据二值半色调图像，由3DP打印设备打印模型。
进一步的，步骤一中所述的建立多材料三维模型，具体包括如下过程：建立多材料与色彩的映射关系，不同材料的比例与模型RGB色彩间的映射关系,如下式所示：
式中，N代表N组喷头，i＝1,2,…N,N<＝255，i表示第i组喷头；Ki、Ci、Mi、Yi的取值范围为0-100％，表征第i组喷头所对应四种材料的比例；由所需要的比例要求，由映射关系计算得到Ri、Gi、Bi值。
进一步的，在三维建模时，按照材料比例划分为不同的区域，每个区域赋予所计算得到的RGB颜色值，模型建立完毕后，存为可保存颜色信息的3MF或OBJ文件格式。
进一步的，所述的步骤二中对三维模型进行彩色切片，具体包括如下步骤：
(1)设定切片层的层厚和DPI的值；
(2)根据设定的层厚，进行3MF或者OBJ三维模型的切片；首先遍历模型的所有三角面片，根据三角面片三个顶点的Z向高度信息，标记与当前层相交的三角面片；然后对当前切片层与标记三角面片求交布尔计算，得到相交线；最后对相交线进行合并得到切片层和三维模型的相交轮廓；
(3)根据设定的DPI，对切片层轮廓进行RGB色彩填充；打印时，DPI的大小为打印点的密度；按照设定的DPI对切片轮廓进行像素化，每个像素点代表一个打印点；具体为：首先根据DPI和打印幅面大小计算幅面的像素值，把幅面的长宽尺寸转化为像素点数，采用如下公式：像素值＝长度*DPI，将幅面栅格化，然后进行填充，先遍历每个像素点，判断像素点位置是否位于步骤(1)所求得轮廓的内部，在内部进行填充；最后再进行染色，遍历每个填充像素点，计算该像素点在对应的三角面片里的位置，然后根据三角面片顶点的颜色RGB值进行像素染色，得到基于RGB值的彩色切片。
进一步的，所述的基于数字光栅处理器将单层截面图像转化为基于KCMY的二值半色调图像，转化时采用基于阈值矩阵的调幅加网算法，其中K、C、M、Y各通道采用不同的加网通道。
进一步的，步骤四中所述根据二值半色调图像，由3DP打印设备控制K、C、M、Y打印通道打印模型，包括如下过程：打印喷头4个不同的颜色通道对应K、C、M、Y四种颜色，至少每4个颜色通道作为1组；半色调图像由一系列像素点组成，每个点具有K、C、M、Y四色中的一种颜色，喷头在打印时根据半色调图像点的颜色选择对应的通道进行打印；在步骤三中不同片层中的颜色通过数字光栅处理器把颜色的变化转换为不同的通道信息，然后把相应的通道信息传递给控制器，控制器按照处理器传递来的通道信息进行相应通道的启动来喷出材料，进行打印。
本发明的有益效果是：利用增材制造中的3DP加工工艺，基于印刷行业将连续调的灰度图像或彩色图像转为二值的半色调图像的数码喷印方式，借助数字光栅处理器和彩色三维模型格式，通过材料属性与颜色的转换进行多材料的精确打印。
附图说明
图1为一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法的流程示意图；
图2为多材料打印实现方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明包括如下步骤，1)三维模型的建立：在进行三维模型设计时，根据材料成分的要求，为不同区域赋予不同的颜色，颜色采用RGB彩色模式。实际彩色印刷时，通过喷头的K、C、M、Y四个颜色通道来逼近RGB颜色。为实现多材料打印，将K、C、M、Y通道分别对应一种材料，共四种材料，并建立不同材料配比与模型RBG色彩间的映射关系,如下式(1)：
式中，N代表N组喷头，i＝1,2,…N,N<＝255，i表示第i组喷头；Ki、Ci、Mi、Yi的取值范围为0-100％，表征第i组喷头所对应四种材料的比例；由所需要的比例要求，由映射关系计算得到Ri、Gi、Bi值。由所需要的成分比例要求，由式(1)计算得到R、G、B值。在三维建模时，按照材料成分比例划分为不同的区域，每个区域赋予所计算得到的RGB颜色值。模型建立完毕后，存为可保存颜色信息的3MF或OBJ文件格式。
2)进行彩色切片：
设定切片层的层厚和DPI的值；根据设定的层厚，进行3MF或者OBJ三维模型的切片；首先遍历模型的所有三角面片，根据三角面片三个顶点的Z向高度信息，标记与当前层相交的三角面片；然后对当前切片层与标记三角面片求交布尔计算，得到相交线；最后对相交线进行合并得到切片层和三维模型的相交轮廓；根据设定的DPI，对切片层轮廓进行RGB色彩填充；打印时，DPI的大小为打印点的密度；按照设定的DPI对切片轮廓进行像素化，每个像素点代表一个打印点；具体为：首先根据DPI和打印幅面大小计算幅面的像素值，把幅面的长宽尺寸转化为像素点数，采用如下公式：像素值＝长度*DPI，将幅面栅格化，然后进行填充，先遍历每个像素点，判断像素点位置是否位于所求得轮廓的内部，在内部进行填充；最后再进行染色，遍历每个填充像素点，计算该像素点在对应的三角面片里的位置，然后根据三角面片顶点的颜色RGB值进行像素染色，得到基于RGB值的彩色切片。
3)颜色识别转换：
针对每层的截面信息(BMP图片)，为实现式(1)的材料映射规则，基于数字光栅处理器将基于RGB的彩色图像转化为基于KCMY的二值半色调图像。数字光栅算法采用基于阈值矩阵的调幅加网算法，且K、C、M、Y各通道可采用不同的加网通道。
4)多材料的打印输出
根据二值半色调图像，由3DP打印设备控制K、C、M、Y打印通道分别喷出或挤出四种材料，并控制量的大小，保证多材料的精确打印；也可采用具有单通道的四个打印喷头，由四个打印喷头分别喷出或挤出对应的材料；也可采用N组打印喷头组成的喷头阵列，由打印喷头喷出或挤出4N种材料。具体实现：在第三步中不同片层中的颜色通过数字光栅处理器把颜色的变化转换为不同的通道信息，然后把相应的信息传递给控制器，控制器按照处理器传递来的不同的材料信息进行相应通道的启动来喷出材料进行打印，直到打印完成。
以下列举一个具体实施方案，打印包含A、B、C和D四种材料的圆柱体，成分比例分别为A:B:C:D＝10％:20％:30％:50％。将其等效为打印通道输出量的比例，即K:C:M:Y＝10％:20％:30％:50％。根据式(1)，计算得到R＝115,G＝102,B＝89。三维模型建立时按照此RGB值赋予模型颜色；进行彩色切片，得到一系列包含尺寸和颜色信息的BMP图形；依据每一个BMP图形，经过数字光栅处理控制喷头K、C、M、Y通道的输出，逐层打印粘结成形，得到所需材料成分的三维实体。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立多材料三维模型；
步骤二，对三维模型进行彩色切片，得到一系列包含尺寸和颜色信息的单层截面图像；
步骤三，对每层的单层截面图像，基于数字光栅处理器将单层截面图像转化为二值半色调图像；
步骤四，根据二值半色调图像，由3DP打印设备打印模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，步骤一中所述的建立多材料三维模型，具体包括如下过程：建立多材料与色彩的映射关系，不同材料的比例与模型RGB色彩间的映射关系,如下式所示：
式中，N代表N组喷头，i＝1,2,…N,N<＝255，i表示第i组喷头；Ki、Ci、Mi、Yi的取值范围为0-100％，表征第i组喷头所对应四种材料的比例；由所需要的比例要求，由映射关系计算得到Ri、Gi、Bi值。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，在三维建模时，按照材料比例划分为不同的区域，每个区域赋予所计算得到的RGB颜色值，模型建立完毕后，存为可保存颜色信息的3MF或OBJ文件格式。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，所述的步骤二中对三维模型进行彩色切片，具体包括如下步骤：
(1)设定切片层的层厚和DPI的值；
(2)根据设定的层厚，进行3MF或者OBJ三维模型的切片；首先遍历模型的所有三角面片，根据三角面片三个顶点的Z向高度信息，标记与当前层相交的三角面片；然后对当前切片层与标记三角面片求交布尔计算，得到相交线；最后对相交线进行合并得到切片层和三维模型的相交轮廓；
(3)根据设定的DPI，对切片层轮廓进行RGB色彩填充；打印时，DPI的大小为打印点的密度；按照设定的DPI对切片轮廓进行像素化，每个像素点代表一个打印点；具体为：首先根据DPI和打印幅面大小计算幅面的像素值，把幅面的长宽尺寸转化为像素点数，采用如下公式：像素值＝长度*DPI，将幅面栅格化，然后进行填充，先遍历每个像素点，判断像素点位置是否位于步骤(1)所求得轮廓的内部，在内部进行填充；最后再进行染色，遍历每个填充像素点，计算该像素点在对应的三角面片里的位置，然后根据三角面片顶点的颜色RGB值进行像素染色，得到基于RGB值的彩色切片。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，所述的基于数字光栅处理器将单层截面图像转化为基于KCMY的二值半色调图像，转化时采用基于阈值矩阵的调幅加网算法，其中K、C、M、Y各通道采用不同的加网通道。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字光栅图像处理器的多材料3D打印方法，其特征在于，步骤四中所述根据二值半色调图像，由3DP打印设备控制K、C、M、Y打印通道打印模型，包括如下过程：打印喷头4个不同的颜色通道对应K、C、M、Y四种颜色，至少每4个颜色通道作为1组；半色调图像由一系列像素点组成，每个点具有K、C、M、Y四色中的一种颜色，喷头在打印时根据半色调图像点的颜色选择对应的通道进行打印；在步骤三中不同片层中的颜色通过数字光栅处理器把颜色的变化转换为不同的通道信息，然后把相应的通道信息传递给控制器，控制器按照处理器传递来的通道信息进行相应通道的启动来喷出材料，进行打印。
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