CN107718532B - 用于3d打印机的输出的填充设备和方法 - Google Patents

用于3d打印机的输出的填充设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于3D打印机的输出的填充设备和方法，其包括：单元块生成部，其通过使用彼此正交的三个平面来对3D模型进行切片以生成单元块；单元块分类部，其将单元块根据其位置分类为边界单元块和内部单元块，并根据是否包括了平屋顶区域而将边界单元块分类为平屋顶单元块和非平屋顶单元块；组合块生成部，其合并所述内部单元块并生成组合块；平屋顶点辨别部，其辨别组合块中的平屋顶点；组合块划分部，其将包括平屋顶点的组合块的部分进行划分；以及填充形状确定部，其将由组合块划分部划分出的组合块的被划分表面(或接触表面)确定为填充形状，并且在输出期间将打印材料输出到填充形状。

Description

用于3D打印机的输出的填充设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月11日提交的韩国专利申请序列号2016-0102341的优先权，其公开通过引用整体包含在此。
背景技术
1.技术领域
本发明涉及一种用于3D打印机的输出的填充设备和方法，其能够允许来自3D打印机的输出被稳定地堆叠。
2.相关技术的讨论
通常，为了制造具有3D形状的试点产品，众所周知的是根据图纸手动执行的模型制造方法和通过CNC铣削的制造方法。然而，由于模型制造方法依赖于手动操作，因此难以精确地执行数字控制，并且其花费大量的时间。对于通过CNC铣削的制造方法，可以精确地执行数字控制，但是由于工具干涉，存在难以用机器制造的许多形状。
因此，最近，已经提出了所谓的3D打印方法，其中产品的设计者使用CAD或CAM生成3D建模数据，并且使用所生成的数据来制造具有3D形状的试点产品。这些3D打印机被用在比如工业、生活和医学各个领域中。3D打印机是一种制造设备，其像二维打印机一样输出连续的材料层并对层进行堆叠以产生对象。3D打印机可以基于数字化图纸信息而快速产生对象，并因此可以主要被用于制造原型样品。
3D打印机的产品成型方法包括：以激光束扫描可光固化材料并且光扫描部分被形成为对象的方法、对成型材料进行切割和成型的方法、以及熔化并堆叠热塑性长丝的方法(FDM方法)等。
其中，在FDM型3D打印机的情况下，需要填充的区域(即在不进行树脂加固的情况下堆叠是不可能的区域)在3D输出中被生成。像主要用于外部支撑的术语的悬垂区域一样，不可能进行上述堆叠的区域可以被定义为平屋顶(flat roof)。参考图1，在以红色指示的平屋顶区域10中，由在向上指向的任意点处的切线的法线方向N和树脂堆叠方向D形成的角度小于预定角度，并且因此，在不填充的情况下(即额外的树脂加固)堆叠是不可能的。同时，在图1中，以蓝色指示的部分是悬垂区域，其中由在向下指向的任意点处的切线的法线方向N和垂直方向P形成的角度小于预定角度。
为了稳定地堆叠这样的平屋顶区域，传统上使用将X-Y平面中的二维图案在Z轴方向上堆叠的方法。在该方法中，因为树脂仅在Z轴方向上堆叠，因此具有可以稳定地堆叠树脂并且容易形成图案的优点。然而，由于输出的里面仅以均匀的密度填充而不考虑3D输出对象的形状特征，所以该方法效率低下，即材料消耗增加，并且需要长的制造时间。
相关技术文件1：韩国专利公开号10-2016-0018096(2016年2月17日)
相关技术文件2：韩国专利公开号10-2015-0120643(2015年10月28日)
发明内容
本发明涉及一种用于3D打印机的输出的填充设备和方法，其可以在支撑3D的输出的里面以增加对3D输出进行堆叠的可能性的同时最大限度地减少材料和制造时间。
根据本发明的方面，提供了一种用于3D打印机的输出的填充设备，其包括：单元块生成部，其通过使用彼此正交的三个平面来对3D模型进行切片以生成单元块；单元块分类部，其将单元块根据其位置分类为边界单元块和内部单元块，并根据是否包括平屋顶区域而将边界单元块分类为平屋顶单元块和非平屋顶单元块；组合块生成部，其合并内部单元块并生成组合块；平屋顶点辨别部，其辨别组合块中的平屋顶点；组合块划分部，其将包括平屋顶点的组合块的部分进行划分；以及填充形状确定部，其将由组合块划分部划分出的组合块的被划分的表面(或接触表面)确定为填充形状，并且在输出期间将打印材料输出到填充形状。
单元块生成部可以使彼此正交的三个垂直平面倾斜，使得单元块的每一个表面相对于堆叠方向的角度为45度或以上。
组合块生成部可以基本上合并内部单元块，使得边界单元块和内部单元块之间的边界根据在合并过程中是否包括非平屋顶单元而具有信任结构。
平屋顶点辨别部可以将在每一个平屋顶单元块的最低点的下端处不具有填充形状的点确定为平屋顶点。
组合块划分部可以通过使用相对于平屋顶点彼此正交的三个平面来虚拟地划分组合块、可以在包括平屋顶点的被虚拟地划分的部分当中搜索具有最小横截面积的平面、并且可以通过使用在每一个平屋顶点处的具有最小横截面积的平面当中具有最大横截面积的平面来实际地划分组合块。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于3D打印机的输出的填充方法，其包括：单元块生成步骤，其通过使用彼此正交的三个平面来对3D模型进行切片以生成单元块；单元块分类步骤，其将单元块根据其位置分类为边界单元块和内部单元块并且根据是否包括平屋顶区域而将边界单元块分类为平屋顶单元块和非平屋顶单元块；组合块生成步骤，其合并内部单元块并生成组合块；平屋顶点辨别步骤，其辨别组合块中的平屋顶点；组合块划分步骤，其对包括平屋顶点的组合块的部分进行划分；以及填充形状确定步骤，其将由组合块划分部划分出的组合块的被划分表面(或接触面)确定为填充形状，并且在输出期间将打印材料输出到填充形状。
单元块生成步骤可以使彼此正交的三个垂直平面倾斜，使得单元块的每一个表面相对于堆叠方向的角度为45度或以上。
组合块生成步骤可以基本上合并内部单元块，使得边界单元块和内部单元块之间的边界根据在合并过程中是否包括非平屋顶单元而具有信任结构。
平屋顶点辨别步骤可以将在每一个平屋顶单元块的最低点的下端处不具有填充形状的点确定为平屋顶点。
组合块划分步骤可以通过使用相对于平屋顶点彼此正交的三个平面来虚拟地划分组合块、可以在包括平屋顶点的被虚拟地划分的部分当中搜索具有最小横截面积的平面、并且可以通过使用在每一个平屋顶点处的具有最小横截面积的平面当中具有最大横截面积的平面来实际地划分组合块。
组合块划分操作可以重复虚拟划分过程和实际划分过程，直到平屋顶点被移除为止。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点通过参照附图详细描述其示例实施例对于本领域普通技术人员将变得更加显而易见，其中：
图1是3D输出的平屋顶区域的示意图；
图2是根据本发明的用于3D打印机的输出的填充设备的框图；
图3a是在利用三个平面将3D图像切片之后的被切片表面中的一个的示例视图；
图3b是图3a替选视图；
图4是示出虚拟地划分组合块的过程的视图；
图5是示出实际地划分组合块的过程的视图；
图6是示出3D模型的填充区域的视图；以及
图7是示出根据本发明的用于3D打印机的输出的填充方法的流程图的视图。
具体实施方式
将参照附图详细描述根据本发明的用于3D打印机的输出的填充设备和方法的示例实施例。在本发明的以下描述中，考虑到每一个元件的功能而限定了指示本发明的元件的术语，且并不意图限制本发明的技术要素。
如图2所示，根据本发明的用于3D打印机的输出的填充设备是以下一种设备，其仅填充3D输出的平屋顶区域并因此可以减少材料和制造时间，并且包括单元块生成部110、单元块分类部120、组合块生成部130、平屋顶点辨别部140、组合块划分部150和填充形状确定部160。
单元块生成部110对由3D图像数据构成的3D模型进行切片以生成单元块UB。具体地，单元块生成部110通过使用彼此正交的三个平面(例如，x-y，y-z和z-x平面)对3D模型进行切片来生成单元块UB。图3a是示出使用三个平面对3D模型进行切片之后的被切片表面中的一个的示例视图，并且表面被堆叠以形成3D模型。
这里，单元块生成部110通过使彼此正交的三个平面倾斜使得由每一个单元块UB的平面的法线方向N和树脂堆叠方向D形成的角度为45度或以上来对3D模型进行切片。以倾斜的角度被布置的单元块UB随后在3D打印期间允许输出被容易地堆叠。
单元块分类部120将由单元块生成部110生成的单元块UB根据其位置分类为边界单元块BUB和内部单元块IUB。此外，单元块分类部120根据是否包括了平屋顶区域，将边界单元块BUB分类为平屋顶单元块FB和非平屋顶单元块N-FB。
例如，单元块分类部120将位于3D模型的边界部分的单元块分类为边界单元块BUB，并将位于3D模型的边界部分的里面的单元块分类为内部单元块IUB。并且单元块分类部120再次将边界单元块BUB分类为包括平屋顶区域的平屋顶单元块FB和不包括平屋顶区域的非平屋顶单元块N-FB。这里，是否包括平屋顶区域可以由预先输入的程序来确定(例如，当单元块UB仅包括预设三角形网格的一部分时，其将被确定为平屋顶)。
组合块生成部130合并内部单元块IUB并生成组合块CB。这里，如图3b所示，组合块生成部130可以合并内部单元块IUB，使得组合块CB的边界部分具有信任结构。也就是说，组合块生成部130可以仅合并内部单元块IUB以生成组合块CB，使得信任结构被设置在边界单元块BUB和内部单元块IUB之间的边界处。输出的强度可以通过堆叠期间的信任结构而被增加。
平屋顶点辨别部140确定组合块CB的平屋顶区域中的平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5。具体地，平屋顶点辨别部140将在每一个平屋顶单元块的最低点的下端处不具有填充形状的平屋顶点确定为平屋顶点。
组合块划分部150用于划分包括平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5的组合块CB的一部分。参考图4，组合块划分部150通过使用相对于预先设置的平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5中的每一个的彼此正交的三个平面来虚拟地划分组合块CB。组合块划分部150在被虚拟地划分的部分中搜索具有最小横截面积的平面(参照图4中的具有最小横截面积的虚拟划分线)。这里，“最小横截面积”意味着包括平屋顶点F1、F2，F3、F4和F5的区域具有最小面积，并因此在被填充时平屋顶区域被填充有最小量的材料。并且组合块划分部150通过使用具有最小横截面积的平面当中具有最大横截面积的平面来实际地划分组合块CB。
优选地，组合块划分部150重复组合块CB的虚拟划分过程和实际划分过程，直到所有平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5都被移除为止。图5示出了组合块CB的划分过程。当组合块被划分时，在平屋顶点F3的下端处生成填充区域(由黑线指示)，并且因此平屋顶点F3被移除。当重复划分过程并且因此所有平屋顶点被移除时，组合块划分部150的划分过程被完成。
然后，填充形状确定部160将每一个块的边界表面(切割表面或接触表面)确定为填充区域，并且在3D打印机的输出期间沿着填充区域输出打印材料，例如树脂材料。参考图6，示出了由填充形状确定部160确定的填充区域I(由粗黑线指示)。因此，通过使用树脂材料仅填充被设置为填充形状I的区域的一部分(由粗黑线表示)，而不是在实际3D打印期间通过使用树脂材料填充整个输出的里面，来减少材料和制造时间。
实际上，当通过FDM方法输出3D输出时，根据传统方法和本发明的方法的制造时间和材料消耗对比如下。
【表1】
-根据模型尺寸的制造时间和材料消耗的比较
【表2】
-根据模型密度的制造时间和材料消耗的比较
从上表可以看出，根据3D模型的尺寸和填充密度，可以节省至少48％且多达61％的制造时间，并且可以节省至少56％且多达67％的材料。
图7是示出根据本发明的用于3D打印机的输出的填充方法的流程图的视图。
单元块生成部110通过使用彼此正交的三个平面对3D模型进行切片来生成单元块UB(S100)。此时，通过使彼此正交的三个平面倾斜，使得由每一个单元块UB的平面的法线方向N和树脂堆叠方向D形成的角度为45度或以上，而实现3D模型的切片。
单元块分类部120将单元块UB根据其位置分类为边界单元块BUB和内部单元块IUB，然后根据是否包括平屋顶区域将边界单元块BUB分类为平屋顶单元块FB和非平屋顶单元块N-FB(S200)。
组合块生成部130合并内部单元块IUB以生成组合块CB(S300)。这里，如图3b所示，组合块生成部130可以合并内部单元块IUB，使得组合块CB的边界部分具有信任结构。
平屋顶点辨别部140辨别组合块CB中的平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5(S400)。平屋顶点辨别部140将平屋顶单元块的最低点的下端处的不具有填充形状的点确定为平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5。
组合块划分部150划分包括平屋顶点的组合块CB的一部分(S500)。这里，组合块划分部150通过使用相对于平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5中的每一个的彼此正交的三个平面来虚拟地划分组合块CB。以及组合块划分部150在被虚拟地划分的部分中搜索具有最小横截面积的平面。然后，组合块划分部150通过使用在具有最小横截面积的平面当中具有最大横截面积的平面来实际地划分组合块CB。以及组合块划分部150通过重复组合块CB的虚拟划分过程和实际划分过程，直到所有平屋顶点F1、F2、F3、F4和F5被移除为止，来搜索最小填充形状，即填充形状I。
填充形状确定部160将由组合块划分部150所划分的每一个块的边界表面(切割面或接触面)确定为填充形状I(由粗黑线指示)，并在输出期间将打印材料输出到填充形状I(由粗黑线指示)(S600)。由于已确定的填充形状I具有包括平屋顶的最小面积，所以在3D打印期间只可以使用最小的材料来支撑平屋顶，从而可以减少制造时间。
根据本发明，通过在3D打印期间仅在被设置为填充区域的一些区域的堆叠可能性的形状中使用树脂材料，而不利用树脂材料填充整个输出的里面，可以减少材料和制造时间。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的上述示例实施例进行各种修改。因此，本发明旨在涵盖所有这样的修改，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (12)

1.一种用于3D打印机的输出的填充设备，包括：
单元块生成部，其通过使用彼此正交的三个平面来对3D模型进行切片以生成单元块；
单元块分类部，其将所述单元块根据其位置分类为边界单元块和内部单元块，并根据是否包括了平屋顶区域而将所述边界单元块分类为平屋顶单元块和非平屋顶单元块；
组合块生成部，其合并所述内部单元块并生成组合块；
平屋顶点辨别部，其辨别所述组合块中的平屋顶点；
组合块划分部，其将包括所述平屋顶点的组合块的部分进行划分；以及
填充形状确定部，其将由所述组合块划分部划分出的组合块的被划分表面确定为填充形状，并且在输出期间将打印材料输出到所述填充形状。
2.根据权利要求1所述的填充设备，其中所述单元块生成部使彼此正交的三个垂直平面倾斜，使得所述单元块的每一个表面相对于堆叠方向的角度为45度或以上。
3.根据权利要求1所述的填充设备，其中所述组合块生成部基本上合并所述内部单元块，使得所述边界单元块和所述内部单元块之间的边界根据在合并过程中是否包括所述非平屋顶单元而具有信任结构。
4.根据权利要求1所述的填充设备，其中所述平屋顶点辨别部将在所述平屋顶单元块中的每一个的最低点的下端处不具有填充形状的点确定为平屋顶点。
5.根据权利要求1所述的填充设备，其中所述组合块划分部通过使用相对于所述平屋顶点彼此正交的三个平面来虚拟地划分所述组合块、在包括平屋顶点的被虚拟地划分的部分当中搜索具有最小横截面积的平面、并且通过使用在所述平屋顶点中的每一个处的具有最小横截面积的平面当中具有最大横截面积的平面来实际地划分所述组合块。
6.根据权利要求5所述的填充设备，其中所述组合块划分部重复虚拟划分过程和实际划分过程直到所述平屋顶点被移除为止。
7.一种用于3D打印机的输出的填充方法，包括：
单元块生成步骤，其通过使用彼此正交的三个平面来对3D模型进行切片以生成单元块；
单元块分类步骤，其将所述单元块根据其位置分类为边界单元块和内部单元块，并根据是否包括了平屋顶区域而将所述边界单元块分类为平屋顶单元块和非平屋顶单元块；
组合块生成步骤，其合并所述内部单元块并生成组合块；
平屋顶点辨别步骤，其辨别所述组合块中的平屋顶点；
组合块划分步骤，其将包括所述平屋顶点的组合块的部分进行划分；以及
填充形状确定步骤，其将由所述组合块划分部划分出的组合块的被划分表面确定为填充形状，并且在输出期间将打印材料输出到所述填充形状。
8.根据权利要求7所述的填充方法，其中所述单元块生成步骤使彼此正交的三个垂直平面倾斜，使得所述单元块的每一个表面相对于堆叠方向的角度为45度或以上。
9.根据权利要求7所述的填充方法，其中所述组合块生成步骤基本上合并所述内部单元块，使得所述边界单元块和所述内部单元块之间的边界根据在合并过程中是否包括所述非平屋顶单元而具有信任结构。
10.根据权利要求7所述的填充方法，其中所述平屋顶点辨别步骤将在所述平屋顶单元块中的每一个的最低点的下端处不具有填充形状的点确定为平屋顶点。
11.根据权利要求7所述的填充方法，其中所述组合块划分步骤通过使用相对于所述平屋顶点彼此正交的三个平面来虚拟地划分所述组合块、在包括平屋顶点的被虚拟地划分的部分当中搜索具有最小横截面积的平面、并且通过使用在所述平屋顶点中的每一个处的具有最小横截面积的平面当中具有最大横截面积的平面来实际地划分所述组合块。
12.根据权利要求11所述的填充方法，其中所述组合块划分操作重复虚拟划分过程和实际划分过程直到所述平屋顶点被移除为止。
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