一種快速成型領(lǐng)域多材料的表達與轉(zhuǎn)換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速成型領(lǐng)域多材料的表達與轉(zhuǎn)換方法，本發(fā)明利用不同的顏色代表不同的材料，實現(xiàn)顏色空間到材料空間的轉(zhuǎn)換。具體方案是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(gòu)成的復(fù)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(gòu)成三維實體，實現(xiàn)多材料的快速成型制造。
【專利說明】一種快速成型領(lǐng)域多材料的表達與轉(zhuǎn)換方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速成型領(lǐng)域多材料的表達與轉(zhuǎn)換方法。

【背景技術(shù)】
[0002]快速成形技術(shù)￠￡￠1(1簡稱即)是由￠^0模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱。首先設(shè)計出所需零件的計算機三維模型(數(shù)字模型、模型)，然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在2向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M行離散(通常稱為分層)，把原來的三維模型變成一系列的層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成形機成形一系列層片，這些層片在不斷在2方向累積，得到一個三維空間物理實體。
[0003]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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)，計算機輔助快速成型系統(tǒng)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(yīng)的材料特征，也即材料空間坐標，這樣快速成型系統(tǒng)才能夠在相應(yīng)的空間點成型出相應(yīng)的材料。如圖2所示，三維幾何空間坐標為X、？和2，三維物質(zhì)空間坐標為和2，物質(zhì)空間的維數(shù)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。
[0004]目前，快速成型形態(tài)多材料表達尚沒有成熟實用的方法，很多研宄通過復(fù)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(shè)計以及后續(xù)的多材料制備等方面，涉及到的軟硬件均極復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種快速成型領(lǐng)域多材料的表達與轉(zhuǎn)換方法。
[0006]本發(fā)明之方法利用不同的顏色代表不同的材料，實現(xiàn)顏色空間到材料空間的轉(zhuǎn)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(gòu)成的復(fù)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(gòu)成三維實體，實現(xiàn)多材料的快速成型制造。
[0007]顏色空間(1-- 00101-是對色彩的一種描述方式，定義有很多種，區(qū)別在于面向不同的應(yīng)用背景。在計算機中編程和8(紅、綠和藍)三種顏色每一個分量值都用8位表示，可以產(chǎn)生256*256*256 = 16777216種顏色，這就是經(jīng)常所說的“24位真彩色”。
[0008]利用顏色空間的色彩表達來實現(xiàn)物質(zhì)空間的材料表達，完成物質(zhì)空間和顏色空間的轉(zhuǎn)換。對于一個由多種材料構(gòu)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(yīng)，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。
[0009]打印機要將彩色圖像打印出來，還需要進行色彩轉(zhuǎn)換。色彩轉(zhuǎn)換是彩色圖像數(shù)據(jù)與設(shè)備獨立的色彩空間的橋梁，軟件驅(qū)動程序首先把計算機的圖5所示的1 6和8表示轉(zhuǎn)換成打印機所使用的圖6所示的匕1和V洋紅、青和黃色)表示，這個轉(zhuǎn)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(qū)動程序使用一個叫做半色調(diào)(他丨代如丨叩)的過程，把和V表示轉(zhuǎn)換成一系列彩色打印頭噴嘴的開/關(guān)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(xiàn)了幾何空間和顏色空間的識別、轉(zhuǎn)換與實施，在平面上打印出包括幾何構(gòu)型與顏色組合的彩色圖像。
[0010]完成了這種轉(zhuǎn)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(tǒng)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。
[0011]快速成型中多材料表達的設(shè)計:
[0012]假設(shè)多材料成型系統(tǒng)由三種材料組成，分別以八、8和表示，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(qū)域1，由材料4構(gòu)成；區(qū)域2由30 %材料4和70 %材料8復(fù)合構(gòu)成；區(qū)域3由20 %材料八、30 %材料8及50 %材料0組成。
[0013]以紅色代表材料八，以綠色代表材料8，以藍色代表材料0。
[0014]區(qū)域1由單一的材料八組成，轉(zhuǎn)換成顏色空間也就是由單一的紅色組成。打開圖形軟件的顏色編輯器，將紅色數(shù)值設(shè)置為255 (顏色由8位二進制數(shù)值表示，最大值為255對應(yīng)百分制的100% ),綠色和藍色設(shè)置為0，即可形成純紅色，如圖9所示。
[0015]區(qū)域2由30%材料八和70%材料8組成，轉(zhuǎn)換成顏色空間就是由30%的紅色和70%的綠色組成。打開圖形軟件的顏色編輯器，將紅色數(shù)值設(shè)置為76(30% ),綠色設(shè)置為179(70% ),藍色數(shù)值設(shè)置為0，即可形成30%紅色與70%綠色組成的復(fù)合色，如圖10所不0
[0016]區(qū)域3由20%材料八、30%材料8及50%的材料組成，轉(zhuǎn)換成顏色空間就是由20%的紅色、30%的綠色及50%的藍色組成。打開圖形軟件(如微軟畫圖軟件)的顏色編輯器，將紅色數(shù)值設(shè)置為51 (20% )，綠色設(shè)置為76 (30% ),藍色數(shù)值設(shè)置為128 (50% )，即可形成20 %紅色、30 %綠色及50 %藍色組成的復(fù)合色，如圖11所示。將區(qū)域1、2和3分貝填充以圖9、圖10和圖11的顏色，即完成了材料空間到色彩空間的轉(zhuǎn)換，即由色彩信息來表達材料信息，如圖12所示。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是三維幾何空間和單一材料圖。
[0018]圖2是三維幾何空間與三維材料空間圖。
[0019]圖3是三基色及其合成色圖。
[0020]圖4是三種材料及其復(fù)合材料圖。
[0021]圖5是計算機圖形使用的紅綠藍三基色118。
[0022]圖6是打印機將三基色轉(zhuǎn)換后形成的洋紅、黃和青三原色0、1、X。
[0023]圖7是由三種材料組成的噴頭示意圖。1材料八，2材料8，3材料0
[0024]圖8是多材料的表達與設(shè)計示意圖。由八、8和三種材料構(gòu)成的復(fù)合材料，分別以紅綠藍三種顏色代表八8(:三種材料，進行多材料表達設(shè)計。
[0025]圖9是100%紅色的顏色設(shè)計。
[0026]圖10為30%紅色與70%綠色組成的復(fù)合色設(shè)計。
[0027]圖11為20%紅色、30%綠色及50%藍色組成的復(fù)合色設(shè)計。
[0028]圖12為由色彩信息來表達材料信息圖。

【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明之方法利用不同的顏色代表不同的材料，實現(xiàn)顏色空間到材料空間的轉(zhuǎn)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(gòu)成的復(fù)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(gòu)成三維實體，實現(xiàn)多材料的快速成型制造。
[0030]顏色空間(1-- 00101-是對色彩的一種描述方式，定義有很多種，區(qū)別在于面向不同的應(yīng)用背景。在計算機中編程和8(紅、綠和藍)三種顏色每一個分量值都用8位表示，可以產(chǎn)生256*256*256 = 16777216種顏色，這就是經(jīng)常所說的“24位真彩色”。
[0031〕 利用顏色空間的色彩表達來實現(xiàn)物質(zhì)空間的材料表達，完成物質(zhì)空間和顏色空間的轉(zhuǎn)換。對于一個由多種材料構(gòu)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(yīng)，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。
[0032]打印機要將彩色圖像打印出來，還需要進行色彩轉(zhuǎn)換。色彩轉(zhuǎn)換是彩色圖像數(shù)據(jù)與設(shè)備獨立的色彩空間的橋梁，軟件驅(qū)動程序首先把計算機的圖5所示的1 6和8表示轉(zhuǎn)換成打印機所使用的圖6所示的匕1和V洋紅、青和黃色)表示，這個轉(zhuǎn)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(qū)動程序使用一個叫做半色調(diào)(他丨代如丨叩)的過程，把和V表示轉(zhuǎn)換成一系列彩色打印頭噴嘴的開/關(guān)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(xiàn)了幾何空間和顏色空間的識別、轉(zhuǎn)換與實施，在平面上打印出包括幾何構(gòu)型與顏色組合的彩色圖像。
[0033]完成了這種轉(zhuǎn)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(tǒng)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。
[0034]快速成型中多材料表達的設(shè)計:
[0035]假設(shè)多材料成型系統(tǒng)由三種材料組成，分別以八、8和表示，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(qū)域1，由材料4構(gòu)成；區(qū)域2由30 %材料4和70 %材料8復(fù)合構(gòu)成；區(qū)域3由20 %材料八、30 %材料8及50 %材料0組成。
[0036]以紅色代表材料八，以綠色代表材料8，以藍色代表材料0。
[0037]區(qū)域1由單一的材料八組成，轉(zhuǎn)換成顏色空間也就是由單一的紅色組成。打開圖形軟件的顏色編輯器，將紅色數(shù)值設(shè)置為255 (顏色由8位二進制數(shù)值表示，最大值為255對應(yīng)百分制的100% ),綠色和藍色設(shè)置為0，即可形成純紅色，如圖9所示。
[0038]區(qū)域2由30%材料八和70%材料8組成，轉(zhuǎn)換成顏色空間就是由30%的紅色和70%的綠色組成。打開圖形軟件的顏色編輯器，將紅色數(shù)值設(shè)置為76(30% ),綠色設(shè)置為179(70% ),藍色數(shù)值設(shè)置為0，即可形成30%紅色與70%綠色組成的復(fù)合色，如圖10所不0
[0039]區(qū)域3由20%材料八、30%材料8及50%的材料組成，轉(zhuǎn)換成顏色空間就是由20%的紅色、30%的綠色及50%的藍色組成。打開圖形軟件(如微軟畫圖軟件)的顏色編輯器，將紅色數(shù)值設(shè)置為51 (20% )，綠色設(shè)置為76 (30% ),藍色數(shù)值設(shè)置為128 (50% )，即可形成20 %紅色、30 %綠色及50 %藍色組成的復(fù)合色，如圖11所示。將區(qū)域1、2和3分貝填充以圖9、圖10和圖11的顏色，即完成了材料空間到色彩空間的轉(zhuǎn)換，即由色彩信息來表達材料信息，如圖12所示。
【權(quán)利要求】
1.一種快速成型領(lǐng)域多材料的表達與轉(zhuǎn)換方法，該方法是:利用不同的顏色代表不同的材料，實現(xiàn)顏色空間到材料空間的轉(zhuǎn)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(gòu)成的復(fù)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(gòu)成三維實體，實現(xiàn)多材料的快速成型制造。
【文檔編號】B29C67/00GK104494148SQ201410673787
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】王京春, 劉慶萍, 吳悅, 趙徹, 劉海潮, 任露泉 申請人:吉林大學(xué)