一种基于木纹的仿生3D打印方法技术

本发明专利技术涉及一种基于木纹的仿生3D打印方法，包括以下步骤：1)木材切片及图像拍摄：对目标木材分层切片，并对每一层的纹理进行图像拍摄；2)图像形状变换：进行形状变换；3)图像像素变换：进行图像像素处理，包括图像灰度处理、图像模糊降噪处理以及图像边缘提取；4)像素点坐标提取：对边缘提取得到的黑白两色边缘轮廓图像进行提取得到白色边界像素点的坐标；5)模型化木纹边界：以三维实体物理模型的形式复现边界点并形成边界线；6)路径G代码生成：将生成的三维实体化的木纹轨迹生成能够被打印机识别的G代码；7)3D打印成型。与现有技术相比，本发明专利技术具有适应环境载荷、拓展3D打印仿生填充方式、提高打印件性能。提高打印件性能。提高打印件性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于木纹的仿生3D打印方法


[0001]本专利技术涉及3D打印
，尤其是涉及一种基于木纹的仿生3D打印方法。

技术介绍

[0002]3D打印技术是一种将熔融或粉末状原材料通过某种外界条件逐渐堆叠累积，最终形成目标零件的技术。根据其打印原理，按照打印方式又可分为很多种：如FDM打印(熔融沉积成型)、光固化打印、激光烧结打印等，其中FDM的3D打印方式是技术最为成熟，成本最低，最易实现，且拓展性最强，发展大有潜力。然而目前FDM零件采用的大多是网格、蜂窝等均匀同构的填充方式，这些均匀同构的填充结构与零件实际环境工况载荷下的应力场并不匹配，导致零件的结构效率较低。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于木纹的仿生3D打印方法。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0005]一种基于木纹的仿生3D打印方法，包括以下步骤：
[0006]1)木材切片及图像拍摄：对目标木材分层切片，并对每一层的纹理进行图像拍摄；
[0007]2)图像形状变换：对拍摄得到的木纹图像进行形状变换；
[0008]3)图像像素变换：进行图像像素处理，包括图像灰度处理、图像模糊降噪处理以及图像边缘提取；
[0009]4)像素点坐标提取：对边缘提取得到的黑白两色边缘轮廓图像进行提取得到白色边界像素点的坐标，并形成横纵坐标表格文件；
[0010]5)模型化木纹边界：以三维实体物理模型的形式复现边界点并形成边界线；
[0011]6)路径G代码生成：将生成的三维实体化的木纹轨迹生成能够被3D打印机识别的G代码；
[0012]7)3D打印成型：根据每层打印路径对应的G代码进行3D打印。
[0013]所述的步骤1)中，通过刨削、铣削对目标木材进行分层切片，切片的厚度根据打印层高和预期打印精度确定，具体选择为正整数倍的打印层高。
[0014]所述的步骤2)中，采用图像透视变换方法进行形状变换，统一各层木纹图像的角度和大小，使层与层之间能够衔接。
[0015]所述的步骤3)中，图像灰度处理具体为：
[0016]去除图像的颜色信息，只保留色彩深浅信息，将图像的3维像素信息转化为1维。
[0017]所述的步骤3)中，图像模糊降噪处理具体为：
[0018]通过中值降噪的方法去除噪点信息，从而更好地识别边界。
[0019]所述的步骤3)中，图像边缘提取具体为：
[0020]根据像素变化梯度阈值筛选提取木纹图像的边缘，形成一个仅有黑白线条的图
像，即最终要打印的线条轨迹。
[0021]所述的步骤5)具体包括以下步骤：
[0022]51)读取横纵坐标表格文件整合形成模型中点的三维坐标信息，然后将其烘焙到Rhino平台当中，形成实体的坐标点；
[0023]52)通过Rhino平台中创建曲线的方式，以最近点排序拟合创建曲线，将模型中的点联结形成一条闭合曲线，再通过后处理去除杂质曲线段和毛刺，最终得到三维实体物理模型。
[0024]所述的步骤6)中，每层的打印路径各不相同，在生成G代码时通过调整每一层的初始打印高度和打印层数，并按照层间顺序依次将各段G代码拼接起来形成最终G代码。
[0025]所述的步骤7)中，打印机具体采用FDM的3D打印方式，打印材料为PLA高分子材料。
[0026]该方法参考天然连续纤维结构的木材在特定方向上具有较强的强度和韧性，将木材的生长过程视为长纤维逐渐累积的过程，将仿生思想应用于木纹规划的打印路径中，实现仿生结构的3D打印。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0028]一、本专利技术设计从最初木纹图像采集到最终零件打印，初步实现了仿生学在3D打印领域的应用，证实了基于木纹进行打印路径规划的可行性，为3D打印又增添了一种新的结构填充方式。
[0029]二、本专利技术目前实施例中选择的PLA纯聚合物，若将这种材料部分替换为连续纤维则可以更好地拟合自然界中的木材结构，使其强度和刚度等力学性能进一步提升。
[0030]三、本专利技术能够与人工智能机器学习相结合，广泛采集各类木材纹理数据，并进行学习，使其可以根据自然界木纹的生长规律自动生成木材纹理，更能够使这项技术得到广泛的应用。
[0031]四、木纹仿真打印仅为打印本方法的一个实施例，除木纹之外，本仿生思想方法还可以应用于其他仿生结构的3D打印，如骨骼、竹子、蛛网结构、蜻蜓翅膀等仿生结构。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的总体思路框图。
[0033]图2为图像形状变换效果，其中，图(2a)为木板实物图，图(2b)为采用图像透视变换后的图像。
[0034]图3为图像灰度处理效果图，其中，图(3a)为灰度处理前的图像，图(3b)为灰度处理后的图像。
[0035]图4为图像中值降噪处理效果图，其中，图(4a)为中值降噪处理前的图像，图(4b)为中值降噪处理后的图像。
[0036]图5为图像边缘提取效果图。
[0037]图6为边界点模型化效果图。
[0038]图7为三维实体曲线图。
[0039]图8为实例路径生成对比，其中，图(8a)为原图像，图(8b)为路径生成后的图像。
[0040]图9为变截面打印仿真结果。
[0041]图10为变截面打印成品，其中，图(10a)为打印成品反面，图(10b)为打印成品正
面。
具体实施方式
[0042]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0043]本专利技术提供一种基于木纹的仿生3D打印方法，该方法主要基于Python
‑
OpenCV以及Rhino
‑
Grasshopper两大平台完成，具体包括木材切片及图像拍摄、图像形状变换、图像像素变换、像素点坐标提取、模型化木纹边界(包括后处理)、路径G代码生成、打印机打印等步骤，如图1所示，具体描述如下：
[0044](1)对目标木材分层切片(如：刨削、铣削等)并对每一层进行图像拍摄，切片厚度依据打印层高以及预期打印精度而定。如FDM打印层厚为0.2mm，则可以选择切片厚度为0.2mm，若切割设备精度有限，也可以选择0.2mm
×
n的切片厚度，如：0.4mm等。每切削一层后需要使用拍摄设备对该层纹理进行拍摄，从而提取图像纹理。理论上来讲应当保证每一层的拍摄角度、大小几乎相同，但由于实际情况难以实现，故选择软件对图像形状变换来实现，适当降低了对拍摄的要求；
[0045](2)在得到每一层的木纹拍摄图片后，需要将其形状变换(如裁剪和拉伸)，使得图像当中仅保留需要的木纹信息，并且统一不同层木纹图片的角度和大小，使层与层之间能够衔接；
[0046](3)得到统一大小和角度的不同层木纹图片后，分别对其进行图像像素处理，包括图像灰度处理、图像模糊降噪处理以及图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于木纹的仿生3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：1)木材切片及图像拍摄：对目标木材分层切片，并对每一层的纹理进行图像拍摄；2)图像形状变换：对拍摄得到的木纹图像进行形状变换；3)图像像素变换：进行图像像素处理，包括图像灰度处理、图像模糊降噪处理以及图像边缘提取；4)像素点坐标提取：对边缘提取得到的黑白两色边缘轮廓图像进行提取得到白色边界像素点的坐标，并形成横纵坐标表格文件；5)模型化木纹边界：以三维实体物理模型的形式复现边界点并形成边界线；6)路径G代码生成：将生成的三维实体化的木纹轨迹生成能够被3D打印机识别的G代码；7)3D打印成型：根据每层打印路径对应的G代码进行3D打印。2.根据权利要求1所述的一种基于木纹的仿生3D打印方法，其特征在于，所述的步骤1)中，通过刨削、铣削对目标木材进行分层切片，切片的厚度根据打印层高和预期打印精度确定，具体选择为正整数倍的打印层高。3.根据权利要求1所述的一种基于木纹的仿生3D打印方法，其特征在于，所述的步骤2)中，采用图像透视变换方法进行形状变换，统一各层木纹图像的角度和大小，使层与层之间能够衔接。4.根据权利要求1所述的一种基于木纹的仿生3D打印方法，其特征在于，所述的步骤3)中，图像灰度处理具体为：去除图像的颜色信息，只保留色彩深浅信息，将图像的3维像素信息转化为1维。5.根据权利要求1所述的一种基于木纹的仿生3D打印方法，其特征在于，所述的步骤3)中，图像模糊降噪处理具体为：通...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉，李帅帅，丁颖，白捷仁，
申请(专利权)人：苏州同异三维打印科技有限公司，
类型：发明
国别省市：