CN108327253B - 光固化型三维打印方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光固化型三维打印方法和设备。该光固化型三维打印方法包括以下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。

Description

光固化型三维打印方法和设备
技术领域
本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及光固化型三维打印方法和设备。
背景技术
三维打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，三维打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成各种形状复杂的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
目前三维打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光固化树脂被紫外光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。
图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。这一三维打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的成像系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。
然而，光固化树脂在固化过程会有一定的收缩，收缩率一般在2-8％，其产生的收缩应力对周围的光固化树脂产生作用力。这种作用力存在于三维工件的每一层的各个位置的树脂之间，也存在于各层树脂之间。当大面积树脂一并固化时，这种应力会十分显著，从而导致固化后树脂出现翘曲、变形。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化型三维打印方法和设备，可以改善光固化树脂翘曲、变形的问题。
本发明提出一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。
在本发明的一实施例中，上述方法还包括在内部区域未被曝光的层中，曝光形成多个支撑柱。
在本发明的一实施例中，该曝光过程包括：将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；通过第一次曝光步骤曝光该第一图案；以及通过第二次曝光步骤曝光该第二图案。
在本发明的一实施例中，该曝光过程包括：将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；仅曝光该第一图案而不曝光该第二图案。
在本发明的一实施例中，该三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。
在本发明的一实施例中，该位移是随机的。
在本发明的一实施例中，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。
在本发明的一实施例中，每一方格的一维尺寸为2-20个像素。
在本发明的一实施例中，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。
在本发明的一实施例中，该第一次曝光步骤与该第二次曝光步骤的时间部分重叠。
在本发明的一实施例中，该第一次曝光步骤与该第二次曝光步骤的时间不重叠。
在本发明的一实施例中，每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。
在本发明的一实施例中，上述方法还包括：赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；以及以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域。
在本发明的一实施例中，该第二曝光强度不超过该第一曝光强度的66％。
在本发明的一实施例中，该裸露区域包括上壳、侧缘和/或底壳。
在本发明的一实施例中，该裸露区域的法向厚度为1-5像素。
在本发明的一实施例中，对该三维数据模型从底层开始的数层，统一赋予该第一曝光强度。
在本发明的一实施例中，上述方法还包括：对该三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；在各岛型区域与该底壳区域之间划定分隔区域；在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域，在第二时期曝光各分隔区域，该第一时期早于该第二时期。
在本发明的一实施例中，该第二时期的至少一部分和该第一时期重叠。
在本发明的一实施例中，该第二时期和该第一时期不重叠。
在本发明的一实施例中，对该三维数据模型从底层开始的数层，同时曝光整层。
本发明提出一种光固化型三维打印设备，包括存储器和处理器。存储器储存计算机可读指令。处理器执行该计算机可读指令以实施下述步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；以及对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。
本发明还提出一种光固化型三维打印设备，包括用于获得打印对象的三维数据模型的模块；用于将该三维数据模型划分为多层的模块；用于对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域的模块；用于对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程的模块。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过在打印的垂直方向间隔地进行曝光，可以使得每层在曝光过程中的收缩对其他层的影响较小。
同时，本发明将大面积区域在水平方向分区域曝光，每次曝光时对互不相邻的小区域进行曝光，显著降低了大面积区域曝光固化时的收缩累积。
再者，区分三维数据模型的裸露区域和内部区域，并用不同的曝光强度曝光，可以使得内部区域的曝光强度低于裸露区域。如此一来，裸露区域区域强度大大高于内部区域，造成变形的主要来源——内部实体区域的收缩量显著降低，温升减少，使得三维模型的翘曲、变形问题得到改善。
另外，通过识别那些大面积底壳区域以及已成型的支持部连接的岛型区域，在二者间划定分隔区域。在曝光时先曝光其它区域，再曝光分隔区域，从而尽量减小大面积区域整体曝光时的收缩对支持部造成的牵拉应力问题。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。
图2示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
图3A根据本发明一实施例的三维数据模型。
图3B示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图。
图4A示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图4B示出根据本发明另一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图5A-5D示出根据本发明一实施例的间隔多层打印示意图。
图5E示出根据本发明一实施例的具有支撑柱的打印结构示意图。
图6示出本发明一较佳实施例的内部区域曝光过程。
图7示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。
图8A和图8B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。
图9示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
图10A和图10B示出本发明另一较佳实施例的内部区域曝光过程。
图11示出本发明另一较佳实施例的内部区域曝光过程。
图12示出本发明另一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
图13示出本发明又一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
图14A、14B示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图15示出本发明再一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
具体实施方式
本发明的实施例描述一种光固化型三维打印方法，可以降低光固化树脂在大面积固化时产生的内应力，从而改善了打印工件翘曲和变形的程度。
图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。这一3D打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层光固化树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光固化树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。
图像曝光系统120可以照射光束图像至光固化树脂，形成所需的曝光图案。图像曝光系统120可以使用能够形成光束图像的各种已知技术。
举例来说，在一个实施例中，图像曝光系统120可以使用数字光处理(DigitalLight Procession,DLP)投影技术。DLP投影成像技术是使用数字微镜元件(DigitalMicromirror Device,DMD)控制对光的反射来实现的。数字微镜元件可视为一镜面。这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。
在另一个实施例中，图像曝光系统120还可以使用液晶(LCD)投影技术。液晶面板中包含了许多像素，每个像素可以单独控制偏振光的偏振方向，配合液晶面板两侧的偏振光滤光器可控制某一像素的光线是否通过，因此经过液晶面板系统的光束是图像化的。
光固化型3D打印设备100输入的是打印对象的三维数据模型，再将三维数据模型分解成许多二维图像，将这些图像发送给图像曝光系统120后，由后者进行投影。
对任何成型物体的打印对象，都可以认为是由一个裸露表面覆盖的一个内部实体构成。这里实体占据了打印对象的绝大部分空间。变形由材料体积收缩内应力引起，内应力由三部分造成，反应放热的热应力、层间横向收缩力和当前层固化收缩对下层已固化模型的拉伸应力。当前层曝光光线透射到下层已固化模型上，会使下层模型进一步收缩。根据这些收缩原理，可以减弱实体曝光强度，减少实体放热；或者通过水平分割，将大面积实体，分成棋盘格、井字、岛型体，减少横向收缩产生的变形；通过垂直分割，可以减弱上下层的链接强度，减弱当前层固化收缩对下层已固化模型的拉伸，通过垂直分割，也可以减弱当前层曝光光线透射到下层已固化模型上的光强。下面分别描述本发明的各个方面的特点。
根据本发明的实施例，对三维数据模型进行区域识别所需的预处理后，再发送给图像曝光系统120，从而让图像曝光系统120进行曝光。
图2示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图2所示，方法包括如下步骤：
在步骤201，获得打印对象的三维数据模型；
在步骤202，将三维数据模型划分为多层；
在步骤203，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
在步骤204，对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。
图3A示出根据本发明一实施例的三维数据模型。参考图3A所示，三维数据模型300是一个房屋模型，具有基础301、多个柱子302和屋顶303。图3A示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图，如图3B所示，步骤202是将例如三维数据模型300分为多个层310、320、330、……、560。每个层用于在3D打印时进行一次树脂固化，生成一层光固化树脂。固化的顺序例如是从310开始，依次为320、330、直至560。每个层的二维平面可以包含几百个像素，甚至几万个像素。
图4A示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。参考图4A所示，步骤203是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490，识别出其裸露区域311和内部区域312。裸露区域，顾名思义是在成型的工件中不被覆盖的区域。裸露区域可包括上壳、侧缘和底壳。以图4A所示来说，由于层490之下仅有4个柱子302(图4A中示出2个)支撑，裸露区域311为柱子之外的底壳(图中斜线阴影)。内部区域是被覆盖的区域。例如，内部区域312底面被其支撑部分覆盖，两侧被裸露区域311覆盖，表面被其它内部区域覆盖。
层500到560的区域识别以此类推，在此不再展开。图4A中示出这些层被识别出的裸露区域，以斜线阴影表示。裸露区域可在其法向设定一个厚度，例如为1-5像素。参考图4B所示，裸露区域321从层490贯穿到层500。
如前述步骤204，对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。图5A-5D示出根据本发明一实施例的间隔多层打印示意图。首先参考图5A，对层490的裸露区域(斜线阴影区域)321进行曝光，且对实体区域312(点阴影区域)进行曝光，接着参考图5B，对层500的裸露区域(斜线阴影区域)321进行曝光，但不对实体区域312进行曝光，然后参考图5C，同样是对层510的裸露区域(斜线阴影区域)321进行曝光，但不对实体区域312进行曝光，再者参考图5D，对层520的裸露区域(斜线阴影区域)进行曝光，且对实体区域(点阴影区域)进行曝光。这样，间隔两层进行一个曝光过程，可以阻断各层树脂之间因为收缩产生的影响。例如层500未经曝光，不会对层490产生收缩的作用力，而层520曝光所产生的收缩作用力作用在未曝光的层510上，不会使层510跟着收缩，也不会把收缩作用力传递到层490。光固化树脂的固化是一个梯度，面对光的面固化强度高，另一面的强度低。在实施时，间隔的层的数量可以根据树脂固化深度调整。举例来说，对于层厚0.1mm来说，如果树脂固化深度是0.3mm，那么可以间隔2层。这样在和已固化模型的接触区域既不是完全液体，也不是完全固体，工件既有一定强度，层间又可以滑动，上层对下层的影响会很小。。
较佳地，在实体区域未曝光的层中并不是完全没有曝光，而是可以通过局部曝光，形成一些支撑柱313，如图5E所示。这样，可以提高该层的强度，保证上下两层有一定连接。
对于体积较大的工件来说，即使是单层的大面积的曝光会有收缩和发热的问题，因此在本发明的较佳实施例中，进一步引入单层的分区曝光的技术。
图6示出本发明较佳实施例的内部区域曝光过程。参考图6所示，该过程包括如下步骤：
在步骤601，将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
在步骤602，通过第一次曝光步骤曝光第一图案；以及
在步骤603，通过第二次曝光步骤曝光第二图案。
图7示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。参考图7所示，本实施例的第一图案71和第二图案72为棋盘格70中对角的方格。第一图案71和第二图案72是互补的，各由互不连接的等大小方格组成。在此，方格的大小可以自行定义，方格大小在2-20像素效果较好。
图8A和图8B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。参考图8A和图8B所示，第一次曝光步骤先曝光第一图案71，第二次曝光步骤是再曝光第二图案72，当然顺序可以相反。不考虑层间影响的话，第一次曝光由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二次曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但总体有改善。
图9示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图9所示，本实施例图案90中第一图案91为被井字形条纹隔开的方格，第二图案92为井字形条纹。在此，方格可定义为10-50像素，井字条纹以2-10像素为佳。
图10A和图10B示出根据本发明另一实施例的分区曝光示意图。参考图10A和图10B所示，第一次曝光步骤先曝光第一图案91，第二次曝光步骤再曝光第二图案92。不考虑层间影响的话，第一次曝光方格，由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二次曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但井字形条纹相对方格很小，这一影响可以忽略。
在步骤602和603中，设备可以控制图像曝光系统120进行第一次和第二次曝光。在此，第一次和第二次曝光的时间可以是部分重叠的，也可以是完全不重叠的。
图11示出本发明另一较佳实施例的内部区域曝光过程。参考图11所示，该过程包括如下步骤：
在步骤1101，将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
在步骤1102，仅通过曝光步骤曝光第一图案而不曝光第二图案。
这一实施例在进行了曝光过程的实体区域的层，进一步设置了不曝光的区域，从而更大的程度地减少实体区域收缩的相互影响。这一实施例希望将第二图案的尺寸控制得比第一图案小，从而不显著降低实体区域的强度。与这一实施例配合较好的第一图案和第二图案的组合，是图9所示的组合。
在前文的各实施例中，三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。这一位移可以是随机的，从而可以将未曝光区域连起来。在替代实施例中，三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间也可以不移位，这样方格完全不连接。不过，对于井字线和方格配合的例子中，只要井字线条足够细，实际方格间也会有弱连接。
进一步，根据本发明的实施例，可以对打印对象的裸露区域和内部区域实施不同的曝光强度，具体来说，内部区域的曝光强度弱于裸露区域的曝光强度。由于内部实体占了打印工件的绝大多数体积，因此可以大大降低总体发热和收缩情况。
图12示出本发明另一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图12所示，方法包括如下步骤：
在步骤1201，获得打印对象的三维数据模型。
在步骤1202，将三维数据模型划分为多层。
在步骤1203，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域。
在步骤1204，赋予裸露区域第一曝光强度，赋予内部区域第二曝光强度。
在步骤1205，对各层的裸露区域，每层都进行曝光，且以第一曝光强度曝光裸露区域。
在步骤1206，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程，且以第二曝光强度曝光内部区域。
在步骤1204中赋予裸露区域的第一曝光强度和赋予内部区域的第二曝光强度，可以通过设置对各层数据所转换的图像的亮度来实现，也可采用不同的曝光时间来实现，或同时采用不同亮度和时间来实现。在此，第一曝光强度大于第二曝光强度。也就是说，裸露区域的曝光强度会大于内部区域的曝光强度。较佳地，第二曝光强度不超过第一曝光强度的66％。
不过，为了维持整个打印工件的强度以及和平台130的可靠连接，对三维数据模型300从底层开始的数层，统一赋予更高的第一曝光强度。
在步骤1205和1206中，设备可以控制图像曝光系统120以第一曝光强度曝光裸露区域，且以第二曝光强度曝光内部区域。
许多三维模型例如建筑和镂空雕塑都具有复杂的结构。在这些三维模型中，各种支持部，尤其是细小支持部对模型的精度有显著的影像。然而用于支持大面积底壳的支持部很容易受到大面积底壳在曝光时的收缩而变形。根据本发明的较佳实施例，将大面积底壳的不同区域在不同的时期进行曝光，从而显著减小大面积底壳在曝光时的收缩程度。
图13示出本发明又一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图13所示，方法包括如下步骤：
在步骤1301，获得打印对象的三维模型数据。
在步骤1302，将三维数据模型划分为多层。
在步骤1303，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域。
在步骤1304，对三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域。
在步骤1305，在各岛型区域与底壳区域之间划定分隔区域。
在步骤1306，对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。
在步骤1307，在曝光各岛型区域与底壳区域时，在第一曝光时期曝光各分隔区域以外的区域，在第二曝光时期曝光各分隔区域，第一曝光周期早于第二曝光时期且二者不重叠。
步骤1301、1302、1303、1306的细节可参考之前的实施例，在此不再展开。
图14A、14B示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。首先参考图14A所示，步骤1304是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490和500中识别底壳区域314和岛型区域312。底壳区域314是各层490、500中作为三维数据模型300的底壳的区域。这一区域是裸露在三维数据模型300下表面的。底壳区域314的法向厚度例如为1-5层，图中示出2层。底壳区域314的尺寸需要达到一阈值。例如底壳区域314的面积需要达到阈值S。当然，还可以规定底壳区域314的某一个方向的尺寸需要达到某一阈值。岛型区域312是用于支撑底壳区域314的支持部(在本实施例中为四个柱子302)在底壳区域所在层占据的区域。岛型区域312与其对应的支持部连接。每个底壳区域314可由对应的支持部支撑(图中示出4个柱子中的2个)，因而岛型区域312也会有一个或者多个。各个支持部可以位于三维模型300的边缘，也可以位于三维模型300的非边缘。
在识别一个层的底壳区域314和岛型区域312时，可将该层与其前一层比较，该层中未被前一层遮挡的部分为底壳区域，当这一区域的尺寸达到阈值时即为步骤1304所要识别的结果。另外，被该底壳区域所侧向包围的区域为岛型区域，意味着该区域与前一层的支持部连接。
可以理解，底壳区域与裸露区域是有部分重叠的，而岛型区域与内部区域也可以有重叠。
继续参考图14B所示，在步骤1305，在各岛型区域312与底壳区域314之间划定分隔区域313。分隔区域313用于将各岛型区域312与底壳区域314隔开。分隔区域313的宽度例如是2-10个像素。分隔区域313可以是全部分割自底壳区域314。这样，底壳区域314相应缩小了。或者，分隔区域316可以是部分分割自各岛型区域312，而部分分割自底壳区域314。这样，底壳区域314和各岛型区域312相应缩小了。
如步骤1307，在曝光各岛型区域312与底壳区域314时，先在第一曝光时期曝光各分隔区域313以外的区域，包括底壳区域314和岛型区域312(图14B中斜线阴影和点阴影部分)，然后在第二曝光时期曝光各分隔区域313。也就是说，第一曝光时期早于第二曝光时期。
在步骤1307中，设备可以控制图像曝光系统120在曝光各岛型区域与该底壳区域时，在第一曝光时期曝光各分隔区域以外的区域，在第二曝光时期曝光各分隔区域，该第一曝光时期早于该第二曝光时期。
在本实施例中，由于在第一曝光时期所曝光的底壳区域314和岛型区域312已经分离，因此大面积的底壳区域314的收缩不会影响到各岛型区域312，从而也就不会影响前一层中与本层的岛型区域312连接的支持部。相比之下，在第二曝光时期，分隔区域313的尺寸很小，其收缩对支持部的影响很小。
上文描述的曝光过程仅涉及大面积底壳区域314和被其包围的岛型区域312，本层的其他区域可以按照已有或者其他方式进行。例如，其他区域可以在第一曝光时期曝光，或者在第二曝光时期曝光，或者同时在第一曝光周期曝光和第二曝光周期曝光并辅以合适的曝光强度控制。
在本实施例中，第一曝光时期和第二曝光时期完全不重叠，即第一曝光时期结束后，第二曝光时期才开始。
另外，考虑到连接强度以及模型和平台131的可靠连接，在三维模型300开始的数层的曝光中，可以不使用本实施例的方法。也就是说，各层可以在同一曝光周期整体曝光。
图15示出本发明再一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图15所示，方法包括如下步骤：
在步骤1501，获得打印对象的三维模型数据。
在步骤1502，将三维数据模型划分为多层。
在步骤1503，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域。
在步骤1504，对三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域。
在步骤1505，在各岛型区域与底壳区域之间划定分隔区域。
在步骤1506，对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。
在步骤1507，在曝光各岛型区域与底壳区域时，在第一曝光时期曝光各分隔区域以外的区域，在第二曝光时期曝光各分隔区域，第一曝光周期早于第二曝光时期且二者部分重叠。
步骤1301、1302、1303、1306的细节可参考之前的实施例，在此不再展开。
图14A、14B示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。首先参考图14所示，步骤1504是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490和500中识别底壳区域314和岛型区域312。底壳区域314是各层490、500中作为三维数据模型300的底壳的区域。这一区域是裸露在三维数据模型300下表面的。底壳区域314的法向厚度例如为1-5层，图中示出2层。底壳区域314的尺寸需要达到一阈值。例如底壳区域314的面积需要达到阈值S。当然，还可以规定底壳区域314的某一个方向的尺寸需要达到某一阈值。岛型区域312是用于支撑底壳区域314的支持部(在本实施例中为四个柱子302)在底壳区域所在层占据的区域。岛型区域312与其对应的支持部连接。每个底壳区域314可由对应的支持部支撑(图中示出4个柱子中的2个)，因而岛型区域312也会有一个或者多个。各个支持部可以位于三维模型300的边缘，也可以位于三维模型300的非边缘。
在识别一个层的底壳区域314和岛型区域312时，可将该层与其前一层比较，该层中未被前一层遮挡的部分为底壳区域，当这一区域的尺寸达到阈值时即为步骤1504所要识别的结果。另外，被该底壳区域所侧向包围的区域为岛型区域，意味着该区域与前一层的支持部连接。
继续参考图14B所示，在步骤1505，在各岛型区域312与底壳区域314之间划定分隔区域313。分隔区域313用于将各岛型区域312与底壳区域314隔开。分隔区域313的宽度例如是2-10个像素。分隔区域313可以是全部来自底壳区域314。这样，底壳区域314相应缩小了。或者，分隔区域313可以是部分分割自各岛型区域312，而部分分割自底壳区域314。这样，底壳区域314和各岛型区域312相应缩小了。
在步骤1507中，设备可以控制图像曝光系统120进行曝光。
在本实施例中，由于在第一曝光时期所曝光的底壳区域314和岛型区域312已经分离，因此大面积的底壳区域314的收缩不会影响到各岛型区域312，从而也就不会影响前一层中与本层的岛型区域312连接的支持部。在第二曝光时期，分隔区域31的尺寸很小，和312同时曝光的314和312由于已经经过曝光和收缩，在增加曝光强度的过程中，其收缩量也已经很小，其收缩对支持部的影响很小。
在本实施例中，第一曝光时期和第二曝光时期是部分重叠，即第一曝光时期结束前，第二曝光时期已经开始。甚至，第一曝光时期持续到第二曝光时期结束。在这一过程中，先在第一曝光时期曝光各分隔区域313以外的区域，包括底壳区域314(图4B中斜线阴影部分)和岛型区域312(图14B中点阴影部分)；当第一曝光时期持续一定时间(例如一半)时，开始第二曝光时期，曝光分隔区域3163图14B中空白部分)；最后，第一曝光时期和第二曝光时期一起结束。
上文描述的曝光过程仅涉及大面积底壳区域314和被其包围的岛型区域312，本层的其他区域可以按照已有或者其他方式进行。例如，其他区域可以在第一曝光时期曝光，或者在第二曝光时期曝光，或者同时在第一曝光时期曝光和第二曝光时期曝光并辅以合适的曝光强度控制。
另外，考虑到连接强度，在三维模型300开始的数层的曝光中，可以不使用本实施例的方法。
回到图1所示，光固化型三维打印设备100中可以包括计算机，以执行所涉及的方法、步骤。计算机可包括存储器和处理器。存储器储存计算机可读指令。处理器，执行该计算机可读指令以实施下述步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程。这样，计算机可以控制图像曝光系统120进行所需的曝光。
从另一角度看，本发明提出一种光固化型三维打印设备，包括：用于获得打印对象的三维数据模型的模块；用于将该三维数据模型划分为多层的模块；用于对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域的模块；用于对各层的裸露区域，每层都进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程的模块。
本发明的上述实施例通过在打印的垂直方向间隔地进行曝光，可以使得每层在曝光过程中的收缩对其他层的影响较小。
同时，本发明将大面积区域在水平方向分区域曝光，每次曝光时对互不相邻的小区域进行曝光，显著降低了大面积区域曝光固化时的收缩累积。
再者，区分三维数据模型的裸露区域和内部区域，并用不同的曝光强度曝光，可以使得内部区域的曝光强度低于裸露区域。如此一来，裸露区域区域强度大大高于内部区域，造成变形的主要来源——内部实体区域的收缩量显著降低，温升减少，使得三维模型的翘曲、变形问题得到改善。
另外，通过识别那些大面积底壳区域以及已成型的支持部连接的岛型区域，在二者间划定分隔区域。在曝光时先曝光其它区域，再曝光分隔区域，从而尽量减小大面积区域整体曝光时的收缩对支持部造成的牵拉应力问题。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (22)

1.一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：
获得打印对象的三维数据模型；
将该三维数据模型划分为多层；
对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
对各层的裸露区域，每层都照射光束图像进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程，其中在内部区域未进行曝光过程的层完全未被曝光。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该曝光过程包括：
将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
通过第一次曝光步骤曝光该第一图案；以及
通过第二次曝光步骤曝光该第二图案。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其特征在于，该曝光过程包括：
将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
仅曝光该第一图案而不曝光该第二图案。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，该三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该位移是随机的。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，每一方格的一维尺寸为2-20个像素。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。
10.如权利要求2或8所述的方法，其特征在于，该第一次曝光步骤与该第二次曝光步骤的时间部分重叠。
11.权利要求2或8所述的方法，其特征在于，该第一次曝光步骤与该第二次曝光步骤的时间不重叠。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其特征在于，还包括：
赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；以及
以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该第二曝光强度不超过该第一曝光强度的66％。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该裸露区域包括上壳、侧缘和/或底壳。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该裸露区域的法向厚度为1-5像素。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对该三维数据模型从底层开始的数层，统一赋予该第一曝光强度。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对该三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；
在各岛型区域与该底壳区域之间划定分隔区域；
在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域，在第二时期曝光各分隔区域，该第一时期早于该第二时期。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该第二时期的至少一部分和该第一时期重叠。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该第二时期和该第一时期不重叠。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，对该三维数据模型从底层开始的数层，同时曝光整层。
21.一种光固化型三维打印设备，包括：
存储器，储存计算机可读指令；
处理器，执行该计算机可读指令以实施下述步骤：
获得打印对象的三维数据模型；
将该三维数据模型划分为多层；
对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
对各层的裸露区域，每层都照射光束图像进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程，其中在内部区域未进行曝光过程的层完全未被曝光。
22.一种光固化型三维打印设备，包括：
用于获得打印对象的三维数据模型的模块；
用于将该三维数据模型划分为多层的模块；
用于对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域的模块；
用于对各层的裸露区域，每层都照射光束图像进行曝光，对各层的内部区域，间隔多层进行一个曝光过程的模块，其中在内部区域未进行曝光过程的层完全未被曝光。
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