[發明專利]一種快速成型領域多材料的表達與轉換方法

在審

• 申請號: 201410673787.8
• 申請日: 2014-11-19
• 公開（公告）號: CN104494148A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發明（設計）人: 王京春;劉慶萍;吳悅;趙徹;劉海潮;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00;B33Y50/00;G06T19/20
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明涉及一種快速成型領域多材料的表達與轉換方法。

背景技術

快速成形技術(Rapid?Prototyping，簡稱RP)是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱。首先設計出所需零件的計算機三維模型(數字模型、CAD模型)，然后根據工藝要求，按照一定的規律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向將其按一定厚度進行離散(通常稱為分層)，把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；再根據每個層片的輪廓信息，輸入加工參數，自動生成數控代碼；最后由成形機成形一系列層片，這些層片在不斷在Z方向累積，得到一個三維空間物理實體。

單一材料的快速成型，只需要把成型實體的三維幾何信息傳遞給計算機，計算機按照三維幾何模型，在相對應的三維空間將材料成型，即可完成快速成型。但是在多材料快速成型中，成型件不僅在三維空間各個位置的幾何結構不同，同時在不同的空間點，其成型材料也可能不同，這就不僅需要定義成型點的幾何屬性，同時需要定義成型點的材料屬性。如圖1所示，制作一個圓錐體，如果是單一材料，只需要定義圓錐體空間的幾何參數，計算機輔助快速成型系統即可以通過圓錐體在空間每個點的坐標，完成圓錐體的制備。如果是多材料成型，則需要每個空間點的幾何坐標與對應的材料特征，也即材料空間坐標，這樣快速成型系統才能夠在相應的空間點成型出相應的材料。如圖2所示，三維幾何空間坐標為X、Y和Z，三維物質空間坐標為x、y和z，物質空間的維數也可以是二維也即兩種材料，也可以是多維的即由多種材料組成。

目前，快速成型形態多材料表達尚沒有成熟實用的方法，很多研究通過復雜的算法，將材料信息疊加在幾何信息中。這些方法在多材料表達的設計以及后續的多材料制備等方面，涉及到的軟硬件均極復雜。

發明內容

本發明提供一種快速成型領域多材料的表達與轉換方法。

本發明之方法利用不同的顏色代表不同的材料，實現顏色空間到材料空間的轉換；運用彩色打印機的顏色識別原理，由不同的顏色代表不同的材料，由多顏色組成的混合色代表多材料構成的復合材料；運用彩色打印機原理，用不同材料代替打印機的不同顏料，“打印”多材料的“平面”，通過多材料平面逐層累積構成三維實體，實現多材料的快速成型制造。

顏色空間(RGB?color?space)是對色彩的一種描述方式，定義有很多種，區別在于面向不同的應用背景。在計算機中編程R、G和B(紅、綠和藍)三種顏色每一個分量值都用8位(bit)表示，可以產生256*256*256＝16777216種顏色，這就是經常所說的“24位真彩色”。

利用顏色空間的色彩表達來實現物質空間的材料表達，完成物質空間和顏色空間的轉換。對于一個由多種材料構成的實體，可以將實體不同的材料，變換成不同的顏色來表達，顏色和材料一一對應，這樣就可以由三種不同的顏色來代表不同的材料，如圖3的紅、藍、綠代表圖4中的的鋁、鎂和鋅。

打印機要將彩色圖像打印出來，還需要進行色彩轉換。色彩轉換是彩色圖像數據與設備獨立的色彩空間的橋梁，軟件驅動程序首先把計算機的圖5所示的R、G和B表示轉換成打印機所使用的圖6所示的C、M和Y(洋紅、青和黃色)表示，這個轉換過程確定了打印所要得到的顏色時每一種原色墨水的相對使用量。隨后，軟件驅動程序使用一個叫做半色調(Halftoning)的過程，把C、M和Y表示轉換成一系列彩色打印頭噴嘴的開/關命令(每一種顏色有一組噴嘴)，通過在平面噴出各種顏色，形成單一的色彩或者由三種基本顏色混合形成的新的色彩。最終將含有多種色彩的彩色圖像打印出來。這樣就實現了幾何空間和顏色空間的識別、轉換與實施，在平面上打印出包括幾何構型與顏色組合的彩色圖像。

完成了這種轉換，我們就可以仿照彩色打印機打印色彩原理，在二維平面“打印”由多種材料組成的平面“圖像”。這種“圖像”實際上是具有一定厚度的涂層，將這種具有一定厚度的薄層一層層累積起來，將會形成一個三維實體。在多材料快速成型系統中，彩色打印機的三種顏色，由三種不同的材料代替，如圖7所示。三維快速成型時，在幾何空間的不同位置，施加不同的材料，即可完成多材料的三維實體打印。

快速成型中多材料表達的設計：

假設多材料成型系統由三種材料組成，分別以A、B和C表示，要成型的實體的某一個切面的材料組成如圖8所示，圖中的區域1，由材料A構成；區域2由30％材料A和70％材料B復合構成；區域3由20％材料A、30％材料B及50％材料C組成。

以紅色代表材料A，以綠色代表材料B，以藍色代表材料C。