CN115592954A - 一种粘结剂喷射3d打印的切片生成方法 - Google Patents

Abstract

一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，为解决由于粘结剂喷射3D打印过程中的打印墨量固定，导致打印小图案后使所述图案变得模糊，打印大图案后在脱脂、烧结过程中会产生气孔缺陷的问题，首先建立3D模型；将3D模型从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓；得到每层待打印的轮廓并定位；缩放并定位每层已定位的待打印的轮廓，保存缩放后的轮廓；将每层缩放前后的轮廓保存在同一张切片上，且中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度处理，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，得到局部灰度化切片集；重复上述缩放和灰度填充，得到新局部灰度化切片集，再进行二值化处理，自定义每张切片的信息，得到待打印的切片集。

Description

一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法

技术领域

本发明涉及一种切片生成方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印作为一种无模成型与近净成型工艺，具有成型高度复杂结构零件的潜力，因此备受关注。粘结剂喷射3D打印(Binder Jetting，BJ)是一种在粉床上逐层定向沉积粘结剂，同时逐层铺粉的3D打印工艺。BJ打印目前被广泛应用于砂型制造、金属3D打印、陶瓷3D打印以及高分子3D打印等领域，其具有材料适用性强、成型速率快、成本低等优点，也被认为是即具有潜力与研究价值的3D打印工艺。

粘结剂喷射3D打印成型过程中粘结剂是成型的关键所在，它是打印件成型的主要粘结力的来源。粘结剂含量更是与打印胚体的强度与精度直接相关。粘结剂过多易导致胚体出现“bleeding”缺陷，使打印失败；粘结剂过少导致胚体的层间结合力不足，使打印件出现整体的偏移。特别是对于陶瓷及金属材料的BJ成型来说，需要对胚体进行进一步的脱脂处理。常用的脱脂工艺包括热脱脂、催化脱脂等，对于BJ工艺来说，相对于其他成型工艺，常采用热脱脂手段进行脱脂。然而，粘结剂过多，在脱脂过程中会导致气孔的产生，导致打印件致密度下降，甚至称为后续烧结过程中的裂纹源。因此如何对粘结剂含量进行精确地控制是BJ成型的关键。

由于BJ打印机器及其切片软件的限制，通常BJ的过程中切片结果是切片集，所述切片的灰度与墨量之间很难实现局部单位墨量的控制(打印时每一层的墨量控制)。从切片软件角度上来说，传统的BJ打印切片(图片/切片集)的灰度是固定的，即单层切片的单位面积喷墨量是固定的，对于单个打印模型来说，一般无法实现局部墨量控制。一定程度上限制了BJ打印成型精度及强度研究的进展。从BJ打印喷头角度来说，为了保证BJ打印喷头的稳定性，目前BJ打印喷墨通常只能产生一种大小的液滴。对于固定粘结剂来说，单个打印模型的单位喷墨量是固定的。

(1)打印墨量固定，忽略了打印图案的差异造成的最佳打印墨量差异，一些精细的图案可能不需要太多的单位面积墨量，太多的墨量反而导致图案变得模糊；

(2)对于一些尺寸较大的图案，内部的单位面积粘结剂量不必与边界处的粘结剂含量保持一致，打印模型内部太高的粘结剂含量可能导致后续脱脂、烧结过程中产生气孔缺陷。

发明内容

本发明为了解决由于粘结剂喷射3D打印过程中的打印墨量固定，导致打印小图案后使所述图案变得模糊，打印大图案后在脱脂、烧结过程中会产生气孔缺陷的问题，进而提出了一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法。

本发明采取的技术方案是：

它包括以下步骤：

S1、建立待打印的3D模型；

S2、将3D模型从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓；

S3、根据每层3D模型的轮廓，利用opencv库得到每层待打印的轮廓，对每层待打印的轮廓进行定位；

S4、对每层已定位的待打印的轮廓进行缩放处理，并对缩放后的轮廓进行定位，保存缩放后的轮廓；

S5、将每层缩放前的轮廓和缩放后的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集；

S6、对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4-S5，自定义重复执行的次数，得到新局部灰度化切片集；

S7、对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理；

S8、自定义二值化处理后的每张切片的像素值、dpi，利用python修改所述切片的名称，得到待打印的切片集。

进一步地，所述3D模型为stl格式。

进一步地，所述S2中将3D模型从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓，具体过程为：

将建立的3D模型导入python内，自定义每层厚度，将3D模型从下至上分为多层，根据自定义的每层厚度利用hashlib库和struct库记录每层中3D模型轮廓的位置坐标，再利用svgwrite库将每层的3D模型轮廓转换为切片，得到所有层的切片，所述切片为svg格式，将所有层的切片合并得到切片集，依次利用svglib库和reportlab库将svg格式的切片转换为tif格式的切片，得到tif格式的新切片集。

进一步地，所述S3中根据每层3D模型的轮廓，利用opencv库得到每层待打印的轮廓，对每层待打印的轮廓进行定位，具体过程为：

利用opencv库提取某张切片内的3D模型轮廓，得到多个轮廓，对多个轮廓进行编号，自定义设置最佳的轮廓参数，得到最佳的轮廓作为所述切片内待打印的轮廓，并对最佳的轮廓进行灰度填充处理，再获得最佳的轮廓的外接定位四边形，得到已定位的待打印轮廓的切片，即得到某层已定位的待打印的轮廓，重复上述操作，得到所有层已定位的待打印的轮廓及其对应的切片。

进一步地，所述S4中对每层已定位的待打印的轮廓进行缩放处理，并对缩放后的轮廓进行定位，保存缩放后的轮廓，具体过程为：

利用opencv库对S3中得到的每张切片进行缩放处理，将缩放后的切片的中心点和缩放前的切片的中心点重合，保存缩放后的切片。

进一步地，所述缩放比例区间为(0-1]。

进一步地，所述S5中将每层缩放前的轮廓和缩放后的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集，具体过程为：

利用opencv库将每层缩放前切片内的轮廓和对应的缩放后切片内的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前轮廓和缩放后轮廓中心点重合，所述保存后的切片为tif格式，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集。

进一步地，所述S6中对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4时均需改变缩放比例。

进一步地，所述S7中对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理，具体过程为：

读取局部灰度化切片集中每张切片上每个像素点的rgb值，建立所述rgb值与黑色像素出现概率的关系，根据所述关系将所述切片转换为二值化切片。

进一步地，所述建立rgb值与黑色像素出现概率的关系有以下两种方式：

1)、通过pillow库convert函数直接转换；

2)、读取每一个像素点的rgb值，rgb值为0-255，给定一个随机数,随机数取值区间为(0-255]，将rgb值与随机数比较，小于随机数则赋予像素值为白色像素，相反，为黑色像素。

有益效果：

本发明利用python将建立好的stl格式的3D模型按照自定义的分层厚度从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓，一层对应有一张切片；根据每层3D模型的轮廓，利用opencv库得到每层待打印的轮廓，对每层待打印的轮廓进行定位；对每层已定位的待打印的轮廓进行缩放处理，并对缩放后的轮廓进行定位，保存缩放后的轮廓；将每层缩放前的轮廓和缩放后的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集；对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4-S5，自定义重复执行的次数，得到新局部灰度化切片集；对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理，将灰度填充的区域转换成相应的黑色像素密度不同的区域；自定义二值化处理后的每张切片的像素值、dpi，利用python修改所述切片的名称，得到待打印的切片集。

本发明可以根据需要的灰度阶数设置每一层轮廓从内到外的灰度，例如，如果需要4阶灰度，可以设置每一层轮廓从内到外依次为255阶，255/4*3＝192阶，255/4*2＝127阶，255/4＝63阶，即通过修改切片信息，利用3D模型的分层切片的单层切片灰度不一致，实现粘结剂喷射3D打印成型的局部墨量可控。将传统的单位面积墨量固定的粘结剂喷射3D打印方式改为局部(单层切片)墨量不一致的打印方式，使得粘结剂喷射3D打印在打印中粘结剂的局部(单层切片)用量更容易控制，解决了由于打印图案过大或过小带来的问题。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是实施例中的三维模型图；

图3是实施例中tif轮廓图；

图4是实施例的局部灰度填充切片图；

图5是实施例中用黑色像素密度代替灰度的切片图；

图6是图5中10.tif的局部放大；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，它包括以下步骤：

S1、建立待打印的3D模型。所述3D模型为stl格式。

根据需要打印的物品，利用传统的方式建立它的3D打印模型，即对它进行建模，将建立完成的模型存储为stl格式。

S2、将3D模型从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓，具体过程为：

将建立的3D模型导入python内，自定义每层厚度，本发明的每层厚度是50-250μm，将3D模型从下至上分为多层，根据自定义的每层厚度利用hashlib库和struct库记录每层中3D模型轮廓的位置坐标，hashlib库是为了提取3D模型的信息，struct库是为了对模型信息进行转换，为了后续的svgwrite可以识别，再利用svgwrite库将每层的3D模型轮廓转换为切片(图片)，得到所有层的切片，所述切片为svg格式，将所有层的切片合并得到切片集(图片集)，依次利用svglib库和reportlab库将svg格式的切片转换为tif格式的切片，得到tif格式的新切片集(新图片集)。

S3、根据每层3D模型的轮廓，利用opencv库得到每层待打印的轮廓，对每层待打印的轮廓进行定位，具体过程为：

利用opencv库中的cv2.findContours提取切片集(图片集)中某张切片(某层)内的3D模型轮廓，得到多个轮廓，对多个轮廓进行编号，自定义设置最佳的轮廓参数，得到最佳的轮廓作为所述切片内待打印的轮廓，并对最佳的轮廓进行灰度填充处理，排除不必要的轮廓，所述灰度是指黑色的亮度。再利用opencv库中的cv2.minAreaRect获得最佳的轮廓的外接定位四边形，确定外接定位四边形四个顶点的坐标，中心坐标，所述外接定位四边形对待打印的轮廓进行定位，便于后续的打印。得到已定位的待打印轮廓的切片，即得到某层已定位的待打印的轮廓，重复上述操作，得到所有层已定位的待打印的轮廓及其对应的切片。

S4、对每层已定位的待打印的轮廓进行缩放处理，并对缩放后的轮廓进行定位，保存缩放后的轮廓，具体过程为：

所述缩放比例区间为(0-1]。

利用opencv库中的cv2.resize对S3中得到的每张切片进行缩放处理，再利用cv2.copyMakeBorder移动缩放后的切片，将缩放后的切片的中心点和缩放前的切片(S3中得到的切片)的中心点重合，实现对缩放后的切片进行定位，但此时中心点重合后的轮廓位于两张切片上，需要将其转为一张切片上。保存缩放后的切片。

S5、将每层缩放前的轮廓和缩放后的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集。具体过程为：

利用opencv库中的cv2.drawContours将每层缩放前的切片内的轮廓和对应的缩放后的切片内的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，所述保存后的切片为tif或png或jpg格式，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集(图片集)。

此步骤可以对不同阶数之间的灰度阶数关系进行修改。例如，如果需要4阶灰度，可以设置每一层轮廓从内到外依次为255阶，255/4*3＝192阶，255/4*2＝127阶，255/4＝63阶。

S6、对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4-S5，按照自身的需要自定义重复执行的次数，得到新局部灰度化切片集。

所述对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4时均需改变缩放比例。

获得的新局部灰度化切片集(图片集)中的每张切片均为3个或多个灰度。

S7、对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理，具体过程为：

读取局部灰度化切片集中每张切片上每个像素点的rgb值，建立所述rgb值与黑色像素出现概率的关系，根据所述关系将所述切片转换为二值化切片。

对于不能够改变液滴大小的BJ喷头(只能够产生一种液滴大小)或者灰度阶数大于喷头所能产生液滴大小数目的情况来说，还需要将灰度转换成黑色像素的密度，所以对灰度切片进行二值化处理，读取每张灰度切片上每个像素点的rgb值，建立rgb值与黑色像素出现概率的关系，进而将某一灰度的轮廓转换成相应的黑色像素密度不同的轮廓。

所述建立rgb值与黑色像素出现概率的关系，有以下两种方式：

1)、通过pillow库convert函数直接转换；

2)、读取每一个像素点的rgb值，rgb值为0-255，给定一个随机数,随机数取值区间为(0-255]，即大于等于0，小于等于255，将rgb值与随机数比较，小于随机数则赋予像素值为255(白色像素)，相反，为黑色像素。

S8、自定义二值化处理后的每张切片的像素值、dpi，利用python修改所述切片的名称，得到待打印的切片集。

对局部灰度化切片集中二值化处理后的每张切片的像素值、dpi进行调整，进而实现打印轮廓的移动和缩放，并利用python对打印切片的命名进行修改，方便BJ打印机进行打印层厚信息的识别，得到待打印的切片集，将切片集导入BJ打印机进行打印。

本发明将传统的单位面积墨量固定的粘结剂喷射3D打印方式改为局部(单层切片)墨量不一致的打印方式，利用3D模型的分层切片(图片)的单层切片灰度不一致，使得粘结剂喷射3D打印在打印中粘结剂的局部(单层切片)用量更容易控制，即通过对切片(图片)信息进行修改，实现粘结剂喷射3D打印成型的局部墨量可控。

实施例

根据图2-图6所示，建立花瓶的三维模型，所述三维模型保存为stl格式文件。将花瓶的三维模型导入Python内，将所述三维模型从上至下或从下至上分为多层，自定义每层厚度是50-250μm，利用hashlib库和struct库对每一层的3D模型轮廓位置坐标进行记录，再利用svgwrite库生成每层花瓶单层轮廓的切片，如此，得到所有层的切片，组成切片集，每张切片的格式为svg，利用svglib库和reportlab库将切片集转换为tif格式的切片集。利用opencv库中的cv2.findContours提取tif格式的每张切片内的轮廓，得到多个轮廓，对多个轮廓进行编号，根据实际情况自定义设置最佳(合适)的轮廓参数，得到最佳(合适)的轮廓作为所述切片内待打印的轮廓，并对所述轮廓进行灰度填充处理，再利用cv2.minAreaRect提取所述轮廓的外接四边形，外接四边形用于对所述轮廓进行定位，确定外接四边形四个顶点的坐标及中心坐标，得到外接四边形的中心点，得到已定位的待打印轮廓的切片，即得到某层已定位的待打印的轮廓，重复上述操作，得到每层已定位的待打印的轮廓及其对应的切片。利用cv2.resize将切片缩放至原切片的60％，利用cv2.copyMakeBorder对切片进行移动，使缩放后的切片的中心点与缩放前的轮廓中心点重合，实现对缩放后的切片进行定位，将缩放的切片进行保存。利用cv2.drawContours将缩放前后的轮廓依次画到同一张tif切片上，并依次进行两个灰度的填充的处理，灰度分别是170，140阶。依次对每张切片进行上述处理，生成局部灰度化切片集。对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行缩放操作与灰度填充处理操作，自定义重复执行的次数为1，可以获得3个灰度的切片集灰度分别是170，140，55阶。对于不能够改变液滴大小的BJ喷头(只能够产生一种液滴大小)来说，还需要将每张切片中的灰度转换成黑色像素的密度，即对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理，具体过程为：通过读取局部灰度化切片集中每张切片上每一个像素点的rgb值，并建立其与黑色像素出现概率之间的联系，将每张切片设定为二值化的图像。通过修改二值化切片的像素值、dpi等操作对切片(图片)集进行标准化处理，将处理后的切片输入BJ打印机进行打印处理。

Claims (10)

1.一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、建立待打印的3D模型；

S2、将3D模型从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓；

S3、根据每层3D模型的轮廓，利用opencv库得到每层待打印的轮廓，对每层待打印的轮廓进行定位；

S4、对每层已定位的待打印的轮廓进行缩放处理，并对缩放后的轮廓进行定位，保存缩放后的轮廓；

S5、将每层缩放前的轮廓和缩放后的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集；

S6、对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4-S5，自定义重复执行的次数，得到新局部灰度化切片集；

S7、对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理；

S8、自定义二值化处理后的每张切片的像素值、dpi，利用python修改所述切片的名称，得到待打印的切片集。

2.根据权利要求1中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述3D模型为stl格式。

3.根据权利要求2中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述S2中将3D模型从下至上分为多层，提取并保存每层3D模型的轮廓，具体过程为：

将建立的3D模型导入python内，自定义每层厚度，将3D模型从下至上分为多层，根据自定义的每层厚度利用hashlib库和struct库记录每层中3D模型轮廓的位置坐标，再利用svgwrite库将每层的3D模型轮廓转换为切片，得到所有层的切片，所述切片为svg格式，将所有层的切片合并得到切片集，依次利用svglib库和reportlab库将svg格式的切片转换为tif格式的切片，得到tif格式的新切片集。

4.根据权利要求3中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述S3中根据每层3D模型的轮廓，利用opencv库得到每层待打印的轮廓，对每层待打印的轮廓进行定位，具体过程为：

利用opencv库提取某张切片内的3D模型轮廓，得到多个轮廓，对多个轮廓进行编号，自定义设置最佳的轮廓参数，得到最佳的轮廓作为所述切片内待打印的轮廓，并对最佳的轮廓进行灰度填充处理，再获得最佳的轮廓的外接定位四边形，得到已定位的待打印轮廓的切片，即得到某层已定位的待打印的轮廓，重复上述操作，得到所有层已定位的待打印的轮廓及其对应的切片。

5.根据权利要求4中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述S4中对每层已定位的待打印的轮廓进行缩放处理，并对缩放后的轮廓进行定位，保存缩放后的轮廓，具体过程为：

利用opencv库对S3中得到的每张切片进行缩放处理，将缩放后的切片的中心点和缩放前的切片的中心点重合，保存缩放后的切片。

6.根据权利要求5中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述缩放比例区间为(0-1]。

7.根据权利要求6中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述S5中将每层缩放前的轮廓和缩放后的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前的轮廓和缩放后的轮廓中心点重合，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集，具体过程为：

利用opencv库将每层缩放前切片内的轮廓和对应的缩放后切片内的轮廓保存在同一张切片上，且缩放前轮廓和缩放后轮廓中心点重合，所述保存后的切片为tif或png或jpg格式，依次对两个轮廓进行灰度填充处理，两个轮廓的灰度阶数不同，得到每层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，重复执行上述操作，得到所有层灰度填充处理后的两个轮廓及其对应的切片，将得到的所有切片整合，得到局部灰度化切片集。

8.根据权利要求7中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述S6中对局部灰度化切片集中的每张切片重复执行S4时均需改变缩放比例。

9.根据权利要求8中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述S7中对新局部灰度化切片集中的每张切片进行二值化处理，具体过程为：

读取局部灰度化切片集中每张切片上每个像素点的rgb值，建立所述rgb值与黑色像素出现概率的关系，根据所述关系将所述切片转换为二值化切片。

10.根据权利要求9中所述的一种粘结剂喷射3D打印的切片生成方法，其特征在于：所述建立rgb值与黑色像素出现概率的关系有以下两种方式：

1)、通过pillow库convert函数直接转换；

2)、读取每一个像素点的rgb值，rgb值为0-255，给定一个随机数,随机数取值区间为(0-255]，将rgb值与随机数比较，小于随机数则赋予像素值为白色像素，相反，为黑色像素。

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