CN105216330A - 基于投影式的3d打印方法以及3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于投影式的3D打印方法以及3D打印装置，3D打印方法包括以下步骤：1）打印前，控制系统获取待打印3D模型切片后的每层图像数据；2）逐层进行打印，打印每层时，控制系统控制投影系统在当前打印截面层投影当前层的图像，进行初次曝光，再使当前投影的图像至少进行一次非整数倍像素平移，每平移一次进行一次再曝光，初次曝光图片结合至少一张再曝光图片构成当前层的打印图形。本发明提高了打印精度，使图形的边缘轮廓做到亚像素级别的精度要求。

Description

基于投影式的3D打印方法以及3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种基于投影式的3D打印方法3D打印快速成型装置。

背景技术

面曝光快速成型的关键技术之一是生成图形动态掩膜(DynamicMask)，图形掩膜的生成方式有很多种，早期的是利用静电复印技术原理，在玻璃底板上生成图形掩膜。目前，比较典型的图形生成工艺是液晶显示技术(LiquidCrystalDisplay，LCD)和数字投影技术(DigitalLightProcessing，DLP)，当然DLP的应用面广泛得多。DLP是“DigitalLightProcession”的缩写，即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜元件——DMD(DigitalMicromirrorDevice)来完成可视数字信息显示的技术。说得具体点，就是DLP投影技术应用了数字微镜元件(DMD)来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。

DLP成型精度受核心芯片DMD分辨率限制，DMD目前最高为1920x1080P，投影幅面越大，单个像素对应的尺寸越大，精度与像素尺寸相关，故打印精度越差；第二，DLP投影的光学镜头存在光学畸变，畸变率是按百分比来衡量的，即尺寸越大，畸变值越高；第三，DLP投影的机械安装要求较高，因机械安装也会造成投影的偏差，而偏差值同样是投影尺寸越大，偏差值越大。

具体打印效果来说，主要是打印的样件有明显的锯齿，尺寸精度达不到一个像素。

DLP3D打印机成型范围一般比较小，主要在于DMD分辨率的限制，一般来说，由于像素的限制，光学部分的精度很难做到像素级别以内。像素级别以内为亚像素，亚像素的概念就是指光学部分的投影精度能实现1/2、1/4乃至1/8个像素精度。

举例说明，比如分辨率为1920x1080的DLP投影系统，其采用的镜头投影幅面为192x108mm，根据计算得到，每个像素的尺寸为100um的正方形，在像素投影的过程中，一个像素点的状态要么是点亮要么是不点亮，这样就会造成实际打印的样件精度很难控制在一个像素精度之内。

因此，需要一种高精度的3D打印方法以及实现该方法的3D打印装置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于投影式的3D打印方法以及3D打印装置，用于解决现有技术中3D打印精度很难控制在一个像素精度之内的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于投影式的3D打印方法，其包括以下步骤：1)打印前，控制系统获取待打印3D模型切片后的每层图像数据；

2)逐层进行打印，打印每层时，控制系统控制投影系统在当前打印截面层投影当前层的图像，进行初次曝光，再使当前投影的图像至少进行一次非整数倍像素平移，每平移一次进行一次再曝光，初次曝光图片结合至少一张再曝光图片构成当前层的打印图形。

优选的，所述步骤2)中实现当前投影的图像非整数倍像素平移的方法为：通过第一驱动机构驱使所述投影系统中的数字微镜元件抖动实现。

优选的，所述步骤2)中实现当前投影的图像非整数倍像素平移的方法为：通过第二驱动机构驱使所述投影系统中的整个投影仪进行往复移动实现。

优选的，在进行所述步骤1)之前，通过视觉捕捉器件获取投影系统所投影的图像，对所投影的图像进行预校准，获取校准矩阵；所述步骤1)中获取每层图像数据后，通过所述校准矩阵对每层图像数据进行校准，获取一组校准后的图像数据；所述步骤2)中，打印每层时投影系统所投影的当前层的图像为校准后的图像数据。

优选的，所述投影系统采用底部投影方式或者顶部投影方式。

优选的，所述投影系统采用DLP投影仪，LED投影仪，LCoS投影仪,LCD投影仪,UV投影仪的其中一个投影仪的阵列，或是几个投影仪的组合阵列。

本发明还提供一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其包括：

盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪安装在一水平台上，所述水平台与第二驱动机构相连并且在第二驱动机构的驱动下在水平面内移动；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降和控制投影仪工作，以及控制第二驱动机构运动。

优选的，所述投影仪置于所述树脂槽的上方。

优选的，所述投影仪置于所述树脂槽的下方，且所述树脂槽底部由透明材质制成。

本发明还提供一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其包括：

盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪包括光源件、数字微镜元件以及投影镜头组；所述数字微镜元件与第一驱动机构相连并且在第一驱动机构的驱动下作水平移动；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降以及所述投影仪工作，以及控制所述第一驱动机构运动。

本发明还提供一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其包括：

盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪包括光源件、数字微镜元件以及投影镜头组；在所述数字微镜元件与投影镜头组间设有光线可通过的水平板，所述水平板与旋转机构相连并且在旋转机构的驱动下作旋转运动，通过水平板的移动使进入投影镜头组的光束产生折射；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降以及所述投影仪工作，以及控制所述旋转机构运动。

如上所述，本发明的基于投影式的3D打印方法及3D打印快速成型装置，具有以下有益效果：其采用在每层打印投影时，通过微小移动投影图像，多次曝光形成多张曝光图片，使所有曝光图片叠加形成当前层的打印图片，这样提高了打印精度，使图形的边缘轮廓做到亚像素级别的精度要求。

附图说明

图1显示为本发明基于投影式的3D打印快速成型装置的第一实施例示意图。

图2显示为本发明基于投影式的3D打印快速成型装置的第二实施例示意图。

图3显示为初始打印轮廓线与平移0.5倍像素后的轮廓线。

图4显示为采用现有技术分别打印图3中两个轮廓线形成的实际图形。

图5显示为采用本发明的方法将图4中的两个图形叠加后打印出的图形效果图。

图6显示为一个像素内的轮廓线示意图。

图7显示为采用现有技术对图6中的图投影后的图形效果图。

图8显示为采用本发明的方法对图6中的图投影后的图形效果图。

图9显示为本发明的3D打印快速成型装置的第三实施例示意图。

元件标号说明

1投影仪

2第二驱动机构

3三维打印平台

4升降机构

5树脂槽

6水平台

11光源件

12数字微镜元件

13第一驱动机构

14投影镜头组

15水平板

16投影焦平面

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种基于投影式的3D打印方法，其包括以下步骤：

1)打印前，控制系统获取待打印3D模型切片后的每层图像数据；

2)逐层进行打印，打印每层时，控制系统控制投影系统在当前打印截面层投影当前层的图像，进行初次曝光，再使当前投影的图像至少进行一次非整数倍像素平移，每平移一次进行一次再曝光，初次曝光图片结合至少一张再曝光图片构成当前层的打印图形。本发明采用在每层打印投影时，通过微小移动投影图像，多次曝光形成多张曝光图片，使所有曝光图片叠加形成当前层的打印图片，这样提高了打印精度，使图形的边缘轮廓做到亚像素级别的精度要求。

上述步骤2)中实现当前投影的图像非整数倍像素平移的方法之一为：如图1所示，其为整个投影仪的内部结构，其包括光源件11、数字微镜元件(即DMD)12以及投影镜头组14，本实施例中通过第一驱动机构13驱使投影系统中的数字微镜元件12抖动，使投影图像产生亚像素级别(如0.5倍像素)的移动，或者其他非整数倍像素的平移，如1.5倍像素、2.5倍像素等。

上述步骤2)中实现当前投影的图像非整数倍像素平移的另一方法为：如图2所示，其为3D打印装置的一具体实施例，其包括投影仪1以及三维打印平台3，本实施例通过第二驱动机构2驱使投影系统中的整个投影仪1进行往复移动实现，本实施例中的第二驱动机构2可以为电机或者气缸等，使投影仪在XY平面特定的滑道内做相应的往复平移运动。

上述投影系统采用底部投影方式(即投影仪安装在三维打印平台的下方)或者顶部投影方式(即投影仪安装在三维打印平台的上方)。投影系统采用DLP投影仪，LED投影仪，LCoS投影仪,LCD投影仪,UV投影仪的其中一个投影仪的阵列，或是几个投影仪的组合阵列。

下面具体描述3D打印的整个过程。

由于投影仪的安装位置、镜头畸变等因素影响造成投影仪投影图片失真变形，这样会造成打印精度的丢失。为了提高精度，在打印之前先进行设备调试，其可以采用标定进行预校准。具体指在进行上述步骤1)之前，通过视觉捕捉器件(CCD或CMOS等)获取投影系统所投影的图像，对所投影的图像进行预校准，获取校准矩阵。

校准矩阵的获得方法如下：先制作一块含标准刻度或标准工艺的模板，该模板上有标准图形，其图形的加工精度非常高，统称之为标定板。然后使投影仪投射标准图形，标准图形与标定板的图形是相同的，校准常用的标准图形比如棋盘格、标准点阵等，采用上述视觉捕捉器件同时或分两次捕捉标定板上的标准图形和投影仪所投射的标准图形。标定板的标准图形和投影仪所投射的标准图形在图形各局部区域位置上会有偏差，通过上述视觉捕捉器件获得这两组标准图形的坐标。

投影仪所投射的标准图形坐标矩阵记为A，标定板的标准图形坐标记为B，校准矩阵为T，则有：A*T＝B；T＝B*A^-1。这个公式可以理解成，投影仪准备投射理想的B坐标，结果却投射成了A坐标，影响的原因是安装偏差和镜头畸变等。为了得到任意图形准确的图形坐标M，需要将实际投影的图形做预变换，即乘以校准矩阵，得到预校准图形的理想坐标N，则M*T＝N。

获取标准矩阵后，在上述步骤1)中获取每层图像数据后，通过上述校准矩阵对每层图像数据进行校准，获取一组校准后的图像数据；上述步骤2)中，打印每层时投影系统所投影的当前层的图像为校准后的图像数据。

打印过程中抖动后的投影过程如下：见图3所示，图中显示的线条为待打印的图形轮廓，每一个小正方形都代表着一个像素，将图中左边显示的图形进行亚像素级别的微小抖动，如半个像素，可以得到图中右侧图形，图中左侧图形即左轮廓线的左下角坐标(0,0)，右侧图形即右轮廓线的左下角坐标为(0.5pixel，0.5pixel)，表明右轮廓线为左轮廓线向右平移半个像素得到的图形，即图中的O和O’，注意：O和O’都是坐标原点，只是为了在同一张图方便表示。

如图4所示，图中左侧粗线条标出的轮廓线为直接打印图3中左侧图形所得的图形轮廓线，图中右侧粗线条标出的轮廓线为直接打印图3中右侧图形所得的图形轮廓线，图4左侧和图4右侧的粗线条和细线(即原轮廓边缘)的贴合度都不是很好，这样进行3D打印出来的效果就是样件表面锯齿很严重，比如打印出来的圆柱体，圆形截面就是有明显的多边形效应，竖纹和锯齿痕迹明显。要使打印出的XY截面的图形精度很高，需要对轮廓边缘进行填补，本发明采用亚像素抖动技术实现，即上述步骤2)所述的：控制系统控制投影系统在当前打印截面层投影当前层的图像，进行初次曝光，再使当前投影的图像至少进行一次非整数倍像素平移，每平移一次进行一次再曝光，初次曝光图片结合至少一张再曝光图片构成当前层的打印图形。

在3D打印过程中以一次非整数倍像素移动为例，当前层曝光方式如下：投影图像在O位置时曝光图3中左侧的图形，曝光时间为t1秒，然后通过第一驱动机构使DMD或通过第二驱动机构使整个投影仪进行微小偏移，最终使得投射出来的图形发生像素级别内的偏移。此时，投影图像在O’位置，并曝光图3中右侧的图形，曝光时间为t2秒，总曝光时间t＝t1+t2+t3+…(t3是假设有第二次微小偏移后的曝光时间)，将两个(或多个)平移后位置的图形进行叠加，即将图4中的左右两个粗线条显示的图形叠加，具体来说，最终体现在黑白图片上的效果就是图5中的黑白(含灰色)的图片效果，灰色产生的原因主要与曝光时间有关系，比如，全白的像素点累计曝光为t则是全白，全白像素点累计曝光时间为t1则是灰色，曝光时间的不同决定了灰色程度的不同。

本发明用两组及以上图形微调位置并分时曝光，最终叠加出符合理想轮廓曲线的图形，使打印出来的样件精度更高，并使得表面质量大为改善，减少了图形锯齿，将尺寸精度可以控制到亚像素级别(如1/2像素，1/4像素等)。

本发明还可结合在软件对图片的处理上，可以利用灰度对图片进行处理，使轮廓边缘的图形形成一定的灰度特征，同样也可以达到减少锯齿的目的。

为便于上述亚像素抖动方式的理解，下面以一个像素去解释：如图6所示的大正方形是一个像素，图中的样条曲线是待打印位图的局部轮廓曲线，图中大正方形的中点为：上述采用亚像素抖动技术后要投影图像从正方形左下角移到中心的位置。为了方便图形表示，全白的区域为不投光部分，全黑的区域为充分曝光的区域，灰色的区域，根据灰的程度为部分曝光区域。对于不足一个像素的部分，如果不采用本发明的亚像素抖动技术，只能从软件上根据轮廓截得的曲面占整个像素的比例做灰度处理，投影效果如图7所示，精度为像素以上级别。对于不足一个像素的部分，如果采用本发明的亚像素抖动技术，由于图像位置偏移，其通过前后两个图像位置的叠加，见图8所示，则右下角的小正方形可以通过亚像素抖动微小位移后完全打印出来，而其他区域可以通过灰度处理，图8所示的结果为两个区域叠加后的效果。可见引入本发明的亚像素抖动技术后，对原轮廓的还原度大大提高，精度为亚像素级别，如图6至图8中案例，精度可以控制在1/2像素左右。

本发明还提供一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其可应用上述3D打印方法实现打印，包括：盛放树脂液用的树脂槽；置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连在升降机构的驱动下作升降运动；用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪安装在一水平台上，所述水平台与第二驱动机构相连在第二驱动机构的驱动下可在水平面内移动；以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降和控制投影仪工作，以及控制第二驱动机构运动。

上述投影仪可置于树脂槽的上方，形成顶部投影式。上述投影仪1也可置于树脂槽5的下方，且树脂槽底部由透明材质制成，形成底部投影式，见图2所示。图2中的投影仪1置于水平台6上，在第二驱动机构2的驱动下在水平面内作微小移动，实现投影幅面的像素级别的移动；三维工作平台3与升降机构4相连在升降机构的驱动下完成升降运动。

本发明还提供一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其也可应用上述3D打印方法实现打印，包括：盛放树脂液用的树脂槽；置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；用于向树脂槽内投影图像的投影仪，见图1所示，所述投影仪包括光源件11、数字微镜元件12以及投影镜头组14；所述数字微镜元件12与第一驱动机构13相连并且在第一驱动机构13的驱动下作水平移动；以及控制系统，控制系统控制升降机构升降以及投影仪工作，以及控制所述第一驱动机构13运动。

上述投影仪1在控制系统的控制下逐层投影固化成型。底部投影式的基本过程如下：首先，受控于升降机构4的三维打印平台3通过升降机构动作，止位于充满树脂的树脂槽底部并且与槽底面预留出一个大小合适的缝隙，然后投影仪1在预设的起始位置O(见图3所示)，投射控制系统处理后的图形，进行时间为t1，然后第一驱动机构13或者第二驱动机构2动作，使得投影幅面移动像素级别内的运动，原点切换到另一位置即O’位置(见图3所示)，此时投影仪1再投射控制系统处理后的图形，时间为t2，如此直至投影动作结束，使得投在树脂槽底部固化缝隙内的树脂形成第一层，固化后的树脂牢牢粘在三维打印平台3上，接着三维打印平台3上升一层层厚，投影仪1和第一驱动机构13或第二驱动机构2继续之前的动作路径，使得投在树脂槽底部固化出第二层，并与上一层粘结在一起，如此依次固化出模型的各个截面，直至制作出整个模型，成型后的模型将会粘牢在三维打印平台3上。

上述讲的是底部投影式的原理，如果是顶部投影式3D打印装置，则其原理也是类似的，投影仪动作相同，只不过是三维打印平台在打印时依次下降一个层厚，然后控制系统控制液位维持平衡，接着继续投影动作。

如图9所示，本发明还提供一种能实现上述基于投影式的3D打印方法的快速成型装置，其包括：盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪包括光源件11、数字微镜元件12以及投影镜头组14；在所述数字微镜元件12与投影镜头组14间设有一水平板15，所述水平板15与旋转机构(本实施例中的旋转机构可为旋转电机)相连并且在旋转机构的驱动下作旋转运动，通过水平板15的移动使进入投影镜头组14的光束产生折射，使投影焦平面16产生偏移；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降以及所述投影仪工作，以及控制所述旋转机构运动。本实施例通过在所述数字微镜元件与投影镜头组间设有一水平板，初始时水平板水平放置，光束垂直经过水平板，或者水平板不在光束所经过的路径上，在需要亚像素抖动即需要图像微小移动时，驱动上述旋转机构使水平板小角度快速旋转，使进入投影镜头组前的光束产生折射，光束产生微小的偏移，而这个偏移直接造成投影幅面的偏移。

综上所述，本发明的基于投影式的3D打印方法以及3D打印装置，其可采用在每层打印投影时，通过微小移动投影图像，多次曝光形成多张曝光图片，使所有曝光图片叠加形成当前层的打印图片，这样提高了打印精度，使图形的边缘轮廓做到亚像素级别的精度要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种基于投影式的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)打印前，控制系统获取待打印3D模型切片后的每层图像数据；

2)逐层进行打印，打印每层时，控制系统控制投影系统在当前打印截面层投影当前层的图像，进行初次曝光，再使当前投影的图像至少进行一次非整数倍像素平移，每平移一次进行一次再曝光，初次曝光图片结合至少一张再曝光图片构成当前层的打印图形。

2.根据权利要求1所述的基于投影式的3D打印方法，其特征在于：所述步骤2)中实现当前投影的图像非整数倍像素平移的方法为：通过第一驱动机构驱使所述投影系统中的数字微镜元件抖动实现。

3.根据权利要求1所述的基于投影式的3D打印方法，其特征在于：所述步骤2)中实现当前投影的图像非整数倍像素平移的方法为：通过第二驱动机构驱使所述投影系统中的整个投影仪进行往复移动实现。

4.根据权利要求1所述的基于投影式的3D打印方法，其特征在于：在进行所述步骤1)之前，通过视觉捕捉器件获取投影系统所投影的图像，对所投影的图像进行预校准，获取校准矩阵；所述步骤1)中获取每层图像数据后，通过所述校准矩阵对每层图像数据进行校准，获取一组校准后的图像数据；所述步骤2)中，打印每层时投影系统所投影的当前层的图像为校准后的图像数据。

5.根据权利要求1所述的基于投影式的3D打印方法，其特征在于：所述投影系统采用底部投影方式或者顶部投影方式。

6.根据权利要求1所述的基于投影式的3D打印方法，其特征在于：所述投影系统采用DLP投影仪，LED投影仪，LCoS投影仪,LCD投影仪,UV投影仪的其中一个投影仪的阵列，或是几个投影仪的组合阵列。

7.一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其特征在于：包括：

盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪安装在一水平台上，所述水平台与第二驱动机构相连并且在第二驱动机构的驱动下在水平面内移动；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降和控制投影仪工作，以及控制第二驱动机构运动。

8.根据权利要求7所述的一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其特征在于：所述投影仪置于所述树脂槽的上方。

9.根据权利要求7所述的一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其特征在于：所述投影仪置于所述树脂槽的下方，且所述树脂槽底部由透明材质制成。

10.一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其特征在于：包括：

盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪包括光源件、数字微镜元件以及投影镜头组；所述数字微镜元件与第一驱动机构相连并且在第一驱动机构的驱动下作水平移动；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降以及所述投影仪工作，以及控制所述第一驱动机构运动。

11.一种基于投影式的3D打印快速成型装置，其特征在于：包括：

盛放树脂液用的树脂槽；

置于树脂槽上方的三维打印平台，三维打印平台与升降机构相连并且在升降机构的驱动下作升降运动；

用于向树脂槽内投影图像的投影仪，所述投影仪包括光源件、数字微镜元件以及投影镜头组；在所述数字微镜元件与投影镜头组间设有光线可通过的水平板，所述水平板与旋转机构相连并且在旋转机构的驱动下作旋转运动，通过水平板的移动使进入投影镜头组的光束产生折射；

以及控制系统，控制系统控制所述升降机构升降以及所述投影仪工作，以及控制所述旋转机构运动。