3D打印物品材料表面效果控制浅析(一) - 印梦园

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3D打印物品材料表面效果控制浅析(一)

阅读 246 发布时间:2017-04-10 17:29

   随着可供3D打印材料类型的增多,人们希望能打印出更复杂外观、表面光学特征及力学特性的物体.这一需求催生了3D打印中一类重要但尚未很好解决的问题:如何确定出一个物体对象的材料组成,使其能满足一个给定的表面外观效果或变形功能要求.这一问题可称为材料表面效果定制问题(Specification to Fabrication Translation,Spec2Fab)。

   近年来,很多学者对此问题做了一些深入研究,其工作大致主要可分为3类:(1)次表面散射效果定制(Subsurface Scattering),如Hasan 等人、Dong等人和Papas等人等研究了通过双向表面散射反射分布函数(Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function,BSSRDF)来实现打印材料次表面散射效果;(2)空间变化反射效果(Spatially varying reflectance),如文献等通过双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)来实现;(3)变形及其他效果定制,如Bickel等人研究了给定打印材料变形效果的实现方案.针对多材料打印问题,Vidimce等人则给出了一个OpenFab可编程流水线来解决多材料打印的合成问题,如图12所示。

图12 OpenFab打印3只不同效果犀牛实例

   Chen等人则对上述研究结果归纳总结,提出一个可简化设计流程的抽象机制Spec2Fab.下面对其中具代表性的工作做一些概略介绍.

1、次表面散射效果定制(Subsurface Scattering)为了使3D打印结果具有指定的次表面散射效果,Hasan等人给出了一个完整的流程,并给出了一些相应的打印实例效果,如图13所示。其流程简单介绍如下:

图13 次表面散射效果

(1)测量一组给定基本材料的次表面散射特性,采用双向表面散射反射分布函数(Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function,BSSRDF)来描述它们的散射特性曲线,如图14(a)、(b)所示;

图14 次表面散射效果定制流程

(2)表面外观效果预估.根据上述基本材料的散射特性曲线,可计算出不同材料、不同厚度组合后的次表面散射特性曲线,如图14(c)、(d)所示.我们将其称为正向问题(Forward problem);

(3)与目标材料外观效果的匹配计算.给定一个材料的期望散射曲线,我们通过非线性离散优化算法来确定出各层材料及其厚度,使它们组合出尽可能接近所要达到的目标效果,如图14(e)所示.这个可称其为反向问题(Inverse problem).其中,优化算法通过物理约束剔除大量不合适的结果,实现高效地搜索基本材料的可能组合空间;

(4)将上述计算结果优化扩展到3D模型表面各点,通过调整包裹在模型表面不同厚度的各层材料,来实现目标效果,如图14(f)所示;

(5)利用3D打印机输出物体的最终真实效果,如图14(g)所示。

   针对上述同样的次表面散射问题,Dong等人也同时给出了一套类似的方案.该方案在给定的材料次表面散射特性要求下,可以有效地计算出所打印物体的每层材料分布及其厚度.其中,所给定的材料次表面散射要求也是由BSSRDF函数来描述.同时,还需要考虑一些材料分布约束条件(Layout Constraints):打印硬件需要使用一定的打印材料种类,因此材料种类是一个固定的集合;为避免模型材料分布太细太繁,同时也为节约打印时间与成本,模型材料层数也不能过多.

图15 材料映射核心流程示意

   Dong等人将上述问题称为材料映射问题(Material Mapping),即给定一组基本材料及分布约束条件,计算出物体材料组合使其BSSRDF符合所给曲线要求,其核心流程如图15所示.虽然Dong等人与Hasan等人都是采用BSSRDF函数来确定材料的次表面散射特性,但是两者方案上还是有一些不同之处:首先,对均匀层厚情况,Hasan等人采用启发搜索式方法来剔除一些不合适的分层布局结果,而Dong等人采用基于分簇的方法来计算有效布局;其次,对不均匀层厚情况,Hasan等人对每一个模型表面点先将所给的BSSRDF分解为局部散射曲线,再据此来确定材料分层布局,而Dong等人则仅用局部散射曲线来初始化分层

布局,其后给出了一个优化算法用以更好地计算布局结果,来近似所给BSSRDF特性.Papas等人研究了通过不同的颜料与基本原

料相混合来实现给定材料次表面散射效果,这里不再详述。


   未完待续;


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