CN115107270A - 消除彩色3d打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法及装置，属于3D打印技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：基于正金字塔型着色边界自适应规划策略，通过DOD型彩色3D打印机并行集成喷射料阵列裂变装置及控制系统中喷涂料的微滴喷射与UV曝光的时间差分配来实现着色边界微滴填充，利用彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型的表征优势，对彩色3D打印着色边界所形成的不连续物理失真进行形貌一体化精确调控，有效地提升了彩色3D打印高保真制造能力及效率；本发明应用于彩色3D打印。
Description
技术领域
本发明提供了一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法及装置，属于3D打印技术领域。
背景技术
随着3D打印效率增加及其打印材料成本下降，3D打印在工程制造及个性化制造等领域应用越来越广。从产业化角度看，3D打印又可分为功能3D打印及彩色3D打印两大类，其中彩色3D打印在个性化定制应用中初具规模。彩色3D打印在先进制造方面的关键优势有设计数字化、材料功能化、流程智能化及色彩保真化，广泛应用于文化创意、地理地貌、服饰艺术、科普教育及食品食物等颜色要求苛刻的个性化制造领域。彩色3D打印产品不仅要求其成型件表面精度，而且对其表面外貌再现精度也有苛刻的要求，这使得彩色3D打印新工艺及彩色精确再现新方法的开发变得日益重要。
彩色3D打印技术与装备都面临由刨切分层后的切片叠加成型的表面轮廓呈阶梯状的不连续物理失真难题，这就是3D打印社区所称呼的“阶梯效应”。由于阶梯效应属于原理性误差，当前的消除方法对当前的彩色3D打印设备难于达到形貌一体化精确调控，不具有基材及机型下的阶梯效应消除通用性。
为解决上述问题，本发明提出了一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法及装置，本发明充分利用彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型的表征优势，对彩色3D打印着色边界所形成的不连续物理失真进行形貌一体化精确调控，有效地提升了彩色3D打印高保真制造能力及效率，并以一体化工艺流程减少了后处理工序所需的高能耗需求。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，基于正金字塔型着色边界自适应规划策略，通过DOD型彩色3D打印机并行集成喷射料阵列裂变装置及控制系统中喷涂料的微滴喷射与UV曝光的时间差分配来实现着色边界微滴填充，具体成型方法包括以下步骤：
S1：将彩色3D模型输入彩色3D打印机，确定彩色3D模型的彩色切片分层策略方法；
S2：彩色3D模型刨切分层及其着色边界喷墨控制信号生成；
S3：计算着色边界填充所需喷涂料及其阵列喷射控制信号生成；
S4：喷射料阵列裂变微滴及其首切片层固化控制初始信号生成；
S5：新彩色切片的填充策略判定及其微滴阶段性控制信号生成；
S6：全部彩色切片着色边界所需微滴填充及固化的控制规划生成。
所述步骤S1具体包括：
先在DOD型彩色3D打印机中输入正金字塔型彩色3D模型，根据彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型及所用油墨着色特性确定彩色3D模型的建造方向及分层策略。
所述步骤S2具体包括：
确定影响阶梯效应的关键要素及设置影响阶梯效应的权重参数后，根据上述关键要素及权重参数再进行彩色切片负公差法分层，并同步生成彩色切片边界着色的基色量及墨量控制信号。
所述步骤S3具体包括：
结合彩色切片着色边界圆周方向上的色度值及几何失真参数模型来计算相邻切片着色边界所形成的阶梯三角形空间填充所需的喷涂料成分与数量，并同步生成喷涂料阵列喷射控制信号。
所述步骤S4具体包括：
在彩色切片着色边界的某起始位置开始，顺着圆周方向逐点比对其轮廓法向量与建造方向向量之间所形成的切层斜率来生成控制喷射料阵列裂变微滴的模具水平抖动信号或竖直倾斜信号、UV光固化信号及废弃液滴回收信号。
所述步骤S5具体包括：
当完成现有彩色切片层的喷射料微滴填充固化成型后，喷射料阵列裂变装置则返回初始状态，并在喷印新彩色切片层时，以新着色边界阶梯三角形坡度正切值与ε的判定关系确定新彩色切片层的轮廓位置是否填充，来平衡其消除效果及打印效率。
所述步骤S6具体包括：
若新着色边界阶梯三角形坡度正切值不小于ε则选择当前新彩色切片层的边界轮廓位置连续填充，再结合当前新彩色切片层的轮廓位置的切层斜率与γ对比判定结果，更新喷射料阵列裂变装置的运行控制信号，反之则选择离散填充，直至所有彩色切片层边界都微滴填充完毕。
所述正金字塔型着色边界自适应规划策略是指从彩色3D打印正金字塔型着色边界的着色成分及几何关系出发，以调控当前相邻切片层边界之间所存在的阶梯三角形空间填充为目标，形成切片边界周长方向的整体填充与局部填充以及切片建造方向的连续填充与离散填充的四类调控方式，再结合切片着色边界彩色成分的分配数据及固化特性，按照视觉阈值、表面能及切层斜率综合规划彩色切片边界固化喷涂料的成分比例及堆积顺序。
所述彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型是指基于彩色3D打印阶梯效应案例库的样品形貌耦合失真分析，通过回归统计或者神经网络训练来构建彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真表征的客观度量与主观度量之间的数值关系模型。
一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充装置，包括DOD型彩色3D打印机、在DOD型彩色3D打印机的喷嘴单元上并行集成的喷射料阵列裂变装置、控制系统，所述控制系统控制DOD型彩色3D打印机、喷射料阵列裂变装置运行，其中控制系统中集成有消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法的运行程序；
所述喷射料阵列裂变装置主要由液滴阵列裂变模具、机械抖动与倾斜装置、废料回收装置、UV固化装置及定位传感器构成；
所述液滴裂变模具是一种由带周向切口阵列的长方块式金属版材且其上表面含起着废弃液滴导流作用的微流汇聚结构，所述带周向切口阵列的外端为带有弧形连接的设定角度的切割结构，带周向切口阵列的内端为与金属版材同厚的壁面光滑的中空结构；
所述机械抖动与倾斜装置是由高频电机、连杆、偏心轮、棘轮及弹簧组成的水平方向抖动与竖直方向倾斜的控制装置；
所述废料回收装置采用液料管与所述液滴阵列裂变模具的微流汇聚结构相连；
所述UV固化装置及所述定位传感器并行安装于所述液滴阵列裂变模具下表面的四端点。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明利用彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真的量化模型表征当前彩色3D模型刨切分层所需的策略算法及成型路径规划，结合并行安装的喷射料阵列裂变装置对彩色3D打印着色边界进行更小尺寸的微滴喷射、附着及固化成型，进而达到数字化调控彩色3D打印件表面的轮廓及外貌失真特征，在成型过程中精确消除阶梯效应难题。本发明充分利用了喷涂料阵列裂变模具的物理液滴裂变分割，可以将切割后多余的未固化喷涂料液滴进行回收再利用。
本发明提出了正金字塔型着色边界自适应规划策略，该规划策略相对现有技术的具体有益效果：在着色边界的着色成分及几何关系理解的基础上构建了彩色切片边界填充的喷涂料成分与顺序的自适应调控策略，既满足当前彩色3D打印工艺流程的流畅性，又能够准确提供数字化的精确调控，还可以保持加工流程中其打印及调控的制造效率。
本发明提出了DOD型彩色3D打印机并行集成的喷射料阵列裂变装置，该装置相对现有技术的具体有益效果：当前并行集成的喷射料阵列裂变装置的机构组成简洁且可模块化生成，既提供了更小尺寸的液滴固化成型能力，也可用于现有彩色3D打印机的功能改装，还可据此开发独立用于其他基材3D打印制品表面阶梯效应消除的后加工装置。
本发明提出了彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型，该模型相对现有技术的具体有益效果：形貌耦合失真量化模型既能为即将打印的彩色3D模型提供彩色3D打印阶梯效应“产生-表征”融合分析，又能集成表征“形失真”与“貌失真”的严重程度，还可为自适应控制算法提供精确的参数判定。
综上所述，本发明的着色边界微滴填充方法及装置精确高效，能有效调控彩色3D打印制品表面阶梯效应，并为高保真彩色3D打印机开发提供创新方法。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法的流程图；
图2为本发明施例中消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充的步骤示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明旨在提供一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法及装置，通过正金字塔型着色边界阶的着色成分及几何特性理解，在DOD型彩色3D打印机的喷嘴单元上并行集成了喷射料阵列裂变装置，并结合形貌耦合失真量化模型及刨切分层方法来生成彩色3D打印阶梯效应形貌一体化调控的运行控制信号，进而提供无阶梯效应的彩色3D打印制品的成型规划。
本发明为了实现上述目标，具体采用以下技术方案：
一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，基于正金字塔型着色边界自适应规划策略，通过DOD型彩色3D打印机并行集成喷射料阵列裂变装置及改进控制系统中喷涂料的微滴喷射与其UV曝光的时间差分配来实现着色边界微滴填充，具体成型方法包括以下步骤：
1）、先输入正金字塔型彩色3D模型，根据彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型及所用油墨着色特性确定其建造方向及分层策略；
2）、确定影响阶梯效应的关键要素及设置其权重参数后，据此再进行彩色切片负公差法分层，并同步生成彩色切片边界着色的基色量及墨量控制信号；
3）、再结合彩色切片着色边界圆周方向上的色度值及几何失真参数模型来计算相邻切片着色边界所形成的阶梯三角形空间填充所需的喷涂料成分与数量，并同步生成喷涂料阵列喷射控制信号；
所述几何失真参数模型通过对每个阶梯切层的空白面积的阶梯误差进行计算，并对阶梯误差进行加权，对相邻切片着色边界所形成的阶梯三角形空间填充所需的喷涂料成分与数量进行控制；
4）、在彩色切片着色边界的某起始位置开始，顺着圆周方向逐点比对其轮廓法向量与建造方向向量之间所形成的切层斜率来生成控制喷射料阵列裂变微滴的模具水平抖动信号或竖直倾斜信号、UV光固化信号及废弃液滴回收信号；
5）、当完成现有彩色切片层的喷射料微滴填充固化成型后，喷射料阵列裂变装置则返回初始状态，并在喷印新彩色切片层时，以新着色边界阶梯三角形坡度正切值与ε（初始取1）的判定关系确定其轮廓位置是否填充，来平衡其消除效果及打印效率；
6）、若其正切值不小于ε则选择当前新彩色切片边界轮廓位置连续填充，再结合当前新彩色切片的轮廓位置的切层斜率与γ（初始取0）对比判定结果，更新喷射料阵列裂变装置的运行控制信号，反之则选择离散填充，直至所有彩色切片层边界都微滴填充完毕。
所述正金字塔型着色边界自适应规划策略是指从彩色3D打印正金字塔型着色边界的着色成分及几何关系理解出发，以调控当前相邻切片层边界之间所存在的阶梯三角形空间填充为目标，形成切片边界周长方向的整体填充与局部填充以及切片建造方向的连续填充与离散填充等四类调控方式，再结合切片着色边界彩色成分的分配数据及固化特性，按照视觉阈值、表面能及切层斜率综合规划彩色切片边界固化喷涂料（基色墨、白墨、透明墨）的成分比例及堆积顺序等具有自适应调控的规划思路。
所述喷射料阵列裂变装置是由液滴阵列裂变模具、机械抖动与倾斜装置、废料回收装置、UV固化装置及定位传感器构成；所述液滴裂变模具是一种由带周向切口阵列的长方块式金属版材且其上表面含起着废弃液滴导流作用的微流汇聚结构，所述周向切口外端为带有弧形连接的特定角度切割结构用于喷涂料液滴切割裂变，上述特定角度具体为在竖直方向上呈0-5°的角度，周向切口内端为与金属版材同厚的壁面光滑的中空结构；所述机械抖动与倾斜装置是由高频电机、连杆、偏心轮、棘轮及弹簧组成的水平方向抖动与竖直方向倾斜的控制装置；所述废料回收装置采用液料管与所述液滴阵列裂变模具的微流汇聚结构相连；所述UV固化装置及所述定位传感器并行安装于所述液滴阵列裂变模具下表面的四端点。
所述彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型是指基于彩色3D打印阶梯效应案例库的样品形貌耦合失真分析，通过回归统计或者神经网络训练来构建彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真表征的客观度量与主观度量之间的数值关系模型；其中客观度量包括粗糙度、光泽度、透明度、色度和白度五个度量参数，主观度量包括Z分数和平均意见值，客观度量与主观度量之间的数值关系模型是通过对每个样品的客观度量、主观度量参数分别作差，将客观度量、主观度量两者差值进行线性拟合，求出权值。
所述喷射料阵列裂变装置的运行控制信号是通过一种包含工艺参数（如喷射速度、喷射距离、喷射成分、着色模式、固化速率等）及自适应参数（如抖动频率、抖动幅度、内径尺寸、内径锐度与倾斜角度等）的功能函数来数字化规划表达的。
本发明充分利用彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型的表征优势，对彩色3D打印着色边界所形成的不连续物理失真进行形貌一体化精确调控，有效地提升了彩色3D打印高保真制造能力及效率，并以一体化工艺流程减少了后处理工序所需的运输及加工等高能耗需求。本发明的着色边界微滴填充方法及装置精确高效，能有效调控彩色3D打印制品表面阶梯效应，并为高保真彩色3D打印机开发提供创新方法。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：基于正金字塔型着色边界自适应规划策略，通过DOD型彩色3D打印机并行集成喷射料阵列裂变装置及控制系统中喷涂料的微滴喷射与UV曝光的时间差分配来实现着色边界微滴填充，具体成型方法包括以下步骤：
S1：将彩色3D模型输入彩色3D打印机，确定彩色3D模型的彩色切片分层策略方法；
S2：彩色3D模型刨切分层及其着色边界喷墨控制信号生成；
S3：计算着色边界填充所需喷涂料及其阵列喷射控制信号生成；
S4：喷射料阵列裂变微滴及其首切片层固化控制初始信号生成；
S5：新彩色切片的填充策略判定及其微滴阶段性控制信号生成；
S6：全部彩色切片着色边界所需微滴填充及固化的控制规划生成。
2.根据权利要求1所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：
先在DOD型彩色3D打印机中输入正金字塔型彩色3D模型，根据彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型及所用油墨着色特性确定彩色3D模型的建造方向及分层策略。
3.根据权利要求2所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：
确定影响阶梯效应的关键要素及设置影响阶梯效应的权重参数后，根据上述关键要素及权重参数再进行彩色切片负公差法分层，并同步生成彩色切片边界着色的基色量及墨量控制信号。
4.根据权利要求3所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：
结合彩色切片着色边界圆周方向上的色度值及几何失真参数模型来计算相邻切片着色边界所形成的阶梯三角形空间填充所需的喷涂料成分与数量，并同步生成喷涂料阵列喷射控制信号。
5.根据权利要求4所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：
在彩色切片着色边界的某起始位置开始，顺着圆周方向逐点比对其轮廓法向量与建造方向向量之间所形成的切层斜率来生成控制喷射料阵列裂变微滴的模具水平抖动信号或竖直倾斜信号、UV光固化信号及废弃液滴回收信号。
6.根据权利要求5所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括：
当完成现有彩色切片层的喷射料微滴填充固化成型后，喷射料阵列裂变装置则返回初始状态，并在喷印新彩色切片层时，以新着色边界阶梯三角形坡度正切值与ε的判定关系确定新彩色切片层的轮廓位置是否填充，来平衡其消除效果及打印效率。
7.根据权利要求6所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：
若新着色边界阶梯三角形坡度正切值不小于ε则选择当前新彩色切片层的边界轮廓位置连续填充，再结合当前新彩色切片层的轮廓位置的切层斜率与γ对比判定结果，更新喷射料阵列裂变装置的运行控制信号，反之则选择离散填充，直至所有彩色切片层边界都微滴填充完毕。
8.根据权利要求1所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述正金字塔型着色边界自适应规划策略是指从彩色3D打印正金字塔型着色边界的着色成分及几何关系出发，以调控当前相邻切片层边界之间所存在的阶梯三角形空间填充为目标，形成切片边界周长方向的整体填充与局部填充以及切片建造方向的连续填充与离散填充的四类调控方式，再结合切片着色边界彩色成分的分配数据及固化特性，按照视觉阈值、表面能及切层斜率综合规划彩色切片边界固化喷涂料的成分比例及堆积顺序。
9.根据权利要求2所述的一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法，其特征在于：所述彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真量化模型是指基于彩色3D打印阶梯效应案例库的样品形貌耦合失真分析，通过回归统计或者神经网络训练来构建彩色3D打印阶梯效应形貌耦合失真表征的客观度量与主观度量之间的数值关系模型。
10.一种消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充装置，其特征在于：包括DOD型彩色3D打印机、在DOD型彩色3D打印机的喷嘴单元上并行集成的喷射料阵列裂变装置、控制系统，所述控制系统控制DOD型彩色3D打印机、喷射料阵列裂变装置运行，其中控制系统中集成有如权利要求1-9任一项所述的消除彩色3D打印阶梯效应的着色边界微滴填充方法的运行程序；
所述喷射料阵列裂变装置主要由液滴阵列裂变模具、机械抖动与倾斜装置、废料回收装置、UV固化装置及定位传感器构成；
所述液滴裂变模具是一种由带周向切口阵列的长方块式金属版材且其上表面含起着废弃液滴导流作用的微流汇聚结构，所述带周向切口阵列的外端为带有弧形连接的设定角度的切割结构，带周向切口阵列的内端为与金属版材同厚的壁面光滑的中空结构；
所述机械抖动与倾斜装置是由高频电机、连杆、偏心轮、棘轮及弹簧组成的水平方向抖动与竖直方向倾斜的控制装置；
所述废料回收装置采用液料管与所述液滴阵列裂变模具的微流汇聚结构相连；
所述UV固化装置及所述定位传感器并行安装于所述液滴阵列裂变模具下表面的四端点。
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