CN110461607A - 三维打印机处理图像信息以提供优化的机械控制信号 - Google Patents

Abstract

一种三维打印***包括控制器，该控制器被配置成（1）接收输入切片数据阵列，该输入切片数据阵列限定具有初始外边界的初始二维对象；（2）处理输入切片数据阵列以限定简单外边界，由此如果对象具有限定其间的通道的两个部分，则减小或消除通道，由此减小外边界的周长。在一个实施例中，对象是两个对象。如果在两个对象之间限定通道，则处理合并所述两个对象。如果通道是一个对象内的凹形凹槽，则处理减小凹形凹槽的深度或消除了凹形凹槽。

Description

三维打印机处理图像信息以提供优化的机械控制信号

技术领域

本非临时专利申请要求于2017年3月28日提交的由Martin Alan Johnson等人的题为“Three Dimensional Printer Processing Image Information to ProvideOptimized Mechanical Control Signals”的美国临时申请序列号62/477,771的优先权，其受益于U.S.C.119（e）通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及一种由能量可固化（curable）材料制造固体三维（3D）制品（articleof manufacture）的装置和方法。更特定地，本公开涉及一种优化三维（3D）打印机的速度和输出质量的方法，其利用了光可固化（photocurable）树脂。

背景技术

三维（3D）打印机正在迅速地增加使用。一类3D打印机包括具有一般的操作原理的立体平版印刷打印机，其包括辐射可固化（光可固化）液体树脂的选择性固化和硬化。立体平版印刷***通过选择性地固化光可固化树脂的层来形成三维（3D）制品。典型的立体平版印刷***包括保存光可固化树脂的容纳容器、一个或多个移动机构和可控制的光引擎。在光可固化树脂的每层被选择性固化之前，一种移动机构被用于定位三维（3D）制品。在一些实施例中，另一种移动机构可被用于使光可固化树脂成层。

对立体平版印刷***的一个挑战是诸如所使用的光可固化树脂的粘度和正制造的3D产品的变化几何形状之类的因素中的变化。这些因素可能影响移动机构的最优运动控制。制造速度与质量之间存在权衡，其由运动控制所影响。存在对于改进的运动控制的需要。

发明内容

在本公开的第一方面中，一种三维打印***包括：控制器，该控制器被配置成（1）接收输入切片数据阵列，该输入切片数据阵列限定具有初始外边界的初始二维对象；（2）处理输入切片数据阵列以限定简单外边界，由此如果对象具有限定其间的通道的两个部分，则减小或消除通道，由此减小外边界的周长。在一个实施例中，对象是两个对象。如果在两个对象之间限定通道，则处理合并了所述两个对象。如果通道是一个对象内的凹形凹槽，则处理减小了凹形凹槽的深度或消除了凹形凹槽。

在一个实现方式中，处理包括扩张初始对象，由此初始外边界中的部分在外边界上的每个点处垂直于外边界的方向上向外扩张。当存在窄通道时，限定窄通道的边界部分在扩张期间重叠。因此，限定窄通道的对象部分将在扩张期间合并。结果是扩张的对象。在一个实施例中，扩张的对象具有初始对象的面积的1.5至2.0倍。扩张后，扩张的对象收缩或缩放到初始对象的面积。已合并的对象中的部分不合并-以及因此，结果是针对其任何窄通道在深度上被减小或被消除的扩张的和缩放的对象。在一个实施例中，扩张的和缩放的对象与初始对象进行组合以提供初始对象与扩张的和缩放的对象的并集。

在另一个实现方式中，具有简单外边界的对象（简化对象）被处理以确定流入距离D。在一个实施例中，这通过对象的逐步向内侵蚀来确定，其中每个步骤在简单外边界上的每个点处垂直于简单外边界移动。为完全侵蚀简化对象所需的步骤的数量乘以步距（stepsize）等于流入距离D。流入距离D用于计算对于三维打印***的至少一个机械操作参数。

在仍有另一个实现方式中，控制器包括处理器和信息存储设备。信息存储设备包括存储指令的非易失性或非暂态存储设备，当由处理器执行时，其控制光引擎和移动机构。控制器可以位于打印***中的一个位置处或分布在打印***中的多个位置之中。在一个实施例中，控制器包括在打印引擎外部的外部控制器和在打印引擎内部的内部控制器。控制器被配置成控制三维打印***的各个部分。

在本公开的第二方面中，三维打印***包括容器、光引擎、移动机构和控制器。该容器用于容纳光可固化树脂。移动机构用于机械地夹持和/或平移三维打印***的部件。控制器被配置成（1）接收限定具有初始外边界的初始二维对象的输入切片数据阵列，（2）沿成像数据路径处理输入切片数据阵列，以及（3）沿机构控制数据路径处理输入切片数据阵列。沿成像数据路径处理输入切片数据阵列包括（a）将输入切片数据阵列转换成与光引擎兼容的控制信号，以及（b）将控制信号发送到光引擎。沿机构控制数据路径处理输入切片数据阵列包括（a）减小由在初始外边界中的部分之间限定的任何通道所贡献的周长长度以提供简单外边界，（b）计算对于简单外边界的流入距离（D），以及（c）处理控制信号以确定对于移动机构的控制信号，控制信号确定平移距离、平移速度、夹持力和延迟时间中的一项或多项。

在一个实现方式中，容器包括具有透明片的下部。三维打印***包括用于支撑三维制品的固定装置，由此三维制品的下表面处于与透明片的面对关系中。光引擎被配置成响应于沿成像数据路径接收到控制信号，将像素化光向上透射通过透明片以在构建平面上和接近于该构建平面硬化光可固化树脂。硬化的光可固化树脂递增地成层在下表面上。光引擎包括光源和空间光调制器。

附图说明

图1是示例性打印***的示意性框图。

图2是描绘用于处理输入切片数据阵列的分叉数据路径或两个数据路径的数据流框图。

图3是描绘操作三维打印***的示例性方法的流程图。

图4是对应于图3的流程图的示例性时序图。

图5是描绘用于至少部分地基于输入切片数据阵列来限定至少一个机械参数的方法的流程图。

图6是图示对于具有简单外边界的实心圆形对象的流入距离的俯视图（平面图）。

图7是侧横断面视图，其图示了当下表面升高时透明片与右圆柱的下表面之间的树脂的径向流入。

图8是图示具有简单外边界的实心矩形对象的俯视图（平面图）。

图9是图示具有分离了初始外边界中的部分的通道的矩形对象的俯视图（平面图）。

图10是描绘用于处理输入切片数据阵列以确定流入距离D和随后计算的示例性实施例的流程图。

图10A是根据图10的步骤92的具有由输入切片数据阵列限定的初始外边界的初始对象的示意图。

图10B是根据图10的步骤94的扩张的外边界的示意图。

图10C是根据图10的步骤96的扩张的和收缩的外边界的示意图。

图10D是简单外边界的示意图，其是初始对象的对象与图10C的扩张的和缩放的外边界之间的并集的结果。图10D对应于图10的步骤98。

图10E是图示向内侵蚀简单外边界以确定等于侵蚀步骤的数量乘以步长的流入距离D的示意图。

图11是图示来自图10A、图10B和图10C的外边界的重叠的示意图。

图12是图示对包括两个对象的对象处理的效应的示意图，所述两个对象包括“H”形对象（顶部）和椭圆形对象（底部）。

具体实施方式

图1是描绘示例性打印***2的示意性框图。在该图和其他图中，将使用相互正交的轴X、Y和Z。轴X和Y是横向轴。在一些实施例中，X和Y也是水平轴。轴Z是中心轴。在一些实施例中，Z是垂直轴。在一些实施例中，方向+Z通常向上，而方向-Z通常向下。

打印引擎2包括容纳光可固化树脂6的容器4。容器4包括形成容器4的下部10中的至少一部分的透明片8。光引擎12被布置和被配置成选择性地将光向上投射通过透明片8，以在形成三维制品14期间选择性地固化光可固化树脂6。在一个实施例中，光引擎12可包括光源18和空间光调制器16。

在三维制品14的下表面20和透明片8之间是光可固化树脂6的薄层22。当光引擎12进行操作时，光可固化树脂6的薄层22中的一部分在构建平面24处和接近于该构建平面24被固化并凝固。构建平面24限定光可固化树脂的层的横向延伸（沿X和Y），使得光引擎12在形成三维制品14时能够固化。

打印引擎2包括用于支撑三维制品14的固定装置26。固定装置26耦合到移动机构28，所述移动机构28可控制地沿垂直Z轴定位固定装置26。由此，移动机构28控制三维制品14的下表面20与透明片8之间的距离H（t）。

打印***2包括一个或多个其他机构30。在一个实施例中，机构30可以是用于从移动机构28移除和更换固定装置26的机器人夹持器。这样的机器人夹持器30可以在X、Y和Z中移动。

打印引擎2还包括在外部控制器34的控制下的内部控制器32。内部控制器32和外部控制器34可以统称为“控制器36”，其控制光引擎12、移动机构28、其他机构30和打印***2的其他部分的操作。

在打印***2的操作期间，移动机构28升高和降低光可固化树脂6内的三维制品14。在下表面20和透明片8之间，当光引擎12在构建平面24处固化光可固化树脂6并操作时，树脂的薄层22变得耗尽。当下表面20具有某些大的几何形状时，这尤其成问题。为了在构建平面24处维持光可固化树脂6，移动机构可能需要升高和降低下表面20。存在与其相关联的移动的最佳速度和高度。控制器36被配置成分析下表面20的几何形状以确定由移动机构28引起的最佳运动。这将针对以下附图进一步描述。

尽管图1描绘了特定的打印***2，但是其他实施例是可能的。备选的打印***2可包括设置在容器4上方的光引擎12，其用于光可固化树脂6的向下照明。然后将固定装置定位在三维制品14下方。光引擎12可包括激光器和扫描光学器件。其他机构30可包括用于促进使光可固化树脂6分配或成层到三维制品14上的设备。

图2是“信息流”框图，其图示了由控制器36限定的示例性分叉数据路径38（限定两个数据路径）。当新的光可固化树脂6的层形成到三维制品14的下表面20上时，可以利用数据路径38。

输入切片数据阵列40由控制器36来生成和/或接收。输入切片数据阵列40限定了对于共同限定构建平面24的像素元素的阵列的能量值。非零能量值将确定针对给定的像素元素的固化的水平，其将限定在构建平面24处要固化的二维对象的一部分。数据路径38被分叉包括成像数据路径42和机构控制数据路径44。

沿成像数据路径42，输入切片数据阵列40在被发送到空间光调制器6之前被处理。根据处理46，输入数据阵列40被处理以为空间光调制器16提供适当的分辨率和缩放。另一个缩放处理46可以包括对诸如桶形失真和梯形畸变效应的各种失真的校正。仍有另一个缩放处理46可包括为具有多个空间光调制器的光引擎应用透明掩模。来自缩放处理46的输出是缩放的切片数据阵列。

根据处理48，缩放的切片数据阵列被转换成与空间光调制器16直接兼容的图像帧。根据50，图像帧被发送到空间光调制器16，其在空间上调制光以提供构建平面24的选择性像素化照明。关于成像数据路径42的一个重要点在于由输入切片数据阵列40表示的二维对象的边界不会改变。这是在其中机构控制数据路径44与成像数据路径42不同的一种方式。

沿机构控制数据路径44，输入切片数据阵列40被用于生成用于移动机构28的控制信号。输入切片数据阵列40限定包围一个或多个二维对象的一个或多个边界。在一些情况中，一个或多个边界限定两个外边界之间的通道或沿外边界的凹形凹槽。根据52，输入切片数据阵列40被处理以减小或消除任何通道或凹形凹槽，以及由此当存在这样的特征时减小一个或多个边界的总周长。这促进了在其处计算流入距离D的数据处理54。在数据处理56处，利用流入距离来计算用于移动机构28的运动参数。在处理58处，控制信号被发送到移动机构28，所述控制信号与来自处理56的所计算运动参数一致。关键点在于-由处理52产生的切片边界在几何上不同于由输入切片数据阵列40限定的边界。这就是为什么利用两个数据路径42和44的原因。

图3是描绘示例性方法60的流程图，通过其来将材料的层添加到三维制品14上。根据步骤62，移动机构28将下表面20定位在构建平面24处或接近于构建平面24。根据步骤64，由控制器36接收或生成输入切片数据阵列40。根据步骤66，控制器36处理输入切片数据阵列40以限定一个或多个图像帧。方法60的步骤66对应于图2的处理46和48。根据步骤68，将一个或多个图像帧发送到空间光调制器16。作为步骤68的部分，光源18连续地开启或者打开和关闭。步骤68导致将凝固的聚合物的层添加到三维制品14的下表面20。重复步骤62-68，直到存在有对补充树脂6的薄层22的需要。

根据步骤70，输入切片数据阵列被处理以确定泵距离ΔH。方法60的步骤70对应于图2的处理52至56。根据步骤72，下表面20被升高达ΔH，其补充树脂6的薄层22。然后，该处理前进返回到步骤62。

重复步骤62至72，直到三维制品14被完全形成为止。变化是可能的。例如，步骤70可以与步骤62至68同时发生或在步骤62至68之前发生。在一些实施例中，ΔH值全部在执行方法60之前被确定，并且在步骤70中其仅从存储器当中被读取。

图4是对应于图3的方法60的示例性时序图。该时序图是H（t）对时间t的曲线图，在其中H（t）是在透明片8上方下表面20的高度。从0到t1的时间段对应于步骤62-68。从t1到t2的时间段对应于从步骤68循环回到步骤62并然后步骤62-68。时间段t2到t3也对应于从步骤68循环回到步骤62并然后步骤62-68。时间段t3到t4对应于步骤72，在其中H_泵-H_op等于ΔH。从t4到t5的时间段对应于从步骤72循环回到步骤62。

图5是描绘用于基于接收和处理输入切片数据阵列40来执行机构相关的计算的一般方法74的流程图。将使用图6-图9来帮助解释方法74。方法74对应于图2的数据路径44。根据步骤76，控制器36接收或生成限定二维对象的初始外边界的输入切片数据阵列40。

作为可以领会的，各种各样的二维对象可以被接收。非常简单的外边界的示例是如图6中所描绘的实心圆。当下表面20具有从透明片8升高的这样的几何形状时，我们可以对作为圆的半径的“流入距离D”进行建模。树脂的流入在图7中被描绘。流入距离D是树脂必须从外边界流动以完全覆盖下表面20的距离的量度。因为对于实心圆的流入距离是容易计算，所以这被称为“简单外边界”。

简单外边界的另一个示例是如图8中所描绘的右矩形的简单外边界。对于该形状的流入距离D等于矩形的较短侧的长度的一半。当树脂已流动那么远时，它已经覆盖了下表面20。

图9描绘了更复杂的几何形状。初始外边界具有内部通道加上多个凹槽，其导致了梳形外边界。限定对于该几何形状的流入距离D不是那么直接并且使用图5的方法74来找到它。

根据步骤78，外部输入切片数据阵列40被处理以限定简单外边界。对于图6的实心圆形几何形状或图8的实心右矩形几何形状，步骤8的处理在外边界上基本上没有改变，因为它已经是“简单的”。然而，对于在初始外边界的部分之间具有通道的外边界，外边界几何形状被改变。图9中的虚线矩形指示“简单”外边界，其可以等同于更复杂的初始外边界。流入距离D等于针对图9所图示的虚线矩形的较短侧的长度的一半。

根据步骤80，针对更简单的外边界计算流入距离D。最后，根据步骤82，基于D的计算值来执行附加计算。附加计算可以是对平移距离、平移速度、夹持力、延迟时间或其他机械参数中的一项或多项的确定。在一个实施例中，为图1的***确定了泵距离ΔH和速度。

图10是描绘方法90的流程图，所述方法90是图5的方法74的特定实施例。该方法的步骤描述于图10A-10E中。根据步骤92，控制器36接收或生成限定初始二维对象的初始外边界的输入切片数据阵列。初始二维对象具有初始面积。示例性的初始外边界104在图10A中被描绘。注意，初始外边界包括多个向内的凹形凹槽或通道105，这使得对流入距离D的确定是困难的。

根据步骤94，初始外边界的所有部分向外扩张，直到对象的总面积增加到初始面积的1.5到2.0倍。扩张是垂直于所有外边界部分进行的。效应是将在其间具有窄通道（诸如向内凹槽）的对象的部分合并。这是因为限定窄通道的边界部分将朝向彼此生长并合并到彼此。图10B描绘了扩张的外边界106。结果是初始向内凹槽或通道的深度已经被减小。

根据步骤96，将对象缩放或收缩降到其初始面积。扩张的和缩放的外边界108在图10C中被图示。而在图10C中的形状具有与图10A的形状相同的面积，相对于图10A，初始凹槽在深度上被减小并且对象的整个周长被减小。步骤96的缩放处理包括外边界106的收缩后部，这导致“简单外边界”108。

根据步骤98，从步骤96在原始对象与扩张的和收缩的对象之间形成并集。从像素到像素的观点来看，这是一个逻辑或（OR）组合。这在图10D中被图示，其描绘了促进对流入距离D的确定的“简单外边界”110。一种可视化流入距离D的方法-它是流体从边界部分流动行进直到整个对象覆盖有流体的最小距离。

根据步骤100，来自步骤98的对象被腐蚀以确定流入距离。这涉及以某一步距向内步进形成外边界的所有部分，直到通过步骤覆盖对象。这在图10E中被图示。步骤的数量乘以步长等于计算的流入距离D。根据步骤102，流入距离D用于执行用于控制诸如移动机构28的机械机构的后续计算。

作为方法90的备选方案，步骤98不被包括。因此，步骤100紧跟在步骤96之后。

图11描绘了分别从处理步骤92、94和96中获得的初始外边界104、扩张的外边界106以及扩张的和收缩的外边界108的重叠。初始外边界104与扩张的和缩放的外边界108的重叠用于步骤100以确定流入距离D。

图12描绘了对初始对象进行扩张和缩放的方法，该初始对象实际上是两个初始对象104。两个初始对象104包括形状像“H”的上部对象104和下部椭圆形状104。当考虑两个对象时，在外边界104的部分之间存在若干通道105。H形对象具有如所示的两个向内凹槽105。此外，H和椭圆形之间的接近度限定了通道105。在图12中，初始外边界104表示为实线104。

方法步骤94的扩张处理导致扩张的外边界106，在其中所有通道105几乎消失。这也具有合并H和椭圆形状的效应。在图12中，扩张的外边界106被表示为虚线106。

方法步骤96的收缩导致扩张的和收缩的外边界108。方法步骤98将形状与外边界104和108组合。在一些实施例中，方法步骤98不被包括。在图12中，扩张的和收缩的外边界108被表示为虚线108。

作为注意-使得椭圆形状是唯一初始对象，则步骤94-98的处理将对外边界104具有很小或没有效应，因为扩张将不会引起任何外边界部分重叠并且没有对象的部分将被合并。因此，如所图示，存在两种基本情况：

（A）初始外边界104是“简单外边界”，诸如正方形、圆形、椭圆形、矩形等。对于这种情况，对输入切片数据阵列进行处理将使初始外边界基本上不改变。这是因为步骤94的扩张处理不会引起外边界的任何部分重叠以及由此合并对象部分。

（B）初始外边界包括将由扩张处理封闭的两个对象（或相同对象的部分）之间的窄通道。对于这种情况，对输入切片数据阵列进行处理将导致部分或完全消除窄通道以及两个对象（或部分）之间的合并。这是因为扩张处理引起外边界的部分重叠，以及因此使对象或对象的部分合并。当外边界收缩使得对象的面积减小到原始面积时，合并的部分不会分开，并且由于步骤94和96的结果，外边界的整个周长减小。

存在窄通道105的两种情况。第一种情况是分离两个对象的窄通道105，其诸如H和椭圆形状的图12图示。第二种情况是外边界的凹陷的凹形部分，其诸如H的两个凹槽（图12）或图10A中所图示的初始凹槽。

上述具体实施例及其应用仅用于说明性目的，并不排除由以下权利要求的范围所涵盖的修改和变化。

Claims (18)

1.一种用于制作三维制品的三维打印***，包括：

容纳容器，其用于容纳光可固化树脂；

光引擎；

移动机构，其用于机械地平移所述三维打印***的部件；

控制器，其被配置成：

接收输入切片数据阵列，所述输入切片数据阵列限定具有初始外边界的二维对象；

沿成像数据路径处理所述输入切片数据阵列还包括：

将所述输入切片数据阵列转换成用于所述光引擎的控制信号；并将所述控制信号发送到所述光引擎，由此选择性地硬化所聚合的层的几何形状；以及

沿机构控制数据路径处理所述输入切片数据阵列还包括：

处理所述输入切片数据阵列以为所述对象提供简单外边界，其包括由所述初始外边界的部分之间的任何通道所限定的周长长度的减小；

计算对于所述简单外边界的流入距离（D）；

处理所述流入距离（D）以确定用于所述移动机构的控制信号，所述控制信号确定平移距离、平移速度、夹持力和延迟时间中的一项或多项。

2.根据权利要求1所述的三维打印***，其中所述容器包括下部，所述下部包括透明片，所述光引擎被配置成选择性地将像素化光向上透射通过所述透明片。

3.根据权利要求2所述的三维打印***，其中所述光引擎包括光源和空间光调制器。

4.根据权利要求2所述的三维打印***，还包括用于支撑所述三维制品的固定装置，所述三维制品具有与所述透明薄膜处于面对关系的下表面，所述移动机构控制所述下表面与所述透明薄膜之间的距离。

5.根据权利要求4所述的三维打印***，其中由所述流入距离确定的所述控制信号还确定所述下表面在所述透明薄膜上方被升高的泵距离，以补充其间的所述光可固化树脂。

6.根据权利要求4所述的三维打印***，其中由所述流入距离确定的所述控制信号还确定泵速，在所述泵速下所述下表面在所述透明薄膜上方被升高。

7.根据权利要求1所述的三维打印***，其中处理所述输入数据阵列以提供简单外边界包括当所述输入边界已经具有简单几何形状时基本上不改变所述边界。

8.根据权利要求1所述的三维打印***，其中处理所述输入数据阵列以提供简单外边界包括当对象的两个部分限定它们之间的窄通道时合并对象的所述两个部分。

9.根据权利要求1所述的三维打印***，其中处理所述输入数据阵列以提供简单外边界包括当所述输入边界包括限定凹槽的凹形部分时减小或消除凹槽的深度。

10.根据权利要求1所述的三维打印***，其中处理所述输入切片数据阵列以提供简单外边界包括扩张所述初始外边界，由此至少部分地填充任何通道。

11.根据权利要求9所述的三维打印***，其中处理所述输入切片数据阵列以提供简单外边界还包括收缩所述外边界。

12.根据权利要求1所述的三维打印***，其中所述流入距离（D）通过按步骤侵蚀所述简单外边界来计算，以确定为完全侵蚀所述对象的步骤的数量。

13.一种用于制作三维制品的三维打印***，包括：

容纳容器，其用于容纳光可固化树脂；

光引擎；

移动机构，其用于机械地平移所述三维打印***的部件；

控制器，其被配置成：

接收输入切片数据阵列，所述输入切片数据阵列限定具有初始外边界的二维对象；

沿成像数据路径处理所述输入切片数据阵列还包括：

将所述输入切片数据阵列转换成用于所述光引擎的控制信号；并将所述控制信号发送到所述光引擎，由此选择性地硬化所聚合的层的几何形状；以及

沿第二数据路径处理所述输入切片数据阵列还包括：

处理所述输入切片数据阵列以提供简单外边界，由此如果所述对象具有限定其间的通道的两个部分，则减小或消除所述通道，由此减小所述外边界的周长；

计算对于所述简单外边界的流入距离（D）；以及

处理所述流入距离（D）以确定用于所述移动机构的控制信号，所述控制信号确定平移距离、平移速度、夹持力和延迟时间中的一项或多项。

14.根据权利要求12所述的三维打印***，其中如果所述二维对象包括具有在其间形成的通道的两个对象，则所述两个对象被合并，由此减小或消除所述通道。

15.根据权利要求12所述的三维打印***，其中如果所述通道是所述初始外边界的凹形部分，则减小所述凹形部分的深度。

16.根据权利要求12所述的三维打印***，其中处理所述输入切片数据阵列以提供简单外边界包括扩张所述初始外边界，由此至少部分地填充任何通道。

17.根据权利要求15所述的三维打印***，其中处理所述输入切片数据阵列以提供简单外边界还包括收缩所述外边界。

18.根据权利要求1所述的三维打印***，其中所述流入距离（D）通过按步骤侵蚀所述简单外边界来计算，以确定为完全侵蚀所述对象的步骤的数量。