大幅面高精度粘结剂喷射3D打印的基础软件：RIP

南极熊导读：最近我们发布的连续几篇关于粘结剂喷射3D打印技术路线的文章《粘结剂喷射金属3D打印技术的关键：粘结剂体系》、《粘结剂喷射金属3D打印技术+金属注射成型=？》等，引起了业内的强烈反响。从3D打印设备、粘结剂体系都做了深度分析。下文是国内粘结剂喷射金属3D打印技术路线的重要力量——武汉易制科技向南极熊的投稿《大幅面高精度粘结喷射3D打印的基础软件：RIP》，分析这个技术体系中的软件部分。

△粘结剂喷射金属3D打印零件的纹路（烧结后）

粘结剂喷射3D打印（BJAM）最终打印的是点阵数据，而要打印的3D模型是基于坐标的矢量数据，三维CAD模型进行切片后，必需将切片数据进行位图绘图得到点阵数据，才能发给打印机进行打印。因此对矢量数据进行位图绘图的质量，直接关系到最终打印成品的精度。RIP（光栅图像处理器，Raster Image Processor）软件的核心工作就在于此。通俗地讲，它的作用就是把计算机制作版面中的各类图像、图形和文字等解释运算、转变成可供打印设备接收并控制机器打印输出的光栅点阵数据。RIP软件在3D打印中的工作流程如下：

RIP软件对于彩色打印的重要性不言而喻，即使对于高精度要求的BJ金属3D打印机来说也是至关重要的，它直接影响喷墨的效果和质量。当然，对于普通精度要求的BJ砂型打印机来说，其RIP算法就简单得多。对于高速高精度BJ金属打印系统，通常需要采用高分辨率(DPI)绘图算法实现位图绘图，得到更加精细的点阵位图，保证矢量到点阵数据有足够的精度，但是高精度点整数据必然占用大量计算机内存，特别是大幅面打印机，通常需要在打印过程中实时进行RIP数据输出，才能保证在提供大幅面高精度数据输出，同时占用较小的计算机内存。可以认为，不具备在线RIP功能的BJ金属打印机，就实现不了大幅面高精度打印，下面简单介绍BJ金属打印与RIP相关的主要工作。

1.在线实时高精度数据处理（RIP）
如果不能在线实时进行数据处理并输出给打印机进行打印，而是采用第三方RIP软件进行图形处理，通常需要保存为位图。当打印幅面大，位图分辨率高（如大于720DPI）时，数据占用计算机内存很容易超过1G以上，有甚至会直接造成计算机崩溃。因此需要在打印机工作时在线实时进行数据处理（RIP），既保证较小的计算机内存占用，又能输出高精度打印数据。

2.全映射无损布点
根据CAD模型切片矢量数据绘制的高精度位图，在转换为喷头能识别的点阵数据中，必须保证数据完全一一对应，否则打印出的实物就会发生尺寸偏差，造成尺寸错误或精度偏差。需要开发对位图数据的全映射无损布点RIP算法，实现位图数据到点阵数据再到喷孔位置的完全一一对应，在打印数据处理层面实现不因数据处理算法处理而丢失精度，为最终高精度打印提供可靠保证。

3.精细墨量调节技术
在BJ金属打印工艺中，金属粉末对墨水的喷墨量非常敏感，在每层打印中喷墨过多或过少，都会直接影响打印的质量。因此作为工艺参数的墨量值必须通过实际打印测试，才能得到针对固定打印环境和基材的最优值。在打印过程中调节墨量通常的方法是对点阵进行抽点，实现0-100%墨量的实时精细调整。而为了保证打印精度的同时做到墨量的精细调节，将需要喷墨的点阵数据分成轮廓数据和填充数据，墨量调节抽点时只在填充数据中进行，还需要通过算法实现均匀调节填充数据的点数，完成整体喷墨量的调节。

4.无外偏笔宽轮廓绘图技术
上面已经介绍，为了保证打印精度同时提供精细墨量调节，需要将喷墨的点阵数据分成轮廓数据和填充数据，墨量调节抽点时只在填充数据中进行，而轮廓的宽度多是向轮廓线两边扩展，会造成墨水渗透增多，墨水渗透出图形边界过多之后，会造成实际零件实体部分尺寸偏大。这方面与激光3D打印技术类似，通常采用光斑补偿来解决。但是大半径的光斑补偿也会存在细节数据丢失，造成图形中一些细微区域无法打印出来。为了减小墨水渗透的影响，绘图时实现内偏笔宽，是轮廓线宽度只往实体内部区域偏置，解决了位图绘图因笔宽外偏造成的尺寸精度问题，也避免了传统绘图算法最后还需对笔宽进行补偿的问题。对于BJ金属打印，采用内偏笔宽技术之后的光斑补偿半径可以做到小于0.05mm，提高了打印精度，增强了打印对细节的描述。

5.多材质喷射的数据处理技术
实际应用中会出现喷射多种不同粘结剂材料完成打印的要求（比如固化剂与粘结剂分开打印），而不同粘结剂材料需喷射到同一点上，或均匀喷射到不同的点了。多材质喷射的数据处理技术需要通过RIP软件来实现不同喷头（喷孔）根据打印数据喷射不同的墨水，通过关联喷头喷孔位置进行布点，匹配喷头并联、串联和串并结合的打印方式进行数据处理，实现多种粘结剂材料喷射打印的要求。

6.容堵打印控制方法
喷头的喷孔堵塞一直是粘结喷射3D打印极为头痛的问题,堵塞的喷孔造成打印缺陷在零件Z向的积累，直接造成打印零件断裂。如果能够把少数堵塞喷孔造成的打印缺陷分散在零件内部，而不是聚集在某一位置，零件的性能是可以容许那些缺陷存在的。容堵打印控制技术通过RIP算法调整每个喷头每PASS的打印数据，在打印中实现当前层和上下层喷孔随机换位，使喷孔堵塞点在每层打印的位置不定。容堵打印控制技术会避免因喷孔堵塞造成固定位喷墨不佳而出现成品断裂的情况出现，经过测试，对于砂型3D打印，即便喷头有40%的堵塞也可能打出合格成品。

△缺陷孔的分散示意图

△容堵3D打印测试，明显有堵塞情况下的线条

△堵塞3D打印的合格零件

国内由于过去从事BJAM商业化的企业主要集中砂型3D打印方面，而砂型打印精度要求一般，很多企业都采用了传统喷绘行业的第三方简单RIP算法来实现砂型打印，而国内从事彩色和金属BJ技术研发的团队较少，国外从事BJ技术生产的企业内置的RIP算法也让用户感受不到RIP软件的存在，很多人因此忽视了RIP数据处理对BJ技术的重要性，作者希望通过此篇文章的发表，呼吁从事BJ技术研发的机构或个人（特别是专业的研究机构）多重视数据软件开发。由于BJ金属打印技术绝不是集成了3D打印切片软件、机架和传统喷绘行业的控制系统就够了，要做好BJAM打印机，必须重视RIP等数据处理软件，这可能是最终限制产品质量的重要因素。文/武汉易制科技