利用3D色域映射进行彩色三维打印制造技术

提供了一种配置为形成彩色三维（3D）物体的分层物体制造（LOM）系统，所述系统包括：3D物体色域映射模块，其配置为限定由多个表面形成的3D物体并且提供与所限定的3D物体一致的打印机制，其中，所述3D物体色域映射模块配置为对待打印的多个介质层中的各介质层的表面朝向进行分析，以适应性地修改打印至该层的颜色；以及，打印机，其配置为根据所述打印机制对所述多个层中的各个层的第一表面的至少一部分进行彩色打印。还提供了一种用于在3D物体介质层中提供透印区域的彩色3D物体介质层打印模块。还提供了一种3D物体色域映射方法和用在包括所述打印模块的分层物体制造（LOM）系统中的油墨。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本教导涉及用于快速原型（RP）的分层物体制造（LOM）系统，尤其涉及一种用于在LOM系统中打印三维（3D）物体层以形成彩色3D物体的打印模块和3D物体色域映射方法。本教导还提供了一种用于该LOM系统中的油墨。
技术介绍
快速原型定义为受计算机控制的增材制造，因为是通过增加材料而不是通过去除或减少材料的常规加工方法来制造物体。要理解，术语“快速”是一个相对术语，但是却是一个在本领域内具有特定含义的术语，其原因在于，构造一个三维物品成品要耗费几小时到几天不等，具体取决于所采用的方法以及模型的大小和复杂度。已知的在快速原型领域内采用的方法有许多种。分层物体制造（LOM）是快速原型（RP）的其中一种形式，涉及将涂有粘合剂的纸、塑料或金属层压板依次层叠，然后将它们依次地粘结在一起并且用刀具或激光切割机切割成形。LOM类似于其他快速原型技术，通常涉及到使用待制造的物体/零件的三维（3D）计算机辅助设计（CAD），由此在CAD软件包内生成立体光刻（STL）文件或其他适合格式的文件。对STL文件进行处理，并且，实际上沿着Z轴在与所采用的基底材料的厚度相匹配的厚度处将该文件切开。这样便形成了该零件的一系列横截面，并且，各横截面在任何特定的高度处均具有简单的二维（2D）轮廓。可采用仿形或切割设备来描画2D轮廓并由此在薄片原料上切割出形状。在LOM中，可将各个单独薄片彼此上下堆叠和粘结，以生成3D物体成品。仿形、堆叠和粘结工艺的顺序是可以互换的。彩色3D打印包括向在3D打印物品的制造中使用的各个层数字化地施加颜色。要求颜色在最终3D打印物品的以下各个表面上达到所要求的强度：    前表面：打印介质的最上表面；后表面：打印介质的底侧表面；仿形边缘：3D物品中已经根据该层的数字轮廓进行切割的介质边缘。由于各个物体层的整个体积上均对颜色有所要求，所以理想的情况是，油墨在介质层（诸如，纸）的整个厚度上被其吸收（称为透墨或透印）。然而，在常规彩色3D打印中，油墨往往在介质的整个开孔孔隙度上都会出现渗透，使得图像扩散出油墨与介质之间的初始接触区域。当仅从介质的一侧进行3D彩色打印时，这个问题变得尤为突出。例如，如图1a所示，使用常规3D彩色打印机将颜色80a喷墨打印到介质（诸如，粉末层120）上是取决于仅从一侧进行的打印。在油墨吸收的过程中，油墨80a扩散到粉末层120的厚度中并且继续扩散到比原始接触区域更宽的区域中，如图1b所示。另外，也没有物理障碍来阻止油墨继续扩散到目标层120之下的先前打印层130中，这样可能会导致打印层之间出现互混，如图1b所示。互混区域通过附图标记80c标出。油墨的扩散以及层之间的互混均会使图像清晰度下降，即，出现图像模糊和颜色漫射。图1c图示了包括漫射表面和颜色混合区域80c的物体成品。要理解，该方案虽然在3D环境内提供了颜色，但是却未提供最佳的解决方案。此外，参考图1d，仅从介质层的一侧进行打印时，打印出彼此足够靠近的相邻点来确保没有介质层的区域出现漏印的情况是很有必要的，尤其是在下层表面上。将这些墨点集中在一起之后，它们随后在X和Y面内的渗色将会使得墨点发生聚合并产生混色，通常表现为棕色或黑色。为了避免颜色混合，必须降低打印密度，防止油墨之间互混，而这会使得表面的墨滴密度低于最佳的墨滴密度，如图1e所示。在常规喷墨打印的另一方面中，用施胶剂或填料对介质进行处理，从而通过减小可供油墨寻找到流动路径的孔隙率来使得介质在物理上不容易受到油墨从前打印侧迁移到介质后侧所带来的影响。表面施胶剂（施加至介质表面）可以是改性淀粉、明胶等水状胶体、或烷基烯酮二聚体，表面施胶剂为两亲水脂分子，亲水端面朝纤维素纤维，而疏水性尾端面向油墨朝外，由此形成了针对油墨流动和渗透的一定程度的斥水性和抗水性。喷墨打印中通常使用的油墨将水用作主要溶剂。在彩色3D打印中，理想的情况是，油墨完全地浸透介质，从而在三个维度对纸进行上色。那些适合于在常规LOM系统中使用的介质类型（诸如，纸）自身存在有限制。由于纸是由随机粘合的纤维层组成，所以由此断定，其结构可能具有不同的孔隙率。纸是一种高孔隙率的材料，内含有多达70%的空气。纸张的孔隙率是纸的吸湿性能的指标，或者说是特定纸张接受油墨或水的能力的指标。因此，在为LOM选择特定类型的纸时，重要的是要考虑介质的孔隙率。通常，用来对纸进行桌面喷墨打印的油墨为水基性油墨，其具有粘合剂以及提供颜色的染料或颜料。在形成了多个介质物体层之后，执行仿形和层粘结过程。将多个层粘结在一起，然后执行仿形或除杂过程，该过程包括：从打印的介质堆叠中去除不需要的支撑材料，使3D打印物体显露出来。通常情况下，在除杂过程中，执行该任务的技术人员在除杂期间去除不需要的层时必须要观察计算机屏幕上的3D模型物体。在彩色3D打印中，各介质层都有三个刻面，即：水平前侧（朝上）、水平后侧（朝下）和仿形（切割）后的垂直壁。3D物体成品的各表面可能具有暴露于光线下的百分比不同的前/后/垂直表面区域。当与3D物体成角度的壁相比时，前/后表面之间的颜色强度可能会略有变化。这些变化可能取决于壁的刻面性质（垂直和水平表面的混合），并且取决于两个影响因素：1、从介质层两侧打印的油墨可能并没有均匀地渗透到介质层边缘的中心。这意味着，在由此产生的视觉效果中存在有介质层颜色的分量，这通常会使色彩饱和度降低；2、介质层边缘形成的台阶所造成的阴影可能会使打印色彩变得更暗。然而，这是比较主观的因素并且可能是依视角以及光源与所考虑表面的角度而定。因此，假定光源和视角对于该表面来说都是正常的。在这种情况下，阴影不构成为影响因素。图1f图示了相对于光源朝向的打印介质层1200的堆叠。水平的顶表面1200a和底表面1200b呈现给入射光，同时这些表面无刻面、光强度轮廓均匀。在图1g中，顶表面1200a朝向来与水平面呈30°，这样便呈现出了水平壁122（主要）和垂直壁124（包括位于台阶区域中的页面边缘）的混合，该台阶区域比平坦的无刻面表面反射更多的光。在图1h中，顶表面1200a朝向来与水平面呈45°，这可能会使水平壁122和垂直壁124的混合更加均等并且还使每单位面积内出现台阶的频率更高。图1i示出了更加陡峭的壁（与水平面呈60°），这使得垂直壁124比水平壁122多并且也使得刻面增多。在图1j的最后一个示例中，表面完全是由垂直刻面组成，这些垂直刻面具有朝向来与其呈90°的光源。在图1j中，面朝入射光的表面具有与水平表面1200a和1200b不同的形貌并且是多层板结构。色域描述了可由装置或图像格式表示的视觉刺激的范围或者可由输入装置（诸如，摄像机或者甚至是观察人）感知的范围。常用的表示方式是如图1k中示出的CIE 1931 XY色度图。轴线表示XY颜色空间坐标，颜色波长描绘在色域的轨迹周围。较大的瓣形色域表示人类视觉感知的程度；还描绘了明显更小的示例性sRGB装置色域。由于采用了四种组分油墨与三刺激sRGB空间相对比，所以，用于彩色打印机的色域通常更小并且在形状方面更加不规则。当试图打本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种配置为形成彩色三维（3D）物体的分层物体制造（LOM）系统，所述系统包括：a. 3D物体色域映射模块，其配置为限定由多个表面形成的3D物体并且提供与所限定的3D物体一致的打印机制，其中，所述3D物体色域映射模块配置为对待打印的多个介质层中的各个介质层的表面朝向进行分析，以适应性地修改打印至该层的颜色；以及b. 打印机，其配置为根据所述打印机制对所述多个层中的各个层的第一表面的至少一部分进行彩色打印。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.22 GB 1208993.41.一种配置为形成彩色三维（3D）物体的分层物体制造（LOM）系统，所述系统包括：
a. 3D物体色域映射模块，其配置为限定由多个表面形成的3D物体并且提供与所限定的3D物体一致的打印机制，其中，所述3D物体色域映射模块配置为对待打印的多个介质层中的各个介质层的表面朝向进行分析，以适应性地修改打印至该层的颜色；以及
b. 打印机，其配置为根据所述打印机制对所述多个层中的各个层的第一表面的至少一部分进行彩色打印。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括校对机，其配置为将所述多个单独介质层组装，形成所述3D物体。
3.根据权利要求2的系统，其中，所述打印机和校对机配置来使得所述打印机在将单独介质层与先前打印层进行核对之前对该层实行打印。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述打印机配置为在核对之前施加所述颜色。
5.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述打印机配置为在核对期间施加所述颜色。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的系统，其中，所述校对机包括粘结模块，其配置为粘结所述多个介质层中的各个单独介质层。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述粘结模块配置为使用水基粘合剂。
8.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述打印机配置为打印各个所述介质层的第二表面。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，在第一和第二表面上进行打印在操作上减少了图像渗色，并且，无论物体的表面的角度如何，都保持了颜色准确性。
10.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述打印机配置为向所述多层中各个层的所述第一表面的至少一部分施加多种颜色。
11.根据任何一项前述权利要求所述的系统，包括仿形模块，其配置为对所述多个介质层中的各个单独介质层进行仿形处理，以在所述3D物体内实现所需的3D形状。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述3D物体色域映射模块配置为与所述仿形模块接口连接，以可操作地识别所述3D物体的单独边缘表面并且选择性地对这些边缘表面实行颜色施加。
13.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述3D物体色域映射模块配置为在所述3D物体内对所述多个表面中的各个单独表面进行识别。
14.根据权利要求13所述的系统，配置为：针对所述多个表面中所选择的表面，实现所述3D物体的所有表面的总颜色强度的归一化。
15.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述3D物体色域映射模块配置为：在组装所述多个层时，对所述3D物体的所有表面的总颜色强度进行归一化。
16.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述打印机制为所述多个层中各个层限定油墨。
17.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述3D物体色域映射模块配置为为所述多个层中各个层限定介质类型，所述系统配置为当形成所述3D物体时使用所限定的介质类型。
18.根据任何一项前述权利要求所述的系统，配置为为所述多个层中各个层限定油墨和介质组合。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述3D物体色域映射模块配置为通过使用至少一个校准3D物体，基于经验为所采用的各油墨和/或介质类型确定映射函数。
20.根据权利要求19所述的系统，配置为接收表示若干3D试件的测量值的数据，所述测量值包括反映了使用颜色测量装置和发光体所测量的不同壁角度的数据。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述颜色测量装置包括色度计。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述映射函数包括线性映射函数、多项式映射函数或不规则映射函数。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，当所述映射函数包括不规则映射函数时，使用查找表（LUT）来确定所述映射函数。
24.根据任何一项前述权利要求所述的系统，配置为在确定所述打印机制时在打印机油墨与所述介质层的本色之间实行混色。
25.一种配置为将多个单独介质层组装形成彩色三维（3D）物体的分层物体制造（LOM）系统，所述系统包括：
a. 打印机，其配置为对多个层中的各个层的第一表面的至少一部分进行彩色打印，并且对所述介质层的第二表面的相应部分进行彩色打印，所述第二表面与所述第一表面相对，从而在可操作地打印所述第二表面时在所述介质层中提供透印区域；以及
b、一种配置为将所述多个单独介质层组装形成所述3D物体的校对机。
26.根据权利要求25的系统，其中，所述打印机和校对机配置为使得所述打印机在将单独介质层与先前打印层进行核对之前对该层实行打印。
27.根据权利要求25或26所述的系统，其中，所述打印机配置为在核对之前施加所述颜色。
28.根据权利要求25或26所述的系统，其中，所述打印机配置为在核对期间施加所述颜色。
29.根据任何一项前述权利要求所述的系统，包括粘结模块，其配置为粘结所述多个层中的各个单独层。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述粘结模块配置为使用水基粘合剂。
31.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述打印机配置为使用足以大致地渗透所述介质层的一半厚度的油墨来分别打印所述第一和第二表面。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，在第一和第二表面上进行打印在操作上减少了图像渗色，并且，无论物体的表面的角度如何，都保持了颜色准确性。
33.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其中，所述打印机配置为向所述多个单独层中的各个单独层的所述第一表面的至少一部分施加多种颜色。
34.一种用于在3D物体介质层中提供透印区域的彩色3D物体介质层打印模块，所述模块包括：
打印机，其配置为对3D物体介质层的第一表面进行彩色打印以创建第一图像，并且对所述3D物体介质层的第二表面进行彩色打印以创建第二图像，所述第二表面与所述第一表面相对；以及
其中，所述模块配置为将所述第二表面呈现给所述打印机，从而使所述第一和第二图像重合，并且，在可操作地打印所述3D物体介质层的第二表面时，在所述3D物体介质层中提供透印区域。
35.根据权利要求34所述的模块，其中，所述打印机配置为使用足以大致地渗透所述介质层的一半厚度的油墨来分别打印所述第一和第二表面。
36.根据权利要求35所述的模块，其中，在第一和第二表面上进行打印在操作上减少了图像渗色，并且，无论物体的表面的角度如何，都保持了颜色准确性。
37.根据权利要求34至36所述的模块，其中，所述打印机包括打印头滑架，其配置为在打印期间扫描物体介质层的整个宽度。
38.根据权利要求34至36所述的模块，其中，所述打印机包括页宽阵列打印头。
39.根据权利要求34至38所述的模块，进一步包括双面模块，其中，所述双面模块在将所述介质层呈现给所述打印机用于打印所述第二表面之前可操作地将所述介质层倒转。
40.根据权利要求38所述的模块，包括第一和第二打印头滑架，其配置为同时在所述物体介质层的所述第一和第二表面上打印。
41.根据权利要求39所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·特拉弗，飞利浦·基南，芬坦·麦科马克，康纳·麦科马克，
申请(专利权)人：MCOR科技有限公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE