CN107471651B - 支撑结构、支撑结构的打印方法以及打印系统 - Google Patents

支撑结构、支撑结构的打印方法以及打印系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及三维成型技术领域，尤其涉及一种支撑结构、打印方法以及打印系统。支撑结构包括使用第一材料打印的实体部分和使用第二材料打印的非实体部分，所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，和/或所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。本申请支撑结构不同部位的强度存在差异，从而能有效防止支撑结构进行固化过程中或之后受到应力的作用时的应力集中现象导致的支撑结构开裂的不利影响。

Description

支撑结构、支撑结构的打印方法以及打印系统
技术领域
本申请涉及三维成型技术领域，尤其涉及一种支撑结构、支撑结构的打印方法以及打印系统。
背景技术
快速成型技术又称快速原型制造技术或加式制造技术，其基本原理都是基于3D模型切片形成多个切片层，然后经过数据处理最终采用逐层(即逐个切片层)加工堆积的方式制作3D物体。
在使用喷墨打印技术逐层打印3D物体的过程中，存在后一层架空前一层的现象，为了将3D物体准确的打印出来，在打印过程中需要提供支撑结构，为对应的层提供支撑。现有技术中普遍使用的打印支撑结构的方法为，根据支撑结构数据使用相同的支撑材料进行逐层打印，然而由于支撑结构一方面需要具有足够的硬度能够支撑起需要支撑的目标物体部分，另一方面支撑结构又需要具有柔软性使其能从打印好的目标物体上能够易于移除，以致很难选择合适的支撑材料来进行支撑结构的打印。
为了解决支撑材料选材难的问题，一些研究者将目光集中在了支撑结构本身的结构设计上，如中国专利CN104275798A和美国专利US7364686B2中公布的在支撑结构部分通过使用实体材料构造格栅或骨架或柱子置入支撑材料内，为支撑结构提供额外的强度，然而在支撑结构进行固化过程中或之后受到应力的作用时，存在应力集中现象，由此导致支撑结构易于开裂。
发明内容
本申请提供了一种支撑结构、支撑结构的打印方法以及打印系统，能够解决上述问题。
本申请的第一方面提供了一种支撑结构，包括使用第一材料打印的实体部分和使用第二材料打印的非实体部分，所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；
所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。
优选地，所述实体部分包括多个平行于所述打印平面的网格层，所述网格层具有所述网格结构；所述实体部分还包括多个柱子，各所述柱子至少贯穿相邻的两层所述网格层，且所述柱子与所述网格层围成的空间内及空间外填充有所述非实体部分。
优选地，各所述网格层将所述柱子分割为多个子段，各所述子段的两端分别连接于位于相邻网格层的网格单元的顶点处。
优选地，所述柱子在所述打印平面内的柱子密度存在变化；
和/或
所述柱子的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。
优选地，在所述打印平面内所述网格密度与所述柱子密度均存在变化，且二者的变化趋势一致；
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积和所述柱子的横截面的面积，在垂直于所述打印平面的方向上均存在变化，且所述连接边的横截面的面积的变化趋势由所述柱子的横截面的面积的变化趋势决定。
优选地，所述柱子的横截面的面积的变化通过所述柱子的第一尺寸至少沿第一方向的变化，以及第二尺寸至少沿第二方向的变化实现；所述第一尺寸指所述柱子在所述第一方向的尺寸，所述第二尺寸指所述柱子在所述第二方向的尺寸，其中，所述第一方向与所述第二方向分别指所述打印平面内相邻且相互垂直的两个方向。
优选地，所述柱子的横截面的面积的变化通过所述第一尺寸同时沿所述第一方向和所述第一方向的反方向的变化，以及所述第二尺寸同时沿所述第二方向和所述第二方向的反方向的变化实现。
优选地，所述柱子密度沿所述打印平面内的一个方向的变化趋势为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。
优选地，所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向的变化趋势为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。
本申请的第二方面提供了一种支撑结构的打印方法，用于打印如上任一项所述的支撑结构，所述打印方法包括：
步骤S1：在同一切片层中，根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分；
步骤S2：重复所述步骤S1，打印多个所述层实体部分和多个所述层非实体部分，多个所述层实体部分形成支撑结构的实体部分，多个所述层非实体部分形成所述支撑结构的非实体部分；
其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；
所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。
优选地，所述实体部分包括多个平行于所述打印平面的网格层，所述网格层具有所述网格结构；所述实体部分还包括多个柱子，各所述柱子至少贯穿相邻的两层所述网格层；所述柱子与所述网格层围成的空间内及空间外填充有所述非实体部分。
优选地，所述步骤S1之前还包括：
步骤S0：将支撑结构区域数据转换成所述支撑结构层打印数据。
优选地，所述支撑结构层打印数据包括用于打印所述层实体部分的层实体数据，和用于打印所述层非实体部分的层非实体数据；所述根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分具体为：
根据所述层实体数据使用所述第一材料打印形成所述层实体部分；根据所述层非实体数据使用所述第二材料打印形成所述层非实体部分。
本申请的第三方面提供了一种打印系统，用于打印如上任一项所述的支撑结构，所述打印系统包括：
打印头，用于在同一切片层中，根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分，以及用于打印多个所述层实体部分和多个所述层非实体部分，使多个所述层实体部分形成支撑结构的实体部分，多个所述层非实体部分形成所述支撑结构的非实体部分；
其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；
所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化；
控制器，用于控制所述打印头执行打印操作；所述打印头与所述控制器连接。
优选地，所述实体部分包括多个平行于所述打印平面的网格层，所述网格层具有所述网格结构；所述实体部分还包括多个柱子，各所述柱子至少贯穿相邻的两层所述网格层；所述柱子与所述网格层围成的空间内及空间外填充有所述非实体部分。
优选地，还包括数据处理器，用于将支撑结构区域数据转换成所述支撑结构层打印数据，所述数据处理器与所述控制器连接。
优选地，所述支撑结构层打印数据包括用于打印所述层实体部分的层实体数据，和用于打印所述层非实体部分的层非实体数据。
本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本申请所提供的支撑结构，通过在实体部分设置网格结构，在网格单元内及网格单元外填充非实体材料，且网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向存在变化，通过网格密度的变化，以及连接边的横截面的面积的变化，使得支撑结构不同部位的强度存在差异，通常网格密度越大，连接边的横截面的面积越大，支撑结构中该部分的强度越高，从而能有效防止支撑结构进行固化过程中或之后受到应力的作用时的应力集中现象而导致支撑结构开裂的不利影响；同时由于支撑结构中除网格结构以外的部分使用硬度较小的非实体部分，还便于支撑结构的分离。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
图1为本申请所提供的支撑结构第一实施例的某一切片层的结构示意图；
图2为本申请所提供的支撑结构第一实施例中连接边在Z方向的结构示意图；
图3a-3d为图2中几条连接边的切面图；
图4a-4b为本申请所提供的支撑结构第二实施例的某一相邻切片层的结构示意图；
图5为本申请所提供的支撑结构第二实施例的某一柱子的一种结构的示意图；
图6a-6c为图5所示的柱子中几个部分的横截面的结构图；
图7为本申请所提供的支撑结构第二实施例的某一柱子的另一种结构的示意图；
图8a-8c为图7所示的柱子中几个部分的横截面的结构图；
图9为本申请所提供的打印方法的流程图；
图10为本申请所提供的打印系统的系统图。
附图标记：
10、20-网格结构；
11、21、28-非实体部分；
12-第一连接边；
13-第二连接边；
14-第三连接边；
15-第四连接边；
16-第八连接边；
17-第七连接边；
18-第六连接边；
19-第五连接边；
22-第一部分；
23-第二部分；
24-第三部分；
25-第四部分；
26-第五部分；
27-柱子；
32-第十部分；
33-第九部分；
34-第八部分；
35-第七部分；
36-第六部分；
A1-第一区域；
A2-第二区域；
B1-第四区域；
B2-第五区域；
B3-第六区域；
B4-第七区域；
B5-第八区域；
B6-第九区域；
51-数据处理器；
52-控制器；
53-材料存储器；
54-打印头；
55-校平装置；
56-辐射装置；
57-导轨；
58-支撑平台；
59-升降结构。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述，其中，在空间形成X-Y-Z三维坐标系，X-Y平面为打印平面，打印平面指打印头打印一个切片层时所扫过的区域，X方向为打印方向，Y方向垂直于X方向，Z方向为由笛卡尔坐标系形成的第三个方向。
本申请实施例提供了一种支撑结构，可用于使用喷墨打印技术逐层打印3D物体，打印3D物体的过程中，需要提供支撑结构，以为实体结构中的对应层提供支撑。
第一实施例
如图1-3d所示，支撑结构包括使用第一材料打印的实体部分和使用第二材料打印的非实体部分11，实体部分包括网格结构10，网格结构10的每一个网格单元内及网格单元外均填充有非实体部分11，即网格结构10包括多个网格单元，一般地，每个网格单元由首尾相接的几条连接边形成，如图1中每个网格单元由首尾相接的四条连接边形成，其中两条相对的连接边平行于X方向，另两条连接边平行于Y方向，每一个网格单元外部(图1中未示出)，以及每一个网格单元的内部均填充有非实体部分11，其中，第一材料的硬度较第二材料的硬度大。
具体地，网格结构10可以在打印平面内呈网格状，也可以在X-Z平面或者Y-Z平面上也呈网格状，当然，也可以在支撑结构的其它截面上呈网格状。不论哪种方式，网格结构10的网格密度在打印平面(即X-Y平面)内均存在变化，且网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向(即Z方向)也存在变化，当然，也可以仅网格密度在打印平面内存在变化，或者仅连接边的横截面的面积沿垂直于打印平面的方向存在变化。
通过在实体部分设置网格结构10，在网格单元外及网格单元内部填充非实体材料，且网格结构10的网格密度在打印平面内存在变化，网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向存在变化，通过网格密度的变化，以及连接边的横截面的面积的变化，使得支撑结构不同部位的强度存在差异，通常网格密度越大，连接边的横截面的面积越大，支撑结构该部分的强度越高，从而能有效防止支撑结构进行固化过程中或之后受到应力的作用时的应力集中现象而导致支撑结构开裂的不利影响；同时由于支撑结构中除网格结构以外的部分使用硬度较小的非实体部分，还便于支撑结构的分离。
需要说明的是，上述网格密度沿密度方向的变化可以为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大，其中，密度方向可以为X方向、Y方向、与X方向呈任意夹角的方向，或者为打印平面内的一条曲线形成的方向。当然，网格密度在打印平面内的变化也可以是无规则的。通常，在支撑结构易开裂的区域，较其它区域的网格密度较大。
例如图1所示，为支撑结构其中某一切片层在X-Y平面的部分的平面结构示意图，网格结构10包括第一区域A1和第二区域A2，第一区域A1与第二区域A2的网格密度不相等，显然，第一区域A1的网格密度小于第二区域A2的网格密度，沿X方向，第一区域A1与第二区域A2的网格密度的变化方式为增大。
网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向的变化趋势为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。通常，实体部分包括多个平行于打印平面的网格层，各网格层具有上述网格结构10，此时各网格层的变化可以是逐层变化，即可以每相邻两层的网格层的网格单元的连接边的横截面的面积都不相同；也可以各网格层的变化非逐层变化，或者无规则的变化，如每间隔一层网格层的网格单元的连接边的横截面的面积才变化，或者各网格层的网格单元的连接边的横截面的面积按照先间隔一层网格层，然后间隔两层网格层的方式发生变化。连接边的上述各种变化可以通过连接边的第三尺寸沿着第三方向变化实现，或者通过第三尺寸同时沿第三方向和第三方向的反方向的变化实现。其中，第三方向指连接边在打印平面内的一个方向，第三尺寸为连接边在第三方向上的尺寸。
例如图2所示，为支撑结构在Z方向的部分切面的立体图，沿Z方向相邻的四条连接边分别为第一连接边12、第二连接边13、第三连接边14、第四连接边15，四条连接边分别为支撑结构在Z方向的不同位置处实体材料打印的不同连接边，可以理解为第一连接边12、第二连接边13、第三连接边14、第四连接边15分别位于四个网格层，可以定义上述各连接边的第三尺寸为沿X方向的尺寸，显然，如图2中的上述各连接边的第三尺寸沿着Z方向减小，其减小的方式为通过连接边的第三尺寸在X方向以及X方向的反方向同时减小实现的。在各层网格层中，一个网格单元中相邻的两条连接边的第三尺寸变化，可以相同，也可以不同，如图3a-3d所示，与第一连接边12相邻的第五连接边19、与第二连接边13相邻的第六连接边18、与第三连接边14相邻的第七连接边17、以及与第四连接边15相邻的第八连接边16的第三尺寸的变化与各自相邻的连接边的变化相同，仅对于第五连接边19、第六连接边18、第七连接边17以及第八连接边16而言，第三方向均为图中所示的Y方向。具体地，如图3a所示，第四连接边15、第八连接边16的第三尺寸均为一个像素的尺寸。如图3b所示，第三连接边14在第四连接边15的基础上，朝X方向与X方向的反方向分别增加了一个像素，使第三连接边14的第三尺寸是第四连接边15的第三尺寸的三倍；第七连接边17的第三尺寸在第八连接边16的基础上，朝Y方向以及Y方向的反方向分别增加了一个像素，使第七连接边17的第三尺寸是第八连接边16的第三尺寸的三倍。如图3c所示，第二连接边13在第三连接边14的基础上，朝X方向与X方向的反方向分别增加了一个像素，使第二连接边13的第三尺寸是第四连接边15的第三尺寸的五倍；第六连接边18的第三尺寸在第七连接边17的基础上，朝Y方向以及Y方向的反方向分别增加了一个像素，使第六连接边18的第三尺寸是第八连接边16的第三尺寸的五倍。如图3d所示，第一连接边12在第二连接边13的基础上，朝X方向与X方向的反方向分别增加了一个像素，使第一连接边12的第三尺寸是第四连接边15的七倍；第五连接边19的第三尺寸在第六连接边18的基础上，朝Y方向以及Y方向的反方向分别增加了一个像素，使第五连接边19的第三尺寸是第八连接边16的第三尺寸的七倍。其中，上述图2-图3d中，图中每一个方格代表一个像素。且本申请中将一层网格层对应的Z方向的位置认为是一个位置，不同层的网格层对应Z方向的不同位置。当然，各网格层内的各连接边的横截面的面积根据实际需要来确定，可以是一个像素，或多个像素，具体根据实际需求来定，第一实施例只是其中的一种情况。
需要说明的是，网格密度的变化与连接边的横截面的面积的变化是独立的，通过上述各种方式的变化的组合，能够更好地适应支撑结构的具体结构，使支撑结构既具有足够的支撑力，又易于与实体结构分离。
第二实施例
上述第一实施例中的实体部分包括多个平行于打印平面的网格层，网格层具有网格结构，其中，第二实施例与第一实施例不同的是，如图4a-6c所示，实体部分还可以包括多个柱子27，各柱子27至少贯穿相邻的两层网格层，且柱子27与网格层围成的空间内及空间外填充有非实体部分28，即支撑结构中，除网格结构20、柱子27的其余部分均填充有非实体部分28。通过在实体部分增加柱子27，能够进一步提高支撑结构的强度，保证支撑结构的支撑强度。其中，柱子27可以沿垂直于打印平面的方向设置，也可以与打印平面呈一非零夹角设置。
具体地，相邻两根柱子27之间的网格层可以为单层网格层，也可以为多层网格层。各柱子27可以穿设于不同层的网格单元的连接边，或者由不同层的网格单元内穿出。可选地，各网格层将柱子27分割为多个子段，各子段的两端分别连接于位于相邻网格层的网格单元的顶点(顶点指网格单元的相邻的两条连接边的相交点)处，尤其在柱子27沿垂直于打印平面的方向设置时(即柱子27沿Z方向延伸)，能够与网格结构组合，增加网格结构的强度，进一步提高支撑结构的强度。可以理解地，各子段的横截面的面积可以相等也可以不等，其中，横截面指垂直于柱子27的延伸方向的截面。
进一步地，柱子27在打印平面内的柱子密度可以一致，也可以存在变化，如沿着X方向和/或者Y方向柱子密度存在变化，或者也可以沿着与X方向呈任意夹角的方向存在变化，也可以柱子密度沿着X-Y平面内的曲线形成的方向存在变化。具体地，柱子密度沿打印平面内的一个方向的变化趋势可以为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。
柱子27的横截面的面积可以相等，也可以沿垂直于打印平面的方向存在变化，柱子27的横截面的面积的变化可以逐层变化，也可以间隔多层变化，或者在相邻的两个网格层之间的部分也可以存在变化。具体地，柱子27的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向的变化趋势可以为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。
可选地，柱子27在打印平面内的柱子密度存在变化；且柱子27的横截面的面积沿垂直于打印平面的方向存在变化，如在易开裂的位置设置的柱子密度较大，横截面的面积较大，能够更好地防止支撑结构的开裂。当然，也可以仅柱子密度在打印平面内存在变化，或者仅柱子的横截面的面积沿垂直于打印平面的方向存在变化。其中，柱子密度的变化与柱子27的横截面的面积的变化是相互独立的。
在打印平面内网格密度、柱子密度均存在变化时，可以在打印平面内网格密度、柱子密度的变化趋势一致。如图4a、4b分别示出了一种3D物体的支撑结构在其网格结构处某一切片层在X-Y平面的部分平面结构示意图，和与之相邻的柱子27处某一切片层在X-Y平面的部分平面结构示意图，在图4a中，网格结构20的各网格单元内以及网格单元外(图4a中未示出)填充有非实体部分21，该切片层沿X方向包括第四区域B1、第五区域B2和第六区域B3，第四区域B1、第五区域B2和第六区与B3的网格密度沿X方向先增大后减小，即第五区域B2较第四区域B1的网格密度大，第六区域B3较第五区域B2的网格密度小；在图4b中各柱子27与网格结构围成的空间内填充有非实体部分28，该切片层沿X方向包括第七区域B4、第八区域B5、第九区域B6，柱子27在这三个区域内的柱子密度不一致，沿X方向先增大后减小，即第八区域B5较第七区域B4的柱子密度大，第九区域B6较第八区域B5的柱子密度小。显然，图4a中切片层的网格密度的变化趋势与图4b中切片层的柱子密度的变化趋势一致。
在网格单元的连接边的横截面的面积和柱子27的横截面的面积，在垂直于打印平面的方向上均存在变化时，连接边的横截面的面积的变化趋势由柱子27的横截面的面积的变化趋势决定，尤其在各子段的两端分别连接于位于相邻的网格层的网格单元的顶点处时，柱子27在某网格单元处的横截面的面积较大时，该网格单元的连接边的横截面的面积也较大，可选地，该处的网格单元的连接边的横截面的面积与柱子27在该处的横截面的面积相等，以增加柱子27与网格结构20的连接强度。
上述柱子27的横截面的面积变化可以仅通过第一尺寸沿第一方向的变化实现，或者仅通过第二尺寸沿第二方向的变化实现；也可以仅通过第一尺寸沿第一方向以及第一方向的反方向的变化实现，或者仅通过第二尺寸沿第二方向以及第二方向的反方向实现。可选地，柱子27的横截面的面积的变化通过柱子27的第一尺寸至少沿第一方向的变化，以及第二尺寸至少沿第二方向的变化实现，具体包括如下几种方式：
第一种方式，柱子27的横截面的面积变化可以通过柱子27的第一尺寸仅沿第一方向变化，以及第二尺寸仅沿第二方向变化实现，如图5所示为一根柱子沿垂直于打印平面的方向(即Z方向)的结构图，根据其在Z方向的不同位置分为五个部分，分别为第一部分22、第二部分23、第三部分24、第四部分25、第五部分26，这五个部分的横截面的面积沿Z方向的变化趋势是先增大后减小，这五部分可以理解为由多层网格层分割成的多个子段。图6a-6c示出了其中几个部分的横截面的结构图，可以理解地，图中的每一个方格可以看作是一个像素，则第五部分26的横截面为一个像素，其第一尺寸和第二尺寸均为一个像素的尺寸，如图6a所示；第四部分25在第五部分26的基础上，朝X方向、Y方向均增加一个像素，使第四部分25的第一尺寸和第二尺寸均为两个像素的尺寸，第四部分25的横截面为四个像素，第四部分25的横截面的面积是第五部分26的横截面的面积的四倍；如图6c所示，第三部分24在第五部分25的基础上，朝X方向、Y方向均增加一个像素，使第三部分24的第一尺寸和第二尺寸均为三个像素的尺寸，第三部分24的横截面为九个像素，第三部分24的横截面的面积是第五部分26的横截面的面积的九倍；随后，第二部分23在第三部分24的基础上，朝X方向、Y方向均减少一个像素，使第二部分23的第一尺寸和第二尺寸均为两个像素的尺寸，第二部分23为四个像素，与第四部分25的横截面的面积相等；第一部分22在第二部分23的基础上，朝X方向、Y方向均减少一个像素，第一部分22的第一尺寸、第二尺寸均为一个像素的尺寸，与第五部分26的横截面的面积相等；显然，图5示出的柱子27各部分沿Z方向的横截面的变化为：一个像素-四个像素-九个像素-四个像素-一个像素。
第二种方式，柱子27的变化也可以通过第一尺寸同时沿第一方向和第一方向的反方向的变化，以及第二尺寸同时沿第二方向和第二方向的反方向的变化实现。如图7-8c所示，图7示出了一根柱子沿垂直于打印平面的方向(即Z方向)的结构图，根据其在Z方向的不同位置分为五个部分，分别为第六部分36、第七部分35、第八部分34、第九部分33、第十部分32，这五个部分的横截面的面积沿Z方向的变化趋势是先增大后减小，这五部分可以理解为由多层网格层分割成的多个子段。如图8a-8c所示，为其中几个部分的横截面的结构示意图，可以理解地，图中的每一个方格可以看作是一个像素，则第六部分36的横截面为一个像素，如图8a所示，第六部分36的第一尺寸和第二尺寸均为一个像素的尺寸；如图8b所示，第七部分35以第六部分36为中心，朝X方向、X方向的反方向、Y方向、Y方向的反方向均增加一个像素，使第七部分35的第一尺寸和第二尺寸均为三个像素的尺寸，第七部分35的横截面为九个像素，第七部分35的横截面的面积是第六部分36的横截面的面积的九倍；如图8c所示，第八部分34以第七部分35为中心，朝X方向、X方向的反方向、Y方向、Y方向的反方向均增加一个像素，使第八部分34的第一尺寸和第二尺寸均为五个像素的尺寸，第八部分34的横截面为二十五个像素，第八部分34的横截面的面积是第六部分36的横截面的面积二十五倍；随后，第九部分33在第八部分34的基础上，朝X方向、X方向的反方向、Y方向、Y方向的反方向均减少一个像素，使第九部分33的第一尺寸和第二尺寸均为三个像素的尺寸，第九部分33为九个像素，与第七部分35的横截面的面积相等；第十部分32在第九部分33的基础上，朝X方向、X方向的反方向、Y方向、Y方向的反方向均减少一个像素，第十部分22的第一尺寸、第二尺寸均为一个像素的尺寸，与第六部分36的横截面的面积相等。
需要说明的是，上述第一尺寸指柱子27在第一方向的尺寸，第二尺寸指柱子27在第二方向的尺寸，其中，第一方向与第二方向分别指打印平面内相邻且相互垂直的两个方向，如图5-6c中，第一方向指X方向，第二方向指Y方向。其中，第三实施例中仅给出了一个方格代表一个像素的实施例，一个方格也可以代表多个像素，如两个、三个或者更多个，具体根据实际需求来定。
本申请还提供一种支撑结构的打印方法，用于打印如上述所述的支撑结构，如图9所示，打印方法包括：
步骤S1：在同一切片层中，根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分；
步骤S2：重复步骤S1，打印多个层实体部分和多个层非实体部分，多个层实体部分形成支撑结构的实体部分，多个层非实体部分形成支撑结构的非实体部分；
其中，第一材料的硬度较第二材料的硬度大；实体部分包括网格结构，网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有非实体部分；
网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，和/或
网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向存在变化，上述网格密度以及网格单元的连接边的横截面的变化均如上述支撑结构的描述。
具体地，采用上述方法打印的支撑结构的实体部分包括多个平行于打印平面的网格层，网格层具有网格结构；实体部分还包括多个柱子，各柱子至少贯穿相邻的两层网格层；柱子与网格层围成的空间内及空间外填充有非实体部分，柱子与网格的具体结构在此不再赘述，具体参见第一实施例与第二实施例。
其中，上述步骤S1之前还包括：
步骤S0：将支撑结构区域数据转换成支撑结构层打印数据，即在3D结构形成的打印模型中，将支撑结构区域数据通过转换，形成支撑结构层打印数据，以备逐层打印的需要。
具体地，在打印支撑结构时，支撑结构层打印数据包括用于打印层实体部分的层实体数据，和用于打印层非实体部分的层非实体数据；上述根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分具体为：
根据层实体数据使用第一材料打印形成层实体部分；根据层非实体数据使用第二材料打印形成层非实体部分。
上述步骤，分别采用不同的数据打印形成层实体部分与层非实体部分，能够提高打印的过程中的数据处理速度。
层实体数据可以包括层网格实体数据和层柱子实体数据；层非实体数据包括层网格非实体数据和层柱子非实体数据，根据层实体数据使用第一材料打印形成层实体部分，根据层非实体数据使用第二材料打印形成层非实体部分，通过以下方式执行：在同一切片层中，根据层网格实体数据使用第一材料打印形成网格结构；根据层柱子实体数据使用第一材料打印形成柱子；根据层网格非实体数据使用第二材料打印形成网格层的网格单元内与网格单元外的非实体部分；根据层柱子非实体数据使用第一材料打印形成柱子与网格层围成的空间内以及空间外的非实体部分。以打印上述第二实施例为例，在支撑结构的切片层中，可以存在部分切片层，在同一切片层上仅包括打印网格结构的层网格实体数据和打印分散在网格单元内及网格单元外的层网格非实体数据；也可以在支撑结构的切片层中存在部分切片层在同一切片层上仅包括打印柱子的层柱子实体数据，和打印分散在柱子与网格层围成的空间内以及空间外的层柱子非实体数据。
另外，本申请还提供一种打印系统，用于打印如上任一实施例所述的支撑结构，如图10所示，打印系统包括：
打印头54，用于在同一切片层中，根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分，以及用于打印多个层实体部分和多个层非实体部分，使多个层实体部分形成支撑结构的实体部分，多个层非实体部分形成支撑结构的非实体部分；
其中，第一材料的硬度较第二材料的硬度大；实体部分包括网格结构，网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有非实体部分；网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，和/或述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于打印平面的方向存在变化。
控制器52，用于控制打印头54执行打印操作；打印头54与控制器52连接。
进一步地，如上支撑结构所述，实体部分包括多个平行于打印平面的网格层，网格层具有网格结构；实体部分还包括多个柱子，各柱子至少贯穿相邻的两层网格层；柱子与网格层围成的空间内及空间外填充有非实体部分。
同时，打印系统还包括固化装置，固化装置用于固化层实体部分和层非实体部分。通常，固化装置安装于打印头54的两侧，可以与控制器52连接，由控制器52控制其工作。
固化装置可以为辐射装置56，如LED灯；或者为温控装置(图中未示出)，如风扇等，也可以同时设置辐射装置56与温控装置。其中，辐射装置56与温控装置可以各自设有一个或者多个，在设有多个时，各辐射装置56、温控装置可以同时工作或者交替工作。
打印系统还包括材料存储器53，用于存贮第一材料和第二材料，材料存储器53与打印头54、控制器52分别连接，材料存储器53的个数根据实际需求的材料种类或打印需求来确定。
为了便于支撑结构层打印数据的处理，打印系统还包括数据处理器51，用于将支撑结构区域数据转换成支撑结构层打印数据，数据处理器51与控制器52连接。同时，数据处理器51还用于在3D物体切片过程中获取支撑结构区域数据，其中，支撑结构层打印数据包括用于打印层实体部分的层实体数据，和用于打印层非实体部分的层非实体数据。且数据处理器51与控制器52连接，以便于控制器52根据数据处理器51提供的层实体数据和层非实体数据控制打印头54进行打印操作。
在3D物体打印过程中由于打印头54本身性能的影响或周围环境的波动等因素，可能造成打印的切片层表面不平整，影响成型的精度，因此，本申请的打印系统还包括校平装置55，具体可以是校平棍，可以设有一个、两个或者更多个，在设有两个时，分别位于打印头54的两侧，具体安装的个数根据实际需求来确定，使用校平装置55实现对打印的切片层进行校平，从而提高打印精度。
进一步地，打印系统还包括导轨57、支撑平台58以及升降机构59。打印头54、辐射装置56或温控设备以及校平装置55均滑动安装于导轨57上，以使各装置能够同步移动。支撑平台58用于承接打印的目标物体，升降机构59用于在每打印完一个或多个切片层后下降指定高度，以便进行下一层或多层的打印，支撑平台58与升降机构59连接，升降机构59与控制器52连接，以便控制器52对其进行控制。
以打印本申请第一实施例中的支撑结构为例，材料存储器53设置有两个，分别是第一材料存储器和第二材料存储器，控制器52根据数据处理器51处理的支撑结构层打印数据控制打印头54使用第一材料打印网格结构，以及使用第二材料打印非实体部分，非实体部分分散在网格结构的周围；在支撑结构的多个切片层中，在X-Y平面上网格密度存在变化，在Z方向网格结构的连接边的横截面存在变化，且网格在X-Y平面上的网格密度的变化与连接边在Z方向上的横截面的变化相互独立；具体变化情况和实施例一中一致，在此不再赘述。
以打印本申请第二实施例的支撑结构为例，材料存储器53设置有两个，分别是第一材料存储器和第二材料存储器，控制器52根据数据处理器51处理的支撑结构层打印数据控制打印头54执行打印操作，其中在部分支撑结构层中打印头54使用第一材料打印网格结构，使用第二材料打印分散在网格结构周围的非实体部分；在另外部分支撑结构层中打印头54使用第一材料打印柱子，使用第二材料打印分散在柱子周围的非实体部分。在支撑结构的部分切片层中在X-Y平面上的柱子密度存在变化，柱子的横截面在Z方向上存在变化；在支撑结构的部分切片层中在X-Y平面上网格密度存在变化，在Z方向网格结构的连接边存在变化，且柱子在X-Y平面上的密度变化与柱子的横截面在Z方向的变化相互独立，网格结构的连接边的横截面在Z方向上的变化由柱子的横截面在Z方向上的变化决定，具体变化情况和第二实施例中一致，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种支撑结构，其特征在于，包括使用第一材料打印的实体部分和使用第二材料打印的非实体部分，所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；
所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。
2.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述实体部分包括多个平行于所述打印平面的网格层，所述网格层具有所述网格结构；所述实体部分还包括多个柱子，各所述柱子至少贯穿相邻的两层所述网格层，且所述柱子与所述网格层围成的空间内及空间外填充有所述非实体部分。
3.根据权利要求2所述的支撑结构，其特征在于，各所述网格层将所述柱子分割为多个子段，各所述子段的两端分别连接于位于相邻网格层的网格单元的顶点处。
4.根据权利要求3所述的支撑结构，其特征在于，所述柱子在所述打印平面内的柱子密度存在变化；
和/或
所述柱子的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。
5.根据权利要求4所述的支撑结构，其特征在于，在所述打印平面内所述网格密度与所述柱子密度均存在变化，且二者的变化趋势一致；
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积和所述柱子的横截面的面积，在垂直于所述打印平面的方向上均存在变化，且所述连接边的横截面的面积的变化趋势由所述柱子的横截面的面积的变化趋势决定。
6.根据权利要求4所述的支撑结构，其特征在于，所述柱子的横截面的面积的变化通过所述柱子的第一尺寸至少沿第一方向的变化，以及第二尺寸至少沿第二方向的变化实现；所述第一尺寸指所述柱子在所述第一方向的尺寸，所述第二尺寸指所述柱子在所述第二方向的尺寸，其中，所述第一方向与所述第二方向分别指所述打印平面内相邻且相互垂直的两个方向。
7.根据权利要求6所述的支撑结构，其特征在于，所述柱子的横截面的面积的变化通过所述第一尺寸同时沿所述第一方向和所述第一方向的反方向的变化，以及所述第二尺寸同时沿所述第二方向和所述第二方向的反方向的变化实现。
8.根据权利要求4所述的支撑结构，其特征在于，所述柱子密度沿所述打印平面内的一个方向的变化趋势为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。
9.根据权利要求1-8任一项所述的支撑结构，其特征在于，所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向的变化趋势为下述方式中的一种或者多种的组合：先减小再增大然后再减小、先增大再减小然后再增大、先增大再减小、先减小再增大。
10.一种支撑结构的打印方法，用于打印如权利要求1-9任一项所述的支撑结构，其特征在于，所述打印方法包括：
步骤S1：在同一切片层中，根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分；
步骤S2：重复所述步骤S1，打印多个所述层实体部分和多个所述层非实体部分，多个所述层实体部分形成支撑结构的实体部分，多个所述层非实体部分形成所述支撑结构的非实体部分；
其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；
所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化。
11.根据权利要求10所述的打印方法，其特征在于，所述实体部分包括多个平行于所述打印平面的网格层，所述网格层具有所述网格结构；所述实体部分还包括多个柱子，各所述柱子至少贯穿相邻的两层所述网格层；所述柱子与所述网格层围成的空间内及空间外填充有所述非实体部分。
12.根据权利要求10或者11所述的打印方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：
步骤S0：将支撑结构区域数据转换成所述支撑结构层打印数据。
13.根据权利要求12所述的打印方法，其特征在于，所述支撑结构层打印数据包括用于打印所述层实体部分的层实体数据，和用于打印所述层非实体部分的层非实体数据；所述根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分具体为：
根据所述层实体数据使用所述第一材料打印形成所述层实体部分；根据所述层非实体数据使用所述第二材料打印形成所述层非实体部分。
14.一种打印系统，用于打印如权利要求1-9任一项所述的支撑结构，其特征在于，所述打印系统包括：
打印头，用于在同一切片层中，根据支撑结构层打印数据，使用第一材料打印形成层实体部分，使用第二材料打印形成层非实体部分，以及用于打印多个所述层实体部分和多个所述层非实体部分，使多个所述层实体部分形成支撑结构的实体部分，多个所述层非实体部分形成所述支撑结构的非实体部分；
其中，所述第一材料的硬度较所述第二材料的硬度大；所述实体部分包括网格结构，所述网格结构的每一个网格单元内及网格单元外均填充有所述非实体部分；
所述网格结构的网格密度在打印平面内存在变化，
和/或
所述网格单元的连接边的横截面的面积，沿垂直于所述打印平面的方向存在变化；
控制器，用于控制所述打印头执行打印操作；所述打印头与所述控制器连接。
15.根据权利要求14所述的打印系统，其特征在于，所述实体部分包括多个平行于所述打印平面的网格层，所述网格层具有所述网格结构；所述实体部分还包括多个柱子，各所述柱子至少贯穿相邻的两层所述网格层；所述柱子与所述网格层围成的空间内及空间外填充有所述非实体部分。
16.根据权利要求14或15所述的打印系统，其特征在于，还包括数据处理器，用于将支撑结构区域数据转换成所述支撑结构层打印数据，所述数据处理器与所述控制器连接。
17.根据权利要求16所述的打印系统，其特征在于，所述支撑结构层打印数据包括用于打印所述层实体部分的层实体数据，和用于打印所述层非实体部分的层非实体数据。
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