CN107530973A - 用于三维对象的处理对象部件数据 - Google Patents
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Abstract
本文所述的某些实施例涉及预处理用于制造三维对象的对象数据。在一种情况下，对象数据表示至少第一和第二对象部分，第一对象部分与第一生产材料成分相关联并且第二对象部分与第二生产材料成分相关联。第一和第二对象部分可设置为使得它们包括连续界面。在某些描述的情况下，通过调整连续界面修改对象数据。所述调整连续界面可包括调整定义第一和第二对象部分的至少一个的数据，使得第一和第二生产材料成分中的至少一种的一部分延伸进入由第二和第一对象部分中的各自一个占据的对象空间。所得修改对象数据可用于制造三维对象。
Description
背景技术
产生三维对象的装置，包括通常称为“3D打印机”的那些已经被推荐为潜在的生产三维对象的方便方式。这些装置通常接收对象模型形式的三维对象的定义。处理该对象模型，以指导装置使用至少一种生产材料生产对象。这些生产材料可包括试剂和粉末状基底、加热的聚合物和/或生产材料的液体溶液的组合。可以以逐层的方式进行对象模型的处理。可期望生产具有至少一种特性，比如颜色、机械和/或结构特性的三维对象。对象模型的处理可基于装置的类型和/或实施的生产技术而改变。
附图说明
本公开的各种特征从下面的详细说明结合附图将是显而易见的，附图作为例子一起阐释了本公开的特征，并且其中：
图1a是根据实施例显示预处理用于制造三维对象的对象数据的装置的示意图；
图1b是根据实施例显示预处理用于制造三维对象的对象数据的装置的示意图；
图2是根据实施例显示用于生产三维对象的装置的示意图；
图3a是根据实施例显示三维对象的横截面的表示的示意图；
图3b是根据实施例显示三维对象的横截面的表示的示意图
图4是根据实施例定义可制造的三维对象的结构的数据的图形输出；
图5是根据实施例显示用于制造三维对象的方法的流程图；
图6a是根据实施例显示用于制造三维对象的方法的流程图；
图6b是根据实施例显示用于制造三维对象的方法的流程图；
图6c是根据实施例显示用于制造三维对象的方法的流程图；
图6d是根据实施例显示用于制造三维对象的方法的流程图；和
图7是根据实施例显示用于制造三维对象的计算设备的示意图。
具体实施方式
在三维对象的生产中，例如在所谓的“3D打印”中，存在的挑战是控制产生的对象的结构。例如，可期望生产具有各种结构特性的对象，其可影响产生的对象的材料特性和/或机械特性，或被产生的对象的材料特性和/或机械特性影响。也期望灵活控制产生的对象的结构。在某些情况下，可期望控制产生的三维对象的不同部分之间的界面，其中不同部分包括不同的材料成分。尤其，可期望控制包含这种界面的对象的粘合特性和/或结构强度，因为在这种界面的每一侧使用的材料成分可具有不同的结构、机械和/或熔融特性。这种不同材料之间陡峭的、连续界面可在制造对象中产生局部结构脆弱的区域，并且可造成对象的总体结构完整性的下降。例如，这可能是对象具有“壳”部分和“核”部分的情况，其中各个部分使用不同的材料成分制造。所以，可期望生产材料成分之间强的、粘合界面。当两个对象部分不是另外机械上兼容时，这可能是有用的。在某些情况下，也可期望控制这种界面的结构特性，而不必重新设计或重新产生对象模型。如可认识到的，二维打印中不存在这种考虑。
本文所述的某些实施例能够预处理用于制造三维对象的对象数据。接收对象数据，其是代表用于制造的三维对象。接收的对象数据表示至少第一和第二对象部件。第一对象部件与第一生产材料成分相关联并且第二对象部件与第二生产材料成分相关联。设置第一和第二对象部件使得它们被连续界面分开。例如，该对象数据可以是待发送用于“3D打印”的模型文件。
在某些描述的实施例中，通过调整第一和第二对象部件之间的连续界面，修改接收的对象数据。调整连续界面可包括调整定义第一和第二对象部件中的至少一个的数据，使得第一和第二生产材料成分中的至少一个的一部分延伸进入由第二和第一对象部件的相应一个占据的对象空间。然后修改的对象数据可用于例如半色调阈值操作，以产生用于制造对象的控制数据。例如，半色调阈值操作的输出可包括用于增材制造系统的沉积或材料形成指令。通过如此调整连续界面，制造的三维对象可包括机械上强的界面，尽管第一和第二生产材料成分具有可能不同的结构特性。当围绕陡峭的连续界面设置时，结构完整性不再依赖于两种材料成分之间的粘合，而是某些描述的实施例产生联锁界面结构，其中界面区域包括各自材料成分的部分封闭的区域。
本文所述的某些实施例使得制造三维对象期间，各种打印材料能够粘合至各种其他打印材料。本文描述的某些实施例使得能够产生在两个不同材料成分之间具有界面的三维对象，同时保持了与其中期望相邻对象部件之间这种材料差异的打印对象相关联的构造选择的灵活性。某些实施例也确保了生产强的核壳结构，其中核和壳包括不同的材料成分并且核壳结构的机械特性可能是一种考虑。某些实施例也使得能够生产强的、刚健结构，即使当使用的打印材料非常不兼容时(例如硅树脂和铝)。
某些实施例也使得能够应用期望的界面调整，而不必修改对象处理管道的大部分。这些实施例也减少了在设计对象期间做出具体选择的需要，例如当发送对象用于生产时，设计的对象的体积或对象模型不需要展示期望的界面调整。通过允许在设计之后但在生产对象之前的阶段，例如比如当设计对象提交为“3D打印任务”时的对象处理管道中，做出与界面调整相关的选择而实现这种情况。两个对象部分之间的连续界面的具体调整可取决于下述的至少一种而改变：与各自对象部分相关的材料成分，各自对象部分的相对厚度，和对象部分之间界面的期望结构特性。连续界面的调整可进一步取决于下述的至少一种而改变：预定义的过渡半径、误差扩散半色调操作，和至少一种三维半色调阈值矩阵。另外，连续界面的调整可取决于下述的至少一种而改变：施加至界面的底层结构的几何学，这种底层结构的材料成分，和其中施加这种底层结构的区域。
图1a显示了设置为预处理用于制造三维对象的对象数据的装置100的实施例。装置100包括数据接口110和结构修改器120。数据接口100设置为接收表示用于制造的三维对象的对象数据130。对象数据130表示至少第一和第二对象部件。第一对象部件与第一生产材料成分相关联，并且第二对象部件与第二生产材料成分相关联。例如，在对象文件中，第一对象部件可指定为具有第一对象特性，例如第一颜色、材料和/或材料特性可以与特定的几何形状或体素的选择相关联。然后第二对象部件可指定为具有第二对象特性，例如第二颜色、材料和/或材料特性可以与另一几何形状或体素的选择相关联。设置第一和第二对象部件使得它们被连续界面分开。在一个实施例中，第一和第二对象部件中的一个可表示三维对象的核，并且第一和第二对象部件的另一个可表示三维对象的壳。在该实施例中，壳可以设置为围绕核。“连续”界面可视为是其中各个部件彼此临近的两个部件之间的公共边界。例如，边界可包括平坦的或连续弯曲的界面，其中各个部件具有光滑的表面，其中没有中断并且其中两个表面彼此靠近。
结构修改器120设置为通过调整第一和第二对象部件之间的连续界面修改对象数据130。调整连续界面包括调整定义第一和第二对象部件中的至少一个的数据使得第一和第二生产材料成分中的至少一种延伸进入由第二和第一对象部件的相应一个占据的对象空间。根据一个实施例，结构修改器120可输出修改的对象数据140。根据一个实施例，结构修改器120可设置为用表示多个重复的几何底层结构的对象数据替换用于连续界面的对象数据。多个重复的几何底层结构可由第一和第二生产材料成分的至少一种组成。各个底层结构可以设置为延伸进入由第二和第一对象部件的相应一个占据的对象空间。在一个实施例中，各个几何底层结构可包括至少一个凹面。在一个实施例中，各个几何底层结构可以相对于连续界面的标准对齐。在另一实施例中，各个几何底层结构可以独立于连续界面的几何学而设置。
图1b显示了装置150设置为预处理用于制造三维对象的对象数据的实施例。装置150包括数据接口160和结构修改器170。数据接口160和结构修改器170如参考图1a的数据接口110和结构修改器120的描述设置。装置150进一步包括半色调生成器180。半色调生成器180设置为将半色调操作应用于对象数据155和输出用于制造三维对象的离散材料形成指令165。这些可包括沉积指令，例如用于将至少一种试剂沉积在粉末状基底或用于将挤出的聚合物沉积，和/或材料排列和形成指令，例如用于引导激光器设备以加热液体或固体材料的控制指令。
为了产生指令155，半色调生成器180可处理与三维阈值矩阵相关联的数据155。在某些情况下，这可包括将由结构修改器170输出的至少一部分数据与三维阈值矩阵或等同操作的对应部分进行比较。在一种情况下，使用从与数据155的一个体积对应的三维阈值矩阵的一个位置处取回的半色调阀值，半色调生成器180可对材料-用途值进行半色调阈值操作，所述材料-用途值与数据155的一个体积，比如体素相关。在具有双水平沉积机构的增材制造系统中，这可包括以“沉积材料”(例如“1”)或“不沉积材料”(例如“0”)的形式输出沉积指令。例如，如果对于给定体素的材料-用途值是65％并且取回的半色调阀值是50％，那么材料-用途值高于阀值，对于给定体素可输出沉积指令“1”。这可启动在对应给定体素的输出位置处的生产材料的沉积。在某些系统中，输出可包括给定体积的三维对象在生产分辨率下的一组材料形成状态的一种，例如使用增材制造系统可寻址的输出对象的体积和输出对象的输出材料状态可通过系统的选择性作用修改。
在图1b的实施例中，在一种情况下，结构修改器170可设置为调整接收的对象数据155中的连续界面，以产生用于连续界面的半色调过渡区域。半色调过渡区域包括用于制造三维对象的材料成分放置指令，其中第一生产材料成分的体积与第二生产材料成分的体积交错。在一个实施例中，半色调过渡区域的产生可基于预定义的过渡半径(例如对于弯曲的壳-核情况)或宽度。
根据一个实施例，结构修改器170可设置为在通过半色调生成器180应用半色调操作之前，通过为三维对象的各个体积组配置材料体积覆盖向量组，修改连续界面。所述三维对象的各个体积组可对应包括在半色调过渡区域中的第一和第二对象部件的至少一个的一部分。在该实施例中，对于可用于制造三维对象的k种材料和用于所述材料的L种离散材料形成状态，材料覆盖向量可包括Lk个向量分量，每个向量分量具有相关联的概率值。结构修改器170可以设置为配置材料体积覆盖向量组以对于以下中的至少一种具有非零概率值：分别表示各自第一和第二生产材料成分的向量分量；和表示第一和第二生产材料成分的组合的向量分量。这样，每个对象部件与如先前所描述的这些生产材料成分的体积混合物相关联。
在一个实施例中，结构修改器170可以设置为通过修改半色调生成器180所进行的误差扩散半色调操作而调整连续界面。在另一实施例中，结构修改器170可以设置为通过修改由半色调生成器180使用的至少一个三维阈值矩阵而调整连续界面。在进一步的实施例中，半色调生成器180可以设置为通过用表示多个重复的由第一和第二生产材料成分的至少一种组成的几何底层结构的对象数据替换用于连续界面的对象数据来调整连续界面，各个底层结构设置为延伸进入由第二和第一对象部件的相应一个占据的对象空间。
在一个实施中，对象数据130、155包括或用于产生用于三维对象的至少一个体积的至少一种材料体积覆盖向量。材料体积覆盖向量表示用于生产三维对象的增材制造系统中可用材料的概率分布。在一种情况下，各个向量表示可用于生产三维对象的材料和所述材料的组合，即可用的生产材料成分的比例体积覆盖。例如，对于可用于生产三维对象的k种材料和用于所述材料的L种离散材料形成状态，材料覆盖向量包括Lk个向量分量，每个向量分量具有相关的概率值。在该情况下，离散的沉积指令包括来自L*k个可用的指令值的组的生产指令，各个元素在生产分辨率下具有对于每个所述k种材料的L种材料形成状态指令中的一个。由材料体积覆盖向量限定的材料和材料组合可与许多不同材料类型，例如构建材料、底漆材料、支撑或脚手架材料、试剂和粉末相关联，包括材料的分开使用、材料的联合使用以及任何材料的缺乏。
为了阐释材料体积覆盖向量的分量，可考虑简单的例子。在该简单的例子中，装置可使用两种材料以产生三维对象：M1和M2。这些可以是沉积在基底或平台上的流体构建材料，例如排出或喷射熔融的聚合物，或它们可包括沉积在至少一层粉末状构建材料上的两种可沉积的着色试剂。在后一种情况下，在产生的三维对象中，每种“材料”可对应可沉积的试剂和粉末状构建材料的聚结组合。在前一种情况下，在产生的三维对象中，每种“材料”可对应排出或喷射聚合物的固化部分。无论如何，每种“材料”可通过增材制造装置沉积以产生确定体积(例如在生产分辨率下)的输出三维对象。
在该简单的例子中，如果增材制造装置可沉积离散量的每种材料，例如在二元沉积中，有四种不同的材料组合状态：沉积M1而不沉积M2的第一状态；沉积M2而不沉积M1的第二状态；沉积M1和M2两者的第三状态，例如M2沉积在M1上或反之亦然；和M1和M2两者都不存在的第四状态，例如“空白”(Z)或抑制剂。在该情况下，材料体积覆盖向量具有四个向量分量：[M1、M2、M1M2、Z]。在最后向量分量的情况下，“空白”或“Z”可表示在处理的层中“空的”或缺少材料，例如如果试剂沉积在构建材料层上，这可表示对于处理的层缺少构建材料，即使可能不去除构建材料直到已经产生了完整的对象。
在一种情况下，可作为增材制造系统的一部分实施装置100、150，例如可包括用于“3D打印机”的电子器件或嵌入式控制器的部分。在另一情况下，装置100的至少一部分可实施为储存在包括指令的非暂时性存储介质上的可执行代码，当可执行代码被至少一个处理器执行时，使处理器执行本文所述的装置100、150的至少一部分的功能。该可执行代码可另外从至少一个易失性或非易失性存储器，比如随机存取存储器，只读存储器和/或硬盘驱动器存取数据。至少一个处理器可形成增材制造系统的一部分(例如，“3D打印机”的计算模块)和/或可形成通信地耦合到增材制造系统的计算机设备的一部分(例如配置为控制“3D打印机”和/或安装在计算机设备上的“3D打印驱动器”的台式计算机)。在一种情况下，计算机设备可包括通信地耦合到增材制造系统的服务器；例如使用者可从移动计算设备提交定义三维对象的数据155，用于由“云”中的装置150处理，然后装置150可将材料形成指令165经网络通信通道发送至增材制造系统。在一种情况下，装置100、150的至少一部分可实施为至少一种专用集成电路(ASIC)。ASIC可以是标准的、全定制的或部分定制的。在一个实施例中，ASIC可具有结构化的设计。ASIC可包括至少一个微处理器和/或至少一个存储器块。在另一实施例中，ASIC可包括至少一个门阵列，例如场可编程门阵列。场可编程门阵列可包括可编程逻辑块的阵列以及可重构的相互连接的层级。在某些实施例中，可编程逻辑块的阵列可包括储存元件，例如触发器。在一个实施例中，ASIC可设置为接收定义三维对象的数据130、155。根据一个实施例，ASIC可通信地耦合到至少一个中央处理单元。数据130、155可以被至少一个中央处理单元存取。至少一个中央处理单元可包括通用中央处理单元和专用中央处理单元中的至少一种。根据某些实施例，ASIC和/或中央处理单元可以设置为操作结构修改器120、170和半色调生成器180的至少一个。
现将参考图2描述设置为根据修改的对象数据140制造三维对象的装置的实施例。图2显示了装置200的实施例，其设置为生产三维对象260。装置200可接收用于三维对象的数据210，其可包括基于修改的对象数据140或165的材料形成指令，如下所描述。在一种情况下，装置200的至少一部分可实施为储存在包括指令的非暂时性存储介质上的可执行代码，当可执行代码被至少一个处理器执行时，使得处理器执行本文所述的装置200至少一部分的功能。显示和描述装置200用于更好地理解目前描述的实施例；可以可选地使用不同形式和/或使用不同技术的其他装置。
在图2中，装置200包括沉积控制器220和存储器225。沉积控制器220可包括形成例如用于控制增材制造系统的嵌入式计算设备一部分的至少一个处理器。存储器225可包括易失性和/或非易失性存储器，例如非暂时性存储介质，其设置为例如以固件的形式储存计算机程序代码。固件可包括机器可读的指令和/或包括用于至少一个处理器的指令的可执行代码。沉积控制器220通信地耦合到设置为构建三维对象的装置的方面。这些包括沉积机构230。沉积机构230可沉积生产材料以产生三维对象。在该情况下，沉积机构包括基底供应机构235和试剂喷出机构240、245。在其他情况下，沉积机构230可包括更少的或另外的组件，例如基底供应机构可与试剂喷出机构分开提供或被省略，或其他组件，例如沉积机构230可包括聚合物提取机构。在图2的示意性实施例中，试剂喷出机构240、245包括两个组件：用于供应第一试剂(例如如上所讨论的材料M1)的第一组件240和用于供应第二试剂(例如如上所讨论的材料M2)的第二组件245。为了易于阐释在该实施例中呈现两种材料，但是可提供任何数量的材料。例如仅仅描述了试剂形式的类似材料。基底供应机构235可供应至少一个基底层，在其上通过试剂喷出机构240、245沉积可用于生产的材料，以生产三维对象260。在该情况下，材料包括施加至粉末基底的试剂，其中试剂和粉末的组合，在固化处理之后，形成对象的一部分。但是，其他实施也是可能的，例如可沉积材料以形成对象的一部分，例如根据上面讨论的聚合物情况。在图2的实施例中，在平台250上逐层构建三维对象260。不限制图2中显示的方面和组件的排列；每个装置的精确排列将根据实施的生产技术和装置的模型而改变。
在图2的实施例中，沉积控制器220配置为处理和/或以其他方式使用数据210以控制沉积机构230的至少一个组件。沉积控制器220可控制基底供应机构235和试剂喷出机构240、245的至少一个。例如，通过沉积控制器220可使用数据210中的离散材料形成指令，以控制试剂喷出机构中的喷嘴。在一个实施中，装置200可以设置为使用至少一种聚结剂和聚结修改试剂，其分别由试剂喷出机构240、245的组件供应。这些试剂使得三维对象具有不同的材料特性。它们可结合至少一种例如使用喷墨机构施加至沉积的粉末层的有色粉末状基底材料，以产生具有不同材料特性的多色对象。如果可使用多种粉末状基底材料，在某些情况下，它们也可形成材料体积覆盖向量的“材料”的一部分。类似地，在一种情况下，至少一种聚结剂或粘合剂可被着色并且沉积在白色或空白粉末状基底上。在这些情况下，可通过将至少聚结剂和聚结修改试剂沉积在基底材料层上，例如形成z-平面切片的粉末或其他材料层上，随后施加能量使材料结合，例如红外光或紫外光，而构建产生的对象。例如，基底供应机构235和试剂喷出机构240、245的至少一种可相对于平台250移动，例如在x、y和z方向的至少一个方向上(其中y轴在图2中是进入纸张)。为此，基底供应机构235、试剂喷出机构240、245和平台250中的至少一个可在沉积控制器220的控制下移动。另外，至少一种打印流体也可沉积在聚结和/或未聚结的层上，其中该打印流体也形成材料体积覆盖向量的“材料”的一部分。在其他实施中，装置可包括选择性激光器烧结系统、立体光刻系统、喷墨系统、熔融沉积建模系统、任何三维打印系统、喷墨沉积系统和层压对象制造系统等的一部分。这些包括直接沉积材料的装置而不是描述的使用各种试剂的那些。
在一种情况下，装置100、150和沉积控制器220的功能可组合在一个嵌入式系统中，嵌入式系统可接收定义三维对象的数据130、155，或用于生产三维对象的数据，因此控制装置200。这可以是“独立的”装置的情况下，其可接收数据210，例如通过物理传输和/或通过网络，并且产生对象。例如，该装置可通信地耦合到计算机设备，所述计算机设备可将包括对象定义130、155的“打印任务”，或用于生产对象定义130、155的数据以与二维打印机类似的方式发送至装置。
图3a根据实施例示意性显示了三维对象的横截面的表示300。在代表三维对象的对象数据被结构修改器120、170修改之前和之后都显示了表示300。三维对象包括第一对象部分310和第二对象部分320。第一对象部分310与第一生产材料成分相关联(在该表示中显示为白色)。第二对象部分320与第二生产材料成分相关联(在该表示中显示为黑色)。第一和第二对象部分310、320设置为使得它们包括连续界面330。在修改代表三维对象300的对象数据之后，调整连续界面330，使得一部分第二生产材料成分(黑色)延伸进入由第一对象部分310占据的对象空间。在图3a的实施例中，连续界面330被替换为多个重复的几何底层结构340。各个底层结构340由第二生产材料成分(黑色)组成并且延伸进入由第一对象部分310占据的对象空间。在该实施例中，几何底层结构340包括四面体或锥体。在其他实施例中，几何底层结构340可包括矩形、波状、钩状或树样底层结构中的一个或多个。在一个实施例中，底层结构340可包括不规则结构。在一个实施例中，几何底层结构340可包括至少一个凹面。在一个实施例中，几何底层结构340可以设置为尽管它们延伸进入由第一对象部分310占据的对象空间，但是它们仍连接至第二对象部分320。
根据其他实施例，几何底层结构340可由第一生产材料成分(白色)组成并且可延伸进入由第二对象部分320占据的对象空间。在一个实施例中，几何底层结构340的第一部分可由第一生产材料成分(白色)组成并且延伸进入由第二对象部分320占据的对象空间，并且几何底层结构340的第二部分可由第二生产材料成分(黑色)组成并且延伸进入由第一对象部分310占据的对象空间。根据一个实施例，哪种生产材料成分挤出进入哪个的决定可基于所讨论生产材料成分的特性。在另一实施例中，所述决定可基于如对象数据表示300中定义的三维对象中第一和第二对象部分310、320中的至少一个的厚度。在一个实施例中，几何底层结构340可设置为使得存在沿着界面330布置的恒定密度的底层结构。在另一实施例中，底层结构340可设置为使得底层结构的密度沿着界面330不同。底层结构密度的变化可基于下述的至少一种：沿着界面330的底层结构的位置，三维对象中界面的位置，和用于第一和第二对象部分310、320的生产材料成分。几何底层结构可以是对称的或不对称的结构。不对称的结构可设置为具有多个不同取向。在一个实施例中，几何底层结构340的第一部分可设置为具有第一取向，并且几何底层结构340的第二部分可设置为具有第二取向。
图3b根据实施例示意性显示了三维对象的横截面的表示350。在代表三维对象的对象数据被结构修改器120、170修改之前和之后都显示了表示350。三维对象包括第一对象部分360和第二对象部分370。第一对象部分360与第一生产材料成分相关联(在该表示中显示为白色)。第二对象部分370与第二生产材料成分相关联(在该表示中显示为黑色)。第一和第二对象部分360、370设置为使得它们包括连续界面。在图3b显示的实施例中，第二对象部分370是三维对象的核或内部。核或内部可以是球形、半球形或任何其他三维结构。该实施例中的第一对象部分360是三维对象的壳或外部。壳设置为围绕核，使得当制造三维对象时，至少一部分第二对象部分370可被第一对象部分360遮蔽。根据一个实施例，第一和第二对象部分360、370可以是分开的结构。在一个实施例中，第一对象部分360可以是涂层，其设置为覆盖第二对象部分370的至少一部分。
在修改代表三维对象350的对象数据之后，调整连续界面使得第二生产材料成分的一部分(黑色)延伸进入由第一对象部分360占据的对象空间。在图3b的实施例中，连续界面被替换为多个重复的几何底层结构380。各个底层结构380由第二生产材料成分(黑色)组成并且延伸进入由第一对象部分360占据的对象空间。在该实施例中，几何底层结构360包括不对称的波状结构。在该实施例中，几何底层结构与连续界面的标准对齐。在该情况下，这种对齐使得复合结构具有旋转对称性。在其他实施例中，几何底层结构可能不与连续界面标准对齐。尤其，在所有方向上具有凹面的底层结构(例如星状结构)，可以与界面标准无关地对齐。
根据不同的实施例，如参考图3a和3b中显示的实施例描述的，用代表多个几何底层结构的对象数据替换用于连续界面的对象数据，可出现在打印生产处理的不同阶段。在一个实施例中，在打印管道的早期，连续界面可在输入对象几何学的水平调整为几何底层结构。在另一实施例中，几何底层结构的半色调的实例可在打印之前并入切片半色调。后一种情况可通过下述的至少一种实现：存取和修改多个半色调切片；和索引至预半色调处理的几何底层结构切片。
图4显示了定义如可使用本文所述的实施例产生的特定结构的三维对象400的数据的示例性图形输出。三维对象400包括第一对象部件410和第二对象部件420。第一对象部件410与第一生产材料成分相关联(在该表示中，灰色)，并且第二对象部件420与第二生产材料成分相关联(在该表示中，黑色)。在该实施例中，第一对象部件410代表三维对象400的壳，并且第二对象部件420代表三维对象400的核。因此，第一对象部件410设置为吞没第二对象部件420。通过产生过渡区域430，调整第一和第二对象部件410、420之间的连续界面。过渡区域430可包括用于制造三维对象400的材料成分放置指令，其中第一生产材料成分的体积与第二生产材料成分的体积交错。所以，过渡区域430的产生可视为扩散由连续界面限定的边界。根据一个实施例，可在连续色调区域中产生过渡区域430。在该情况下，可指定对象特性。在另一实施例中，可在其中已经提及具体的材料用途的映射区域，例如由材料体积覆盖表示定义的区域中产生过渡区域430。材料体积覆盖表示的区域中过渡区域430的产生可包括对于给定的体积确定各自材料体积覆盖向量的凸面组合。根据实施例，所述凸面组合的权重可基于来自第一和第二对象部件之间界面的给定体积的距离。在另一实施例中，所述凸面组合的权重可基于预定义的过渡半径，例如弯曲半径。
根据实施例，可通过在应用半色调操作之前，为三维对象400的各个体积组配置材料体积覆盖向量组，调整第一和第二对象部件410、420之间的连续界面。各个体积组对应包括在半色调过渡区域430中的第一和第二对象部件410、420中的至少一个的一部分。根据一个实施例，材料体积覆盖向量组对于分别表示各自第一和第二生产材料成分的向量分量可配置为具有非零概率值。在另一实施例中，材料体积覆盖向量组可配置为对于表示第一和第二生产材料成分组合的向量分量具有非零概率值。例如，如果过渡区域430被材料体积覆盖向量定义为具有X％的第一材料成分和(1-X)％的第二材料成分，则半色调的结果是联锁组的体积，其中来自界面每一侧的材料成分被交错。在一个实施例中，每个材料体积覆盖向量的配置可基于各个体积相对于连续界面的位置。在一个实施例中，配置可基于预定义的过渡距离。
在一个实施例中，可通过修改误差扩散半色调操作调整第一和第二对象部件410、420之间的连续界面。对于误差扩散半色调，将材料组合顺序分配给体积并且使用八叉树模型来描述哪里已经分配了材料组合以及哪里没有被分配材料组合。“关闭的”体积是已经被分配材料组合的那些体积(例如从材料体积覆盖向量)并且“开放的”体积是可用的那些体积。为了调整两个对象部件之间的界面，两个对象部件可被分别半色调处理。在该情况下，预定义哪个体积对于哪个材料组合是“关闭的”，允许一个对象部件的误差扩散以避免填充将使用第二对象部件的误差扩散的体积，同时避免使用第一对象部件偏好的“关闭的”体积。这可包括为第一和第二对象部件中的至少一个修改可用的“开放的”体积(例如体素)，以包括形成第一和第二对象部件中的另一个的一部分的体积。在一个实施例中，可在误差扩散半色调处理中增强材料连接性。这在对象部件之间的界面处产生连贯的不同密度的随机结构。
根据一个实施例，可通过修改半色调操作中使用的至少一个三维阈值矩阵调整第一和第二对象部件410、420之间的连续界面。在一个实施例中，不同阈值矩阵可用于三维对象材料用途的不同部分。如果阈值矩阵，H，用于第一对象部件的半色调，则矩阵[1-H]可用于第二对象部件。在该情况下，对于第二对象部件中在位置[x，y，z]的体积，阈值矩阵H的阀值V可被阀值1-V替换，其中1表示最大的编码水平值。所以可能增加避免组合两种材料成分的可能性。在一个实施例中，可进行两个阈值矩阵H和1-H的显性共优化。
图5根据实施例显示了用于制造三维对象的方法500。该方法可通过装置100和沉积控制器220中的任何一种、通过另一增材制造系统或通过设置为控制增材制造系统的计算机设备应用。在块510处，获得数字表示，例如代表待制造的三维对象的对象数据。数字表示代表至少第一和第二对象部分。第一对象部分与第一材料成分相关联并且第二对象部分与第二材料成分相关联。第一和第二材料成分可以是生产材料成分。第一和第二对象部分具有靠近的表面，例如它们包括连续界面。在块520处，调整数字表示中定义的靠近的表面，例如调整连续界面。调整靠近的表面包括使得第一和第二材料成分中的至少一个的一部分进入由第二和第一对象部分的相应一个占据的体积，例如对象空间。调整靠近的表面可包括将第一和第二材料成分中的至少一个的一部分延伸进入所述体积。在块530处，基于数字表示中调整的表面制造三维对象。根据一个实施例，在块530处的制造可包括半色调处理三维对象的数字表示，以为至少两种材料成分输出离散材料形成指令。在一个实施例中，可与至少一个半色调阈值矩阵相关联应用半色调操作。在一个实施例中，在块530处的制造可包括根据由半色调操作输出的离散材料形成指令沉积可用的生产材料成分。
在一种情况下，三维对象的数字表示形式的对象数据可至少源自以基于向量的格式接收的三维对象模型数据，例如来自STereoLithography“.stl”文件的数据。在某些情况下，这可转化成预定的光栅分辨率。基于向量的格式使用定义的模型几何学，比如多边形网格和/或三维形状模型的组合表示三维对象。例如，“.stl”文件可包括三维中顶点列表形式的向量表示，以及以三角形划分形式或三个顶点之间关联形式的表面棋盘花纹。光栅表示可包括多个定义的单位体素或定制体素，例如至少一种尺寸的定义的体积。
在一种情况下，方法500的至少一部分可通过储存在包括指令的非暂时性存储介质上的可执行代码实施，当可执行代码被至少一个处理器执行时，使得处理器执行本文所述的方法500的至少一部分。在另一情况下，方法500的至少一部分可由至少一个ASIC实施。ASIC可以是标准的、全定制的或部分定制的。在一个实施例中，ASIC可具有结构化的设计。ASIC可包括至少一个微处理器和/或至少一个存储器块。在另一实施例中，ASIC可包括至少一个门阵列，例如场可编程门阵列。场可编程门阵列可包括可编程逻辑块的阵列和可重构的相互连接的层级。在某些实施例中，可编程逻辑块的阵列可包括存储元件，例如触发器。在一个实施例中，ASIC可设置为在块510处获得数字表示。根据一个实施例，ASIC可通信地耦合到至少一个中央处理单元。在块520处可通过至少一个中央处理单元调整数字表示中靠近的表面。至少一个中央处理单元可包括通用中央处理单元和专用中央处理单元中的至少一个。
图6a根据实施例显示了制造三维对象的方法600。该方法可通过装置100和沉积控制器220中的任何一种、通过另一增材制造系统或通过设置为控制增材制造系统的计算机设备应用。在块602处，获得数字表示，例如代表待制造的三维对象的对象数据。数字表示代表至少第一和第二对象部件。第一对象部件与第一材料成分相关联并且第二对象部件与第二材料成分相关联。设置第一和第二对象部件使得它们具有靠近的表面，例如使得它们包括连续界面。在块604处，调整数字表示中第一和第二对象部件的靠近的表面，例如调整连续界面。调整靠近的表面包括为靠近的表面产生半色调过渡区域。半色调过渡区域包括用于制造三维对象的材料成分放置指令，其中第一材料成分的体积与第二材料成分的体积交错。在一个实施例中，半色调过渡区域的产生可基于预定义的过渡度量标准。在一个实施例中，预定义的过渡度量标准可以是弯曲半径。
在块606处，为三维对象的各个体积组配置材料体积覆盖向量组，对应第一和第二对象部件中的至少一个的一部分的各个体积组包括在半色调过渡区域中。在一个实施例中，材料体积覆盖向量组对于分别表示各自第一和第二生产材料成分的向量分量可配置为具有非零概率值。在另一实施例中，材料体积覆盖向量组对于表示第一和第二生产材料成分组合的向量分量可配置为具有非零概率值。在块606处，在对三维对象的数字表示应用半色调操作之前进行材料体积覆盖向量组的配置。在块608处，基于数字表示中调整的表面制造三维对象。制造可包括基于配置的材料体积覆盖向量组对数字表示应用半色调操作，以产生离散材料形成指令。
图6b根据实施例显示了用于制造三维对象的方法610。该方法可通过装置100和沉积控制器220中的任何一种、通过另一增材制造系统或通过设置为控制增材制造系统的计算机设备应用。在块612处，获得数字表示，例如代表待制造的三维对象的对象数据。数字表示代表至少第一和第二对象部件。第一对象部件与第一材料成分相关联并且第二对象部件与第二材料成分相关联。第一和第二材料成分可以是生产材料成分。第一和第二对象部件具有靠近的表面，例如它们设置为使得它们包括连续界面。在块614处，调整数字表示中的靠近的表面，例如调整连续界面。调整靠近的表面包括对应用于数字表示的误差扩散半色调操作进行修改。在一个实施例中，修改误差扩散半色调操作可包括对于至少一种材料组合，预定义某些体积为“关闭的”。在一个实施例中，误差扩散半色调操作可应用于代表半色调过渡区域的对象数据，比如方法600中产生的对象数据。在块616处，制造三维对象，其中所述制造可基于由半色调操作输出的一组控制指令。
图6c根据实施例显示了用于制造三维对象的方法620。该方法可通过装置100和沉积控制器220中的任何一种、通过另一增材制造系统或通过设置为控制增材制造系统的计算机设备应用。在块622处，获得数字表示，例如代表待制造的三维对象的对象数据。数字表示代表至少第一和第二对象部件。第一对象部件与第一材料成分相关联并且第二对象部件与第二材料成分相关联。第一和第二对象部件具有靠近的表面，例如它们设置为使得它们包括连续界面。在块624处，调整数字表示中靠近的表面，例如调整连续界面。调整靠近的表面包括修改应用于数字表示的半色调操作中使用的至少一个三维阈值矩阵。在一个实施例中，至少一个三维阈值矩阵的修改可用于半色调过渡区域，比如方法600中产生的半色调过渡区。在一个实施例中，调整靠近的表面可包括确定三维阈值矩阵，其数据值包括从最大编码水平值减去预定义的三维阈值矩阵的数据值的结果。在一个实施例中，预定义的三维阈值矩阵和确定的三维阈值矩阵可被共优化，使得避免两种材料成分的组合。在一个实施例中，预定义的三维阈值矩阵可以与第一和第二对象部件中的一个相关联，并且确定的三维阈值矩阵可以与第一和第二对象部件中的另一个相关联。在块626处，制造三维对象，其中所述制造可基于由半色调操作输出的一组控制指令。半色调操作可结合在块624处修改的至少一个三维阈值矩阵应用于对象数据。
图6d根据实施例显示了用于制造三维对象的方法630。该方法可通过装置100和沉积控制器220中的任何一种、通过另一增材制造系统或通过设置为控制增材制造系统的计算机设备应用。在块622处，获得数字表示，例如代表待制造的三维对象的对象数据。数字表示代表至少第一和第二对象部分。第一对象部分与第一材料成分相关联并且第二对象部分与第二材料成分相关联。第一和第二材料成分可以是生产材料成分。第一和第二对象部分具有靠近的表面，例如它们设置为使得它们包括连续界面。在块624处，调整数字表示中靠近的表面，例如调整第一和第二对象部分之间的连续界面。调整靠近的表面包括产生与第一和第二材料成分中的至少一种相关联的多个规则底层结构。各个底层结构设置为延伸进入由第二和第一对象部分的相应一个占据的对象空间。根据一个实施例，底层结构可以是各自包括至少一个凹面的几何轮廓。在一个实施例中，底层结构可设置为使得它们垂直于靠近的表面对齐。在一个实施例中，底层结构可以设置为具有固定的取向。在另一实施例中，底层结构可以设置为具有可变的取向。在一种情况下，底层结构可设置为沿着靠近的表面具有不同的密度。在一个实施例中，在半色调操作期间可产生底层结构。在另一实施例中，在应用半色调操作之前，在打印操作的预处理阶段可产生底层结构。根据某些实施例，可根据方法600、610或620中阐释的任何方法的至少一部分，实施通过产生底层结构调整靠近的表面。在一个实施例中，可在方法600、610或620中阐释的任何方法的至少一部分之前产生底层结构。在另一实施例中，对于给定的制造操作，可不用所执行的方法600、610或620中阐释的任何方法产生底层结构。
如本文所描述的某些方法和系统可通过处理器实施，所述处理器处理储存在非暂时性机器可读的存储介质上的指令。图7显示了计算设备710(例如结构修改器120、170、半色调生成器180等)的实施例700，其包括耦合至处理器720(例如至少一个处理器)的非暂时性机器可读的存储介质740。在某些情况下，计算设备710可包括专用计算机等。机器可读介质730可以是任何非暂时性介质，其可包含、存储或维持被处理器720，或另一适当的处理器使用或结合的程序和数据。机器可读的储存介质可包括下述的任何一种：许多物理介质比如，例如，电子、磁、光、电磁或半导体介质。适当的机器可读介质的更多的具体例子包括但不限于硬盘存储器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦写可编程只读存储器或便携式光盘。在图7中，机器可读的存储介质可包括程序代码，例如以固件的形式，以根据实施例实施方法500、600、610、620或630中任何一个的至少一部分。固件可包括机器可读的指令740和/或可执行代码，其包括用于至少一个处理器720的指令。
在一种情况下，当机器可读的指令740被至少一个处理器720执行时，使得至少一个处理器720获得代表待制造的三维对象的对象数据。对象数据表示三维对象的至少第一和第二部分，第一部分与第一生产材料成分相关联并且第二部分与第二生产材料成分相关联。第一和第二部分设置在三维对象中，使得它们包括共同的连续界面。机器可读的指令740可进一步使得至少一个处理器720通过将共同的连续界面转化成过渡区域而半色调处理所述对象数据。过渡区域可包括用于制造三维对象的材料成分放置指令，其中第一生产材料成分的体积与第二生产材料成分的体积交错。在一个实施例中，在应用半色调操作之前，可通过为与包括在过渡区域中的第一和第二对象部件中的至少一个的一部分对应的体积组配置材料体积覆盖向量组来调整共同的连续界面。在另一实施例中，可通过修改应用于对象数据的误差扩散半色调操作而调整共同的连续界面。在进一步的实施例中，调整连续界面可包括修改半色调操作中使用的至少一个三维半色调矩阵。在一种情况下，获得的对象数据可包括与第一和第二生产材料成分中的至少一个相关联的多个规则底层结构，各个底层结构设置为延伸进入由第二和第一对象部件的相应一个占据的对象空间。机器可读的指令740可进一步使得至少一个处理器720输出控制数据，其包括用于制造三维对象的离散材料形成指令。
本文所述的某些实施例使得三维对象的数字表示，例如三维光栅表示，能够以这样的方式被修改，以在至少两个对象部件之间产生强的、粘合界面，其中至少两个对象部件由可具有不同的机械、结构和/或熔融特性的打印材料组成。通过提供用于预处理数字表示和根据修改的表示制造三维对象的装置和方法实现。获得对象数据，表示至少第一和第二对象部件，第一对象部件与第一生产材料成分相关联并且第二对象部件与第二生产材料成分相关联，第一和第二对象部件设置为使得它们被连续界面分开。通过调整第一和第二对象部件之间的连续界面修改所述对象数据。所述调整包括调整定义第一和第二对象部件中的至少一个的数据使得第一和第二生产材料成分中的至少一种的一部分延伸进入由第二和第一对象部件的相应一个占据的对象空间。对象数据可被半色调处理，以输出用于制造三维对象的离散材料形成指令，离散材料形成指令在打印生产操作期间用于沉积生产材料成分。
某些实施例也使得能够应用结构控制，以计算有效的并且可以是平行的方式产生三维对象。某些实施例使得能够产生三维对象，其中对象部分之间结构上强的界面具有不同的材料成分。当连续打印时，即使高度不兼容的材料成分，比如金属和塑料，或金属和柔性材料，可使用本文所述的实施例以高度的强度、粘性和灵活性打印。根据某些描述实施例，两个相邻对象部件之间的连续界面的调整可通过下述的一个或两个实现：界面的几何修改，和陡峭的界面转变成半色调过渡区域。取决于期望的应用(例如打印小的特征，不同的生产量等)，在较宽范围的场景下可实现沿着界面的结构完整性。
提供上述说明书以阐释和描述所述原理的实施例。该说明书并不旨在是排他性的或将这些原理限于公开的任何精确形式。鉴于上述教导，许多修改和改变是可能的。结合一个实施例描述的技术、功能和方法可用于其他描述的实施例，例如提供应用该公开的相关部分。
Claims (15)
1.一种设置为预处理用于制造三维对象的对象数据的装置，所述装置包括：
数据接口，设置为接收代表所述用于制造的三维对象的对象数据，所述对象数据表示至少第一对象部件和第二对象部件，所述第一对象部件与第一生产材料成分相关联并且所述第二对象部件与第二生产材料成分相关联，所述第一对象部件和所述第二对象部件设置为使得它们被连续界面分开；和
结构修改器，设置为通过调整所述第一对象部件和所述第二对象部件之间的连续界面来修改所述对象数据，所述调整包括调整定义所述第一对象部件和所述第二对象部件中的至少一个的数据，使得所述第一生产材料成分和所述第二生产材料成分中的至少一种的一部分延伸进入由所述第二对象部件和所述第一对象部件中的相应一个占据的对象空间。
2.根据权利要求1所述的装置，包括半色调生成器，设置为将半色调操作应用于所述对象数据，以输出用于制造所述三维对象的离散材料形成指令。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述结构修改器设置为调整所接收的对象数据中的所述连续界面，以为所述连续界面产生半色调过渡区域，所述半色调过渡区域包括用于制造所述三维对象的材料成分放置指令，其中所述第一生产材料成分的体积与所述第二生产材料成分的体积交错。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述结构修改器设置为：在由所述半色调生成器应用所述半色调操作之前，通过为所述三维对象的各个体积组配置材料体积覆盖向量组来修改所述连续界面，
其中，对于可用于制造所述三维对象的k种材料和用于所述材料的L种离散材料形成状态，材料覆盖向量包括Lk个向量分量，每个向量分量具有相关的概率值，
其中所述各个体积组对应包括在所述半色调过渡区域中所述第一对象部件和所述第二对象部件中的至少一个的一部分，并且
其中所述结构修改器设置为配置所述材料体积覆盖向量组以对于下述的至少一种具有非零概率值：
分别表示各自所述第一生产材料成分和第二生产材料成分的向量分量，和
表示所述第一生产材料成分和第二生产材料成分的组合的向量分量。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述结构修改器设置为通过修改由所述半色调生成器执行的误差扩散半色调操作来调整所述连续界面。
6.根据权利要求2所述的装置，其中所述结构修改器设置为通过修改由所述半色调生成器使用的至少一个三维阈值矩阵来调整所述连续界面。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构修改器设置为用表示多个重复的几何底层结构的对象数据替换用于所述连续界面的对象数据，所述多个重复的几何底层结构由所述第一生产材料成分和所述第二生产材料成分中的至少一种组成，各个底层结构设置为延伸进入由所述第二和第一对象部件中的相应一个占据的对象空间。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一对象部件和第二对象部件中的一个表示所述三维对象的核并且所述第一对象部件和第二对象部件中的另一个表示所述三维对象的壳，所述壳设置为围绕所述核。
9.一种制造三维对象的方法，包括：
获得待制造的所述三维对象的数字表示，所述数字表示代表至少第一对象部分和第二对象部分，所述第一对象部分与第一材料成分相关联并且所述第二对象部分与第二材料成分相关联，所述第一对象部分和所述第二对象部分具有靠近的表面；
调整所述数字表示中定义的所述靠近的表面，包括使得所述第一材料成分和第二材料成分中的至少一种的一部分进入由所述第二对象部分和第一对象部分中的相应一个占据的体积；和
基于所述数字表示中所调整的表面制造所述三维对象。
10.根据权利要求9所述的方法，包括：
调整所述数字表示中的所述靠近的表面，以为所述靠近的表面产生半色调过渡区域，所述半色调过渡区域包括用于制造所述三维对象的材料成分放置指令，其中所述第一材料成分的体积与所述第二材料成分的体积交错。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：
在将半色调操作应用至所述数字表示之前，通过为所述三维对象的各个体积组配置材料体积覆盖向量组，来调整所述靠近的表面，
其中，对于可用于制造所述三维对象的k种材料和用于所述材料的L种离散材料形成状态，材料覆盖向量包括Lk个向量分量，每个向量分量具有相关的概率值，
其中所述各个体积组对应包括在所述半色调过渡区域中的所述第一对象部分和第二对象部分中的至少一个的一部分，并且
其中所述材料体积覆盖向量组配置为对于下述的至少一种具有非零概率值：
分别表示各自所述第一材料成分和第二材料成分的向量分量，和
表示所述第一材料成分和第二材料成分的组合的向量分量。
12.根据权利要求9所述的方法，其中调整所述靠近的表面包括修改应用于所述数字表示的误差扩散半色调操作。
13.根据权利要求9所述的方法，其中调整所述靠近的表面包括修改应用于所述数字表示的半色调操作中使用的至少一个三维阈值矩阵。
14.根据权利要求9所述的方法，其中调整所述靠近的表面包括产生与所述第一材料成分和第二材料成分中至少一种相关联的多个规则底层结构，各个底层结构设置为延伸进入由所述第二对象部分和所述第一对象部分中的相应一个占据的对象空间。
15.一种包括指令的非暂时性机器可读介质，当所述指令被至少一个处理器执行时，使得所述处理器：
获得代表待制造的三维对象的对象数据，所述对象数据表示至少所述三维对象的第一部件和第二部件，所述第一部件与第一生产材料成分相关联并且所述第二部件与第二生产材料成分相关联，所述第一部件和所述第二部件在所述三维对象中设置为使得它们包括共同的连续界面；
通过将所述共同的连续界面转化成过渡区域对所述对象数据进行半色调处理，所述过渡区域包括用于制造所述三维对象的材料成分放置指令，其中所述第一生产材料成分的体积与所述第二生产材料成分的体积交错；和
输出包括用于制造所述三维对象的离散材料形成指令的控制数据。
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