CN107209497B - 设置用于增材制造方法的三维物体打印属性的方法 - Google Patents

设置用于增材制造方法的三维物体打印属性的方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于在增材制造方法(例如，3D‑打印)中设置三维物体的属性的方法，在所述方法中获取表示待打印的三维物体的数据。所述数据包括表示所述三维物体的子体积。由用户识别或设置所述待打印的三维物体的特征。基于所识别的特征，针对用于打印所述三维物体的个体子体积设置属性数据。所述属性数据包括材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据。

Description

设置用于增材制造方法的三维物体打印属性的方法
背景技术
通过增材制造方法生成的三维物体可以以逐层方式形成。在增材制造的一个示例中，通过在装置中使构造材料的层的部分固化来生成物体。在示例中，构造材料可以是粉末、流体或片材的形式。可以通过将试剂打印到构造材料的层上来获得预期的固化和/或物理属性。可以向层施加能量，并且其上已经施加了试剂的构造材料可以一经冷却就聚结并且固化。在其他示例中，可以使用化学粘结剂，该化学粘结剂可以不需要施加能量来固化。例如，可以通过使用挤出的塑料或喷涂材料作为构造材料来生成三维物体，该构造材料固化形成物体。
附图说明
为了更全面的理解，现在下文将参考附图来描述各个实施例，在附图中：
图1是利用本公开的示例装置的框图；以及
图2是根据本公开的可以采用的方法的示例的流程图。
具体实施方式
本文描述的一些实施例提供一种用于设置可以用来生产三维物体的三维物体的属性的装置和方法。一些实施例允许处理并且使用具有各种指定的物体属性的任意三维内容来生成三维物体。这些物体属性可以包括外观属性和/或机械属性，如颜色、透明度、光泽度、强度、传导性、密度、多孔性等。
在本文的一些实施例中，用子体积来表征三维空间。子体积可以是“体素”形式，即三维像素，其中每个体素占据离散的体积。然而，将理解的是，子体积可以是可以采取任何形状(例如，立方体、长方体、四面体或任何其他形状)的任何有体积的实体。在对三维物体进行数据建模时，给定位置处的子体积可以具有至少一个属性。例如，它可以是空的，它可以具有特定的颜色，它可以表示特定材料，它可以表示特定结构属性，等等。
在一些实施例中，对表示三维物体的数据进行处理，以设置用于生成物体的属性。
在一些实施例中，材料体积覆盖表示定义打印材料数据，例如，细化打印材料(如沉积到构造材料层上的一种或多种试剂，或者在一些实施例中，构造材料本身)及其组合(如果适用的话)的量。在一些实施例中，这可以被指定为比例体积覆盖(例如，构造材料层的X％的区域应该具有施加到其上的试剂Y)。此类打印材料可以被涉及或者被选择来提供物体属性如，例如，颜色、透明度、柔性、弹性、硬度、表面粗糙度、多孔性、传导性、夹层强度、密度等。
可以使用半色调技术来确定每个打印材料(例如，一滴试剂)应该施加的实际位置。
例如，物体模型数据内的子体积的集合可以具有相关联的材料体积覆盖(Mvoc)矢量的集合。在简单的实例中，这种矢量可以指示三维空间的X％的给定区域应该具有施加到其上的特定试剂，其中(100-X)％应该没有施加到其上的试剂。然后材料体积覆盖表示可以提供用于半色调过程的输入，以生成可以供增材制造系统使用来生产三维物体的控制数据。例如，可以确定的是，为了产生指定的物体属性，25％的构造材料层(或层的一部分)应该具有施加到其上的试剂。例如，通过将每个位置与在半色调阈值矩阵中提供的阈值进行比较，半色调过程确定试剂滴应该在何处沉积，以便提供25％的覆盖。在另一个实例中，可以有两种试剂，并且可以直接确定它们中的每种、它们的组合以及剩余没有试剂的体积的体积覆盖。
情况可能是这样的，在构建3D数据模型的时候，用来打印物体的打印装置至少就其功能来说是未指定的。
参考图1和2进一步描述本主题。应该注意到，说明书和附图仅说明本主题的原理。因此要理解的是，可以策划体现本主题的原理的各种布置(尽管本文没有明确描述或者示出)。此外，本文叙述本主题的原理和示例的所有陈述，及其具体实施例，都旨在涵盖其等同物。
图1是根据本主题的实施例的装置100。装置100包括：获取模块102，以获取表示三维物体的数据103；识别模块104，以识别数据；处理器106，以处理数据；以及机器可读存储器108，以存储数据。机器可读存储器108可以存储用于通过由处理器106执行的应用程序存取的数据，并且可以包括含有用于供应用程序使用的信息的数据结构。机器可读存储器108可以是存储可执行指令的任何电子、磁性、光学或其他物理存储装置。因此，机器可读存储器108可以是，例如，随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储驱动、光盘等。机器可读存储器108可以用可执行指令来编码。
图2是根据本公开可以采用的方法的示例的流程图，现在还将参考图1进行描述。
在框200处，获取模块102获取表示待打印的三维物体的数据。该数据可以包括以表示或构成三维物体的子体积形式的、待打印的三维模型的几何信息。子体积可以是阵列的形式，其中每个子体积位于三维物体内唯一的三维位置。
在框202处，识别模块104识别或获取待打印的三维物体的特征。在一个实施例中，可以从在用户界面(未示出)处接收的用户输入来识别待打印的三维物体的所识别的特征。用户输入可以指示或指定特征。所识别的特征可以包括关于一旦三维物体已被生产或打印它即具有的属性的信息。例如，三维物体的所识别的特征可以包括关于弹性、重量、不透明度、延展性、柔性、颜色、传导性、硬度、表面粗糙度、多孔性、强度和/或任何其他特征的信息或值。在一个实施例中，识别模块104可以识别三维物体的重量的特定值，以及三维物体的弹性的特定值。识别模块104可以识别三维物体的不同部分或部分体积的不同特征。例如，识别模块104可以识别三维物体的内部的一个特征或特征的集合，以及三维物体的外部或表面的另一个特征或另一个特征的集合，等。
在框204处，基于所识别的特征，处理器106针对表示待打印的三维物体的个体子体积设置属性数据。属性数据包括材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据。将理解的是，属性数据还可以包括其他类型的数据。
材料属性数据可以包括，例如，有关材料(如构造材料和/或待沉积到构造材料上的试剂)使用的信息。例如，材料属性数据可以包括指示材料数量、材料重量、材料密度、材料分布、材料组合(例如，构造材料和试剂的组合、构造材料本身的组合等)、材料体积覆盖(Movc)信息或矢量(如之前描述的)、颜色信息的数据和/或任何其他材料属性数据。结构属性数据可以包括，例如，有关材料分布的信息。例如，结构属性数据可以包括指示结构尺寸、结构形状、半色调信息(如算法的选择、资源的选择等)的数据和/或任何其他结构属性数据。打印属性数据可以包括，例如，有关用于打印系统的设置的信息。例如，打印属性数据可以包括指示打印方法、打印技术、打印速度、定影(fusing)温度、设置不同的材料属性数据和/或结构属性数据的指令(例如，取决于所支持的材料和/或结构的可用性)的数据和/或任何其他打印属性数据。
根据本公开，通过识别模块104识别的特征是属性数据的函数。例如，处理器106可以将由识别模块104识别的特征映射到属性数据。一个实施例是特征可以是特征矢量P的形式。特征矢量P可以具有如独立特征那样多的维度。例如，识别模块104可以识别传导性C和弹性E。在该实施例中，子体积v可以关联于二维特征矢量Pv＝(Cv,Ev)。
在一些实施例中，处理器106可以使目标特征集合关联于待打印的每个子体积(即，关联于每个打印子体积)。处理器106采用来以该方式设置特征的方法可以取决于各种因素。例如，它可以取决于用户在用户界面处如何指定特征。在实施例中，处理器106可以先由输入子体积计算出目标子体积，将那些目标子体积的目标属性集合分配给它们，并且随后进一步再把目标子体积细分为打印子体积。
处理器106可以针对每个打印子体积设置属性数据(包括材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据)。在其他实施例中，处理器106可以针对预确定的一些打印子体积(例如，打印子体积的预确定的集合)设置属性数据。在该实施例中，处理器106可以用随机属性数据、默认属性数据分配其他子体积(例如，预确定的集合之外的那些子体积)，或者可以使它们保留为空的，等。
尽管一些属性数据在子体积水平上是可由处理器106控制的(并且因此可以设置的)，但是可以存在处理器106需要针对子体积层建立的一些属性数据(例如，打印速度)，以及处理器106需要全局控制的一些属性数据(例如，其上沉积试剂的粉末的选择，或者打印床维持的温度)。
在一些实施例中，处理器106可以针对个体子体积设置针对邻近子体积不同的属性数据。例如，表示三维物体的子体积可以包括表示或定义三维物体的表面的表面子体积，以及表示或定义三维物体的内部体积的内部子体积。在该实施例中，处理器106可以针对表面子体积和针对内部子体积区别地设置属性数据或设置不同的属性数据。例如，在识别模块104识别出三维物体的内部和外部部分的不同特征的情况中(如之前讨论的)。
在一些实施例中，处理器106可以针对部分体积中的个体子体积设置属性数据。例如，如之前讨论的，识别模块104可以识别三维物体的一部分或部分体积的特征(例如，部分体积可能在用户界面处已被指示)，并且处理器106可以针对该部分体积中的个体子体积设置属性数据。在一些实施例中，处理器106可以针对一个部分体积中的个体子体积与另一个部分体积中的个体子体积区别地设置属性数据或者设置不同的属性数据(取决于那些部分体积的所识别的特征)。
处理器106可以将属性数据编码为元组，该元组可以表示成
Figure BDA0001359373730000041
并且该元组描述结构属性数据
Figure BDA0001359373730000042
材料属性数据
Figure BDA0001359373730000043
和打印属性数据
Figure BDA0001359373730000044
机器可读存储器108可以针对个体子体积将材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据存储为三维物体特征的函数。机器可读存储器108可以被预配置有该信息。可替换地或者另外，机器可读存储器108可以基于通过在一段时间内使用装置所获取的信息来被动地获悉该信息。处理器106可以针对最接近或准确地提供与那些子体积相关联的目标特征集合的子体积从机器可读存储器108读取属性数据。然后处理器108将用针对那些子体积读取的属性数据设置它们。以该方式，可以随后用具有该属性数据的子体积生产或打印的三维物体将具有所识别的特征。
作为数据存储器的实施例，机器可读存储器108可以将材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据存储为查找表(LUT)的形式的三维物体特征的函数。LUT可以将三维物体特征映射到属性数据。例如，LUT可以将三维物体特征映射到材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据的各种组合。在之前提到的矢量形式中，LUT可以将特征矢量
Figure BDA0001359373730000051
映射到描述结构属性数据
Figure BDA0001359373730000052
材料属性数据
Figure BDA0001359373730000053
和打印属性数据
Figure BDA0001359373730000054
的元组
Figure BDA0001359373730000055
以数学形式，这可以表示成
Figure BDA0001359373730000056
以该方式，处理器106能够找到用于存在于机器可读存储器108中的特征矢量
Figure BDA0001359373730000057
的映射。
处理器106还可以具有用于找到用于不存在于机器可读存储器108中的特征矢量
Figure BDA0001359373730000058
的映射的机制。例如，处理器106可以针对材料的体积分布进行四面体插值，以确定用于不存在于机器可读存储器108中的特征矢量
Figure BDA0001359373730000059
的映射。
在该实施例中，假设n维LUT，包含kn个条目，其中k是每个维度的步骤数。按照
Figure BDA00013593737300000510
的成员编入索引的该LUT，包含直接用于LUT节点的
Figure BDA00013593737300000511
和
Figure BDA00013593737300000512
例如，三维LUT，其中
Figure BDA00013593737300000520
是颜色(例如，用RGB值表示)，可以具有93＝729个节点。当输入匹配节点的
Figure BDA00013593737300000521
矢量时，输出直接包含在对应的节点中。在其他情况中，找到包围输入
Figure BDA00013593737300000519
矢量的单形(即，n+1个顶点，关于n+1个顶点，重心坐标合计为1)，并且它之内的重心坐标被用作用于将那些n+1个节点的对应的输出值进行凸组合的权重。尽管此处提供四面体的三维插值作为实施例，将理解的是，可以使用任何其他插值技术。
上文描述的方法可以用来控制或设置三维物体的子体积水平的属性。在实施例中，上文描述的方法可以用来控制三维物体的子体积水平的重量。在该实施例中，通过使特征矢量
Figure BDA00013593737300000522
的元素中的一个为期望的重量，可能将每个重量分配给不同的半色调结构(每个具有不同的内置密度)。在该实施例中，假设存在两个特征集合
Figure BDA00013593737300000513
和
Figure BDA00013593737300000514
该
Figure BDA00013593737300000515
和
Figure BDA00013593737300000516
分别与两个子体积相关联，并且该
Figure BDA00013593737300000517
和
Figure BDA00013593737300000518
共享除对应于重量的值之外的所有值。例如，如果特征指定重量W和弹性E，则W1≠W2，并且E1＝E2＝E3。然后，由于不同的重量，两个子体积的结构将是不同的(即，S1≠S2)，而所选择的材料的体积分布MVocs也将是不同的(即，M1≠M2)，因为对于每个结构将使用不同的材料分布来实现弹性E。打印参数也可以不同，因为对于不同的结构它们可以不同地影响弹性。一旦处理器106已经以上述方法中的任一种设置了子体积水平的属性，则处理器106具有将生产具有识别特征的三维物体的数据。处理器106可以指示装置100使用针对个体子体积设置的属性数据组来生产或打印三维物体。处理器106可以指示装置100在设置属性数据之后自动生产或打印，或者可以接收指示应该开始生产或打印的用户输入。根据本公开，处理器106可以在过程的任何阶段接收指示开始生产或打印的用户输入。例如，根据本公开，一旦处理器106已经针对表示待打印的三维物体的个体子体积设置了属性数据，或者在过程期间的任何其他阶段，处理器106可以接收指示开始生产或打印的用户输入。处理器106可以向用于物体生产或打印的另一个装置、设备或系统(未示出)提供数据。
本公开的实施例可以被提供为方法、系统或机器可读指令，如软件、硬件、固件等的任意组合。此类机器可读指令可以被包括在其中或其上具有机器可读程序编码的机器可读存储介质上(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光存储器等)。
参考根据本公开的实施例的方法、装置和系统的流程图和/或框图来描述本公开。尽管上文描述的流程图示出具体的执行顺序，但是执行顺序可以不同于所描绘的那种。关于一个流程图描述的框可以与另一个流程图的那些框组合。应当理解，流程图和/或框图中的每个流程和/或框，以及流程图和/或框图中的流程和/或框的组合，可以由机器可读指令实现。
机器可读指令可以，例如，由通用计算机、专用计算机、嵌入式处理器或其他可编程的数据处理设备的处理器执行，以实现说明书和附图中描述的功能。例如，处理装置或处理器(如处理器106)可以执行计算机可读指令。因此，装置和设备的功能模块可以由执行存储在存储器中的机器可读指令的处理器或者根据嵌入在逻辑电路中的指令进行操作的处理器来实现。术语“处理器”要被广泛地理解为包括处理单元、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、逻辑单元、可编程门阵列等。方法和功能模块可以全部由单个处理器进行，或者在若干个处理器之间划分。
此类机器可读指令还可以存储在机器可读存储器(如机器可读存储器108)中，该机器可读存储器可以引导计算机或其他可编程数据处理设备以具体模式进行操作。
此类计算机可读指令还可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，从而计算机或其他可编程数据处理设备进行一系列操作来产生计算机实现的处理，因此在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现由在流程表中的一个或多个流程和/或框图中的一个或多个框指定的功能的手段。
另外，本文的教导可以以计算机软件产品的形式实现，该计算机软件产品被存储在存储介质中并且包括用于使计算机设备实现本公开的实施例中叙述的方法的多条指令。
尽管已经参考某些实施例描述了方法、装置和相关方面，但是在不背离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改、变化、省略和替换。应该注意到，上文提到的实施例说明而非限制本文描述的内容，并且在不背离所附的权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多可替换的实施方案。例如，来自一个实施例的特征或框可以与另一个实施例的特征/框组合，或被其替换。
词语“包括(comprising)”不排除权利要求中列出的那些元素之外的元素的存在，“一(a)”或“一(an)”不排除复数，并且单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中叙述的若干个单元的功能。
任何从属权利要求的特征可以与独立权利要求或其他从属权利要求中的任一项的特征组合。

Claims (13)

1.一种方法，包括：
获取表示待打印的三维物体的数据，所述数据包括表示所述三维物体的子体积；
识别所述待打印的三维物体的特征；
基于所识别的特征，针对用于打印所述三维物体的个体子体积设置与针对邻近的子体积不同的属性数据，其中所识别的特征是所述属性数据的函数，并且所述属性数据包括材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据，
其中识别所述三维物体的特征包括识别所述三维物体的部分体积的特征；并且
其中基于所识别的特征针对个体子体积设置属性数据包括针对所述部分体积中的个体子体积设置属性数据；以及
所述方法进一步包括：将所述属性数据编码为
Figure FDF0000010428190000011
形式的元组，该元组描述针对所述部分体积中的个体子体积的所述结构属性数据
Figure FDF0000010428190000012
所述材料属性数据
Figure FDF0000010428190000014
和所述打印属性数据
Figure FDF0000010428190000013
其中编码后的属性数据要在打印所述三维物体中使用。
2.根据权利要求1所述的方法，包括针对个体子体积将材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据存储为三维物体特征的函数。
3.根据权利要求1所述的方法，包括使用针对个体子体积设置的所述属性数据打印所述三维物体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，表示所述三维物体的所述子体积包括表示所述三维物体的表面的表面子体积，以及表示所述三维物体的内部的内部子体积。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，针对个体子体积设置属性数据包括针对表面子体积和针对内部子体积设置不同的属性数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，针对个体子体积设置属性数据包括针对一个部分体积中的个体子体积设置与另一个部分体积中的个体子体积不同的属性数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料属性数据包括指示材料数量、材料重量、材料密度、材料分布和/或材料组合的数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构属性数据包括指示结构尺寸和/或结构形状的数据。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述打印属性数据包括指示打印方法、打印技术和/或设置不同的材料属性数据和/或结构属性数据的指令的数据。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待打印的三维物体的所识别的特征包括所述待打印的三维物体的弹性、重量、不透明度、延展性、柔性和/或传导性。
11.一种装置，包括：
获取模块，以获取表示待打印的三维物体的数据，所述数据包括表示所述三维物体的子体积；
识别模块，以识别所述待打印的三维物体的特征；以及
处理器，以基于所识别的特征，针对用于打印所述三维物体的个体子体积设置与针对邻近的子体积不同的属性数据，其中所识别的特征是所述属性数据的函数，并且所述属性数据包括材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据，
其中所述识别模块进一步用于识别所述三维物体的部分体积的特征；并且
其中所述处理器进一步用于针对所述部分体积中的个体子体积设置属性数据，
所述处理器进一步将所述属性数据编码为
Figure FDF0000010428190000021
形式的元组，该元组描述针对所述部分体积中的个体子体积的所述结构属性数据
Figure FDF0000010428190000022
所述材料属性数据
Figure FDF0000010428190000023
和所述打印属性数据
Figure FDF0000010428190000024
其中编码后的属性数据要在打印所述三维物体中使用。
12.根据权利要求11所述的装置，包括：
存储器，以针对个体子体积将材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据存储为三维物体特征的函数。
13.一种用可由处理器执行的指令编码的非暂时性机器可读存储介质，所述机器可读存储介质包括：
获取表示待打印的三维物体的数据的指令，所述数据包括构成所述三维物体的子体积；
获取所述待打印的三维物体的特征的指令；以及
基于所获取的特征，针对用于打印所述三维物体的个体子体积设置与针对邻近的子体积不同的属性数据的指令，其中所获取的特征是所述属性数据的函数，并且所述属性数据包括材料属性数据、结构属性数据和打印属性数据，
其中所述三维物体的特征包括所述三维物体的部分体积的特征；并且
其中针对个体子体积设置属性数据包括针对所述部分体积中的个体子体积设置属性数据，
所述机器可读存储介质进一步包括将所述属性数据编码为
Figure FDF0000010428190000025
形式的元组的指令，该元组描述针对所述部分体积中的个体子体积的所述结构属性数据
Figure FDF0000010428190000026
所述材料属性数据
Figure FDF0000010428190000028
和所述打印属性数据
Figure FDF0000010428190000027
其中编码后的属性数据要在打印所述三维物体中使用。
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