CN108495741A

CN108495741A - 打印设备

Info

Publication number: CN108495741A
Application number: CN201680079716.2A
Authority: CN
Inventors: D·乔治; C·帕特尔; L·赵; M·R·T·谭
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: US20180281278A1; EP3344443B1; WO2017127061A1; EP3344443A4; CN108495741B; US11850791B2; EP3344443A1

Abstract

在一个示例中，描述了用于打印三维物体的设备。该设备可以包括：至少一个材料施加单元，用于沉积用于三维物体的体素的至少一种材料；竖直腔表面发射激光器阵列，包括多个竖直腔表面发射激光器，所述多个竖直腔表面发射激光器包括以第一波长操作的第一竖直腔表面发射激光器和以第二波长操作的第二竖直腔表面发射激光器；以及处理器，用于控制经由至少一个材料施加单元沉积用于体素的至少一种材料，并且用于控制经由多个竖直腔表面发射激光器中的至少一个向体素施加电磁能量以改变至少一种材料的至少一种性质。

Description

打印设备

背景技术

在增材制造技术或三维打印中，根据选择性添加材料而不是通过模制或通过减材加工(其中通过切割和磨削来移除材料)来构建物体。用于三维打印的候选包括机器、原型、消费者和工业产品的功能和美学组件，其在短期内生产、定制或可能是独一无二的。

附图说明

图1图示了本公开的示例打印设备的简化图；

图2图示了通过本公开的打印设备打印或制造三维物体的一个示例的等距视图；

图3图示了用于打印三维物体的本公开的示例方法的流程图；

图4图示了用于生成用于渲染三维物体的指令的本公开的示例方法的附加流程图；以及

图5描绘了可以变换成能够执行本文描述的功能的机器的示例计算机的高级框图。

具体实施方式

在另一个示例中，描述了打印三维物体的方法。该方法可以包括：打印设备接收用于打印三维物体的指令，所述指令包括用于三维物体的体素的至少一种材料、以及向体素施加的至少第一波长的至少第一强度的电磁能量；经由至少一个材料施加单元沉积用于体素的至少一种材料；以及经由多个竖直腔表面发射激光器中的至少第一竖直腔表面发射激光器将至少第一强度和至少第一波长的电磁能量施加到用于体素的至少一种材料以改变用于体素的至少一种材料的至少一种性质，其中多个竖直腔表面发射激光器包括以第二波长发射电磁能量的至少第二竖直腔表面发射激光器。

在另一个示例中，描述了存储用于处理器的指令的非暂时性计算机可读介质。例如，非暂时性计算机可读介质可以存储指令，所述指令在由处理器执行时使得处理器：接收用于渲染三维物体的参数，所述参数包括三维物体的第一区域的至少一种性质、以及三维物体的第二区域的至少一种性质，所述第一区域包括至少第一体素并且所述第二区域包括至少第二体素；基于第一区域的至少一种性质并基于用于第一体素的至少一种材料来计算经由打印设备的多个竖直腔表面发射激光器向至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长；基于第二区域的至少一种性质并基于用于第二体素的至少一种材料来计算经由多个竖直腔表面发射激光器向至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长；以及生成用于渲染三维物体的指令，所述指令包括向至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长、以及向至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长。

如本文所提到的，打印设备可以包括例如基于喷射分配的、用于打印或制造三维物体的增材制造设备。如本文所提到的，体素或体积像素包括可以用于创建更大的三维物体的最小三维单元。例如，在本公开的一个示例中，第一体素的中心与相邻体素的中心之间的距离可以是约20微米或更小。在一个示例中，该距离可以是10微米或更小。

在本公开的一个示例中，打印设备可以包括竖直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列，以当由打印设备添加每个层时在强度和持续时间的不同级别上向三维物体的每个层的每个体素上施加特定波长或波长组合的电磁能量(例如从红外到紫外)。尽管通常照明的目标是物体的通常一致的材料性质，但受控的VCSEL照明提供了创建有意的不均匀性的机会，从而导致能够在单个三维打印物体中创建具有不同物理性质的一个或多个体素的不同区域。例如，通过使由VCSEL阵列施加的电磁能量的特性变化，可以精确地操纵变换的类型和程度以及对每个体素处的材料的结果所得的改变，从而导致能够将各种材料状态设计到三维打印物体内的小的或复杂形状的局部体积中。对由VCSEL阵列施加的电磁能量的波长、持续时间和强度的体素级别控制也可以与其他技术(诸如局部沉积试剂材料或功能试剂)相结合，以扩展针对每个体素可以有目的和有意操纵的性质的范围。例如，化学驱动的改变、电磁能量驱动的改变、以及两者的组合和相互关系可用于在体素级别实现可区分特性。受影响的特性可以包括材料或物理性质、或可见性质，诸如：纹理、孔隙度、刚性、柔韧性、弹性、强力度、半透明度、不透明度、反射率、强度、导电性和色度。

从体素到体素的可变处理可以用于产生跨体积的材料改变的精细渐变、沿着三维物体的体积内的确定边界的突然改变、或体积内的其他图案。例如，其中施加第一波长的电磁能量和其中施加第二不同波长的电磁能量的重复线的某种图案可以用于创建具有一定柔韧性的物体的区域，而将相同波长和强度的电磁能量均匀施加到区域中的所有体素可以产生更刚性或更柔韧的区域。也可以施加来自VCSEL的不同波长和强度的电磁能量以创建视觉图案，诸如具有更大反射率、不透明度等的区域。此外，可以通过由VCSEL差别施加电磁能量来创建锯齿状线、角、形状内的形状等。例如，可以创建在中心处具有更刚性框架的软柔韧物体。在另一个示例中，不透明中心可以被半透明外部区域包围。可以通过本公开的示例提供相同或类似本性的其他图案和设计。

此外，在通常照明的情况下，试剂材料可能被低效地利用于计及对宽频谱的波长的响应。相比而言，本公开的示例可以从由VCSEL阵列提供的一组波长中选择电磁能量的一个或多个波长，其中可以调整所选择的(多个)波长以优化一种或多种试剂材料的有效性。例如，体素可以从诸如尼龙或其他热塑性塑料的基底材料(其可以包括一种或多种基础或组分材料)创建。例如，基底可以包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯化合物或聚氨酯。还可以施加试剂材料，诸如着色剂染料、用于边缘效应的染料、交联剂、光引发剂等。例如，用作催化剂或促进剂的一些试剂材料有助于在被暴露于红外或紫外辐射时以某种形式固定基底材料。虽然一些试剂材料可以在广频谱的波长或与单个固定能量源(诸如卤素灯或红外灯)相关联的那些波长之上如所预期的那样表现，但至少一部分的试剂材料可以在较窄波段内或在与这样的固定能量源不关联的特定波长处最佳或最高效地工作。因此，根据本公开，可以选择特定波长的电磁能量以用于由在打印设备中可用的VCSEL的施加，其可以针对可以使用的特定类型的试剂材料和要创建的三维物体的一个或多个体素或区域的期望性质而定做，由此大大地扩展了可用于化学家或被用于操纵物体的性质的打印机的化学物质和试剂的范围。在体素级别控制的情况下，还可以调节从VCSEL阵列施加的电磁能量的不同波长、强度和持续时间的应用，以补偿边缘效应和其他问题，诸如会以其他方式在通常照明下造成不均匀结果的周围材料的反射率或能量吸收。

在一个示例中，VCSEL阵列或条被安装到载体，其可以横穿打印设备的工作区域的表面或者可以跨工作区域的表面延伸。在一个示例中，VCSEL阵列可以具有受控竖直行进系统，使得VCSEL与三维物体的被照明表面之间的小的且良好限定的距离被维持。例如，距离可以通过VCSEL的焦深来确定，其中在打印设备中逐层构建物体时，所述距离保持恒定。VCSEL阵列可以包括具有静态或可调节波长的电磁能量发射的一种或多种类型的VCSEL。由VCSEL提供的波长越多，可用于控制物体的体素或区域的结果所得性质的附加变量的数量越大，并且可实现的不同结果所得性质的数量越大。VCSEL阵列中的VCSEL可以使用VCSEL控制器或电路来单独地或成组地控制。VCSEL的分辨率可以确定可用的可区分照明的最小区域。在一个示例中，VCSEL的分辨率可以与打印设备的材料分辨率相匹配或超过打印设备的材料分辨率。例如，材料分辨率可以包括大约20微米的最小可递增添加的三维单元(例如，体素大小)，而VCSEL分辨率可以是约10微米。

在一个示例中，可以通过矢量来描述单独体素的性质或处理。例如，矢量分量可以包括可用于混合的特定类型的基底材料的量、要添加的功能试剂的量、或其他因素。此外，电磁能量的波长可以是附加的矢量分量，其中，对于每个波长，辐射的强度可以包括与波长相关联的矢量分量的量值。替代地或此外，所选波长的电磁能量的施加的持续时间可以包括另外的矢量分量。矢量分量可以被转换成指令，以使各种VCSEL被激活以同时或按顺序地向体素以各种强度和持续时间施加各种波长的电磁能量，以实现不同的效果。例如，改变经由VCSEL阵列施加的辐射特性可能影响纹理、刚性、柔性、环境应力下的耐久性、外观、强力度、以及针对体素或体素区域沉积的(多种)物理材料的其他品质。例如，在一个示例中，紫外(UV)辐射可以用于固化，而红外(IR)辐射可以用于加热或熔融，可见光可以用于其他目的等等。因此，与其说不均匀性是被设计出的无意效果，倒不如说不均匀性可以包括设计特征。

例如，可以跨物体的表面重复反射和非反射条纹的图案，在两个刚性区域之间具有柔韧区域的两个刚性区域可以创建其中弯曲更局限于柔韧区域的物体，物体的不透明中心区域可以被半透明的周围区域包围等等。这些示例视觉或材料图案都可以经由由控制器对向每个体素和遍及包括多个体素的物体的不同区域施加(或不施加)的电磁能量的波长的选择、以及施加不同波长的电磁能量的持续时间和强度来实现。以下结合示例图1-5更详细地描述本公开的这些和其他方面。

图1图示了其中可以实现本公开的示例的打印设备100的一个示例。例如，如图1所示，打印设备100包括工作区域110、控制器170、第一托架130和第二托架160。第一托架130可以包括材料涂覆器140以及两个VCSEL阵列151和152。在一个示例中，第一托架可以被称为固化条。第二托架160可以用于施加一种或多种功能试剂。如图1所示，三维物体120可以处于在工作区域110中被打印/被制造的过程中。在一个示例中，控制器170可以从打印设备100的其他组件接收数据并向打印设备100的其他组件发送指令。在一个示例中，控制器170可以采取图5的计算设备500的形式，如下面进一步讨论的。

在一个示例中，打印设备100可以如下那样构建物体120。最初，第一托架130可以经过工作区域110。可以在经过期间由材料涂覆器140在工作区域110中沉积一层基底材料。基底材料可以从一个或多个存储单元(例如，存储单元141和142)获得，一个或多个存储单元附接到材料涂覆器140和/或第一托架130或与材料涂覆器140和/或第一托架130集成。在一个示例中，基底材料可以包括两种或更多种基础材料的混合物。例如，存储单元141可以存储第一基础材料，并且存储单元142可以存储第二基础材料，第二基础材料可以单独使用或者作为用于物体120的任何体素的混合物。第二托架160然后可以经过工作区域110并将一种或多种功能试剂沉积在基底材料的所选区域中。例如，控制器170可以提供指令，以使第二托架160将一种或多种功能材料施加到层中的某些体素或体素区域。在一个示例中，(多种)功能材料可以从一个或多个存储单元(例如，存储单元161和162)获得，一个或多个存储单元附接到第二托架160或与第二托架160集成。接下来，第一托架130可以再次经过工作区域110。可以经由VCSEL阵列151或152中的一个将电磁能量施加到层中的某些体素或体素区域。例如，控制器170可以提供指令，以使VCSEL阵列151或152以针对层中的每个体素施加零个、一个或多于一个波长的电磁能量。在一个示例中，指令还可以指定针对层中的各个体素以一个或多个波长的每个施加电磁能量的强度和/或持续时间。在第一托架130在工作区域110之上的相同经过中，材料涂覆器140可以施加下一层基底材料。例如，在经过期间在第一托架130的移动方向上在材料涂覆器140之前的VCSEL阵列151或152可以用于施加电磁能量。因此，物体120的当前层的体素可以接收由VCSEL阵列151或152对电磁能量的施加(如果适用)，之后跟着由材料涂覆器140沉积用于下一层的附加基底材料。根据来自控制器170的指令，第二托架160可以再次经过工作区域110并将(多种)功能材料施加到物体120的下一层中的体素或体素区域。这之后可以进一步跟着第一托架130的另一次经过，以经由VCSEL阵列151或152中的一个施加电磁能量并经由材料涂覆器140沉积用于下一层的基底材料等等。

在一个示例中，由材料涂覆器140施加的基底材料可以包括热塑性塑料、热固性塑料、聚合物、金属等。例如，基底材料可以包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚酰胺(例如尼龙)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氨酯、这样的材料的化合物或混合物等等。在一个示例中，基底材料可以以粒料、粉末、凝胶等形式施加。在一个示例中，由第二托架160施加的(多种)试剂材料可以包括一种或多种熔融剂或细化剂。例如，由第二托架160施加的试剂材料可以包括染料(例如着色剂染料、或用于光子吸收和边缘效应的染料)、交联剂、增塑剂、光引发剂等。在一个示例中，试剂材料可以以粒料、粉末、凝胶、液体(例如，以液滴或雾化形式)等形式施加。存储单元141和142以及存储单元161和162可以以不同材料的方式使用/再填充以不同材料，因为在打印设备100中包括以多个波长操作的VCSEL可以允许使用不同的基底材料和不同的试剂材料，其响应于不同波长的电磁能量。

在一个示例中，VCSEL阵列151和152中的每个可以包括至少两个VCSEL，其可操作以输出至少两个不同波长的电磁能量。在一个示例中，VCSEL阵列151和152可以包括多个VCSEL单元。例如，VCSEL阵列151和152可以包括以单元网格布置的多个VCSEL，其中每个单元具有用于以若干个波长操作的一个或多个VCSEL。为了说明性目的，图1中标记了VCSEL阵列151中的两个单元158和159，其中单元158和159中的每个可以包括六个VCSEL。VCSEL阵列151和152可以包括附加单元，为了便于说明，这些附加单元未被标记。在一个示例中，单元158和159中的每个中的六个VCSEL均可以以六个不同波长之一操作。在另一示例中，单元158和159中的每个中的VCSEL对可以以相同波长操作，以提供用于每个单元的三个不同的可能波长。例如，可以通过使用以相同波长操作的两个或更多个VCSEL来增加用于每个波长的一系列可能的强度。在任何情况下，使用多个VCSEL单元，可以在与第一托架130经过工作区域相同的时间将电磁能量施加到多个体素。在一个示例中，VCSEL阵列151和152可以跨工作区域110的一个维度延伸，使得电磁能量可以由VCSEL阵列151和152之一施加到物体120的层的整个行或列，其中第一托架130在垂直维度上移动。在另一个示例中，第一托架130可以具有较小的大小并且可以不跨工作区域110的任何一个维度延伸。在这样的示例中，第一托架130可以在工作区域110之上在两个维度上移动(例如，上/下和左/右两者)(其中方向参考图1的示例布局指示)。然而，具有多个VCSEL单元可以允许VCSEL阵列151和152同时操作多个体素，而不是逐体素操作。

如上所论，在一个示例中，要创建的物体的每个体素可以被表征为矢量。例如，表示示例体素的矢量V可以包括三维空间中的体素的坐标(例如变量x、y和z)以及颜色分量的量值(例如变量M、C、Y、W、B，分别表示品红色、青色、黄色、白色和黑色)，其中V＝{x，y，z，M，C，Y，W，B}。在一个示例中，表示体素的矢量V还可以包括用于针对体素要沉积的基底材料和/或试剂材料的变量，例如变量A₁、A₂...A_n，其中n是打印设备中可用的基底和试剂材料的数量。因此，矢量V可以被扩展为采取形式V＝{x，y，z，M，C，Y，W，B，A₁，A₂...A_n}。此外，矢量V还可以包括用于经由打印设备的一个或多个VCSEL阵列的一个或多个VCSEL的各波长的电磁能量的施加的强度和/或持续时间的变量，例如变量X₁、X₂...X_m，其中m是可用于由多个VCSEL施加的不同波长的数量。例如，矢量V可以被扩展为采取形式V＝{x，y，z，M，C，Y，W，B，A₁，A₂...A_n，X₁，X₂...X_m}，其中针对每个变量X，X_i＝{λ_i，I_i，D_i}，其中λ_i是第i个可用波长，I_i是用于施加第i个波长λ_i的强度，并且D_i是施加第i个波长λ_i的持续时间。因此，施加的不同波长的电磁能量的波长、强度和/或持续时间可用于定制要制造的物体的各种视觉和/或材料性质。换句话说，电磁能量不是仅仅仅用作热源，例如用于干燥、固化、熔化或熔融。作为代替，可以基于可以使用的基底和试剂材料和/或要由完成的物体表现出的一种或多种期望性质来选择施加的电磁能量的波长、强度和/或持续时间。例如，如上所论，这样的性质可以涉及纹理、孔隙度、刚性、柔韧性、弹性、强力度、半透明度、不透明度、反射率、强度、导电性、色度等的量值或程度。

在一个示例中，控制器170可以被提供有用于制造物体120的一组指令。例如，可以经由打印设备100的通信接口从远程或附接的计算设备接收指令。在一个示例中，指令可以包括多个矢量，物体120中的每个体素一个矢量。对于每个体素，控制器170可以转发指令或生成新指令，以使VCSEL阵列151和152、材料涂覆器140、和/或第二托架160导致针对特定体素施加所选量的基底或试剂材料，导致电磁能量以指定的强度和/或在指定的持续时间内以一个或多个波长施加等等。在另一示例中，控制器170可以接收用于体素或用于完成的物体的区域的参数，其中控制器170可以基于参数来计算用于每个体素的矢量。例如，参数可以包括用于物体120的区域的期望反射率和颜色。因此，控制器170可以基于参数来为每个体素确定基底和/或试剂材料与施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间的组合。换句话说，控制器170可以将指定物体的一种或多种期望性质的参数转换为多个体素的矢量表示。然后，控制器170可以将矢量或矢量的相关部分发送到打印设备100的其他组件，作为用于相应组件的指令。

通常，对于每个体素，控制器170因此可以选择VCSEL中的至少一个来将电磁能量施加到体素并且控制经由至少一个VCSEL以第一波长将电磁能量施加到体素。例如，控制器170可以选择经由VCSEL中的至少一个向体素施加的电磁能量的波长、持续时间和强度。控制器170还可以选择VCSEL中的至少第二个来将电磁能量施加到体素并且控制经由至少第二VCSEL以相同波长或以不同/第二波长将电磁能量施加到体素。控制器170还可以从多种可用材料中选择用于体素的至少一种材料，所述多种可用材料可以包括一种或多种基底/基础材料用于和/或一种或多种试剂材料。

图1图示了其中可以实现本公开的示例的打印设备的仅一个示例。因此，应注意，已经简化了打印设备100。例如，打印设备100可以包括其他元件(未示出)，诸如接合和分离第一托架130和第二托架160的机电开关、输入/输出端口(例如，诸如串行输入-输出端口、以太网端口、统一串行总线(USB)端口、无线收发器等)、用户界面和显示器、部署在工作区域110中的传感器等。此外，其中可以实现本公开的示例的打印设备可以进一步根据各种类型的打印设备设计省略各种元件或者包括不同的元件。作为仅一个示例，打印设备可以替代地以在集成托架中具有用于施加试剂材料的单元和材料涂覆器为特色，其中针对一个或多个VCSEL阵列具有单独托架。在另一个示例中，用于施加试剂材料的单元和一个或多个VCSEL阵列可以部署在集成托架中，其中针对材料涂覆器具有单独托架。在其他示例中，材料涂覆器、用于施加功能试剂的单元和一个或多个VCSEL阵列可以集成到单个托架或打印头中，或者可以分离到三个单独的托架或打印头。在又一个示例中，可以在打印设备100中提供存储更大数量的用于基底的基础材料和/或更大数量的不同类型的功能材料的附加存储单元。

还可以根据本公开实现其他变化。例如，物体120的体素和层可以主要结合笛卡尔系统来描述，例如行、列、层等。然而，在另一个示例中，物理空间的三维中的、或者三维中的两维中的极坐标系可以用于寻址物体120的体素。类似地，虽然VCSEL被描述为布置成阵列和/或单元，但是应注意，根据本公开的一个示例，这样的术语用于在各种可能的VCSEL分组之间进行区分。换句话说，VCSEL的单元也可以被认为是“VCSEL阵列”，VCSEL阵列151和152可以被认为是单个VCSEL阵列，即使在如图1所示那样布局时也是如此，诸如此类。因此，在本公开的示例中，VCSEL阵列可以以不同的方式布置，诸如以行布置或交错的多个VCSEL阵列、包含在移动托架或条中的单个VCSEL阵列或若干VCSEL阵列、用于发射不同波长的光的单独VCSEL阵列、散布在相同阵列中的以不同波长进行发射的一个或多个VCSEL等。

在一个示例中，打印设备100可以表示多喷射熔融三维打印机，例如，其中第二托架160可以包括喷墨打印头。然而，在本公开的其他示例中，打印设备可以包括基于粉末床熔融技术的增材制造设备，所述技术诸如选择性层烧结(SLS)、粘合剂喷射技术、熔融沉积建模(FDM)技术等，其中任何一个都可以利用以不同波长操作的VCSEL的一个或多个阵列来提供要制造的三维物体的各个区域的材料和视觉性质的有目的和有意的变化。因此，这些和其他示例都在本公开的范围内考虑。

图2是根据本公开的由打印设备200打印或制造三维物体的一个示例的等距视图。在一个示例中，打印设备200可以包括与图1的打印设备100相同或类似的组件。例如，设备200可以包括用于制造物体220的工作表面210、控制器270和至少一个VCSEL阵列230，其可以包括一个或多个VCSEL单元。如图2所示，VCSEL阵列230可以包括由VCSEL 241-243组成的单元240和由VCSEL 251-252组成的单元250。在一个示例中，VCSEL 241-243可以以不同的相应波长操作。类似地，VCSEL 251-253可以以不同的相应波长操作。在一个示例中，VCSEL241和251可以以相同的第一波长操作，VCSEL 242和252可以以相同的第二波长操作，并且VCSEL 243和253可以以相同的第三波长操作。在一个示例中，相应单元240和250将电磁能量施加到三维物体220的相应体素。例如，单元240可以用于经由VCSEL 241-242中的一个或多个将电磁能量施加到体素261，而单元250可以用于例如同时经由VCSEL 251-253中的一个或多个将电磁能量施加到体素262。

在图2中图示了物体220的层和体素的部分。例如，层260可以包括体素261-264。为了便于说明，未示出和/或未标记其他体素。在图2的示例中，打印设备200可能已经完成在层280上工作并且当前可能正在层260上工作。例如，控制器270可以向VCSEL阵列230发送经由单元240中的VCSEL 241-243中的零个、一个或多于一个来向体素261施加电磁能量的指令。类似地，控制器270可以向VCSEL阵列230发送经由单元250中的VCSEL 251-243中的零个、一个或多于一个来向体素262施加电磁能量的指令。在根据指令向体素261和262施加(或不施加)电磁能量之后，VCSEL阵列230可以移动，使得单元240和250被定位成根据来自控制器270的进一步指令经由单元240和250中的每个的相应VCSEL 241-243和251-253向体素263和264施加电磁能量。

在一个示例中，控制器270可以接收用于体素或用于物体220的区域的参数，其中控制器270可以从参数计算用于每个体素的矢量。例如，参数可以包括用于物体220的区域的期望反射率和颜色。因此，控制器270可以基于参数来为每个体素确定基底和/或试剂材料与施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间的组合。换句话说，控制器270可以将指定物体的一种或多种期望性质的参数转换为多个体素的矢量表示。然而，即使在体素级别，结果所得的材料和视觉性质的可预测性仍可能是问题。例如，基底/基础材料和/或试剂材料可能随机混合，或者可能不能均匀混合，使得以不同波长施加电磁能量可能导致具有偏离预测结果的性质的完成的体素。此外，虽然VCSEL分辨率可以精细到10微米或更小，但是仍然可能存在施加的电磁能量散射到相邻体素，包括其中来自(多个)VCSEL的电磁能量正被施加的体素的层下面的一层或者若干层中的体素。这样，用于每个体素的矢量的计算可以考虑关于来自物体的区域的许多其他体素的各种条件。例如，如果特定持续时间和强度的电磁能量被计算以用于施加到特定体素，但是预期到当施加到附近的其他体素时一定量的电磁能量可能散射到所述特定体素中，则从(多个)VCSEL到特定体素的电磁能量的施加的持续时间可以被减小，使得电磁能量的总量与计算量相加。

在一个示例中，可以制造许多测试物体，其中由一个或多个VCSEL阵列将不同基底和/或试剂材料与施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间的各种组合施加到测试物体的体素和/或区域，并观察结果所得的性质。从测试物体的数据，可以创建知识库，使得物体、物体的区域或体素的期望材料或视觉性质可以与不同基底和/或试剂材料与施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间的组合相关，所述组合可以单独使用或以各种组合使用来提供这样的性质。

应注意，已经简化了图2。例如，如上所论，打印设备200可以包括与图1的打印设备100相同或类似的组件。因此，材料涂覆器、用于施加(多种)试剂材料的第二托架、附加的VCSEL阵列等也可以被包含在打印设备200中。此外，根据至少上面关于图1的示例打印设备100描述的前述变化和替代配置，设备200可以被扩展、修改或者可以采取不同的形式。

图3图示了用于打印三维物体的示例方法300的流程图。方法300可以例如通过图1中所图示的打印设备100的组件中的任何一个或多个来执行。例如，方法300可以由控制器170执行，或者由控制器170与第一托架130、第二托架160、VCSEL阵列151和152、材料涂覆器140等协调执行。然而，方法300不限于利用图1的打印设备100的实现，而是可以结合具有各种配置的任何数量类型的增材制造/打印设备来应用。替代地或此外，方法300的一个或多个框可以由打印设备实现，所述打印设备例如具有处理器、存储器和输入/输出设备的计算设备(如下面在图5中所图示的)，其被特别编程为执行所述方法的框。尽管图1的打印设备100或类似系统的元件中的任何一个或多个可以被配置为执行方法300的各个框，但是现在将就其中方法的框由处理器(诸如图5中的处理器502)执行的示例来描述所述方法。例如，处理器502可以包括打印设备的处理器、或打印设备的控制器的处理器。应注意，在处理器被描述为执行与方法300的框有关的操作的情况下，所述操作可以包括处理器本身执行操作，或者可以包括处理器经由处于由处理器的协调的一个或多个其他元件执行操作。

方法300开始于框305。在框310中，处理器可以接收用于打印三维物体的指令。指令可以包括用于三维物体的体素的至少一种材料和要施加到体素的至少第一波长的至少第一强度的电磁能量。至少一种材料可以包括用于体素的至少一种基底材料和/或至少一种试剂材料。在一个示例中，指令还可以包括将至少第一波长的电磁能量施加到用于体素的至少一种材料的时间的持续时间。在一个示例中，可以经由打印设备的通信接口从远程或附接的计算设备接收指令。在一个示例中，指令可以包括如上所述的多个矢量，例如物体中的每个体素一个矢量。应注意，多个波长的能量可以被包括在指令中以用于施加到体素。指令还可以包括用于三维物体的一个或多个附加体素的(多种)材料和/或施加的电磁能量的波长、强度和/或持续时间。应注意，对于一些体素，指令可以指定不要施加电磁能量。然而，结合其中将至少第一波长的电磁能量施加到体素的示例来描述本方法300。

在框320中，处理器可以经由至少一个材料施加单元沉积用于体素的至少一种材料。如上所论，至少一种材料可以包括至少一种基底材料和/或至少一种试剂材料。因此，在一个示例中，至少一个材料施加单元可以包括材料涂覆器或固化条、用于施加一种或多种试剂材料的托架，例如喷墨打印头等。在一个示例中，框320可以包括处理器，其使得材料施加单元或多个材料施加单元经过打印设备的工作区域以沉积用于体素的一种或多种材料。例如，处理器可以发送表征体素的矢量或所述矢量的相关部分作为用于至少一个材料施加单元的指令。替代地或此外，处理器可以将矢量转换成采用适于至少一个材料施加单元的一种或多种格式的进一步的指令。至少一种材料可以以粒料、粉末、凝胶、液体(例如，以液滴或雾化形式)等形式施加，这取决于可用于打印设备的(多种)材料的本性。

在框330中，处理器可以经由多个VCSEL中的至少第一VCSEL将至少第一强度和至少第一波长的电磁能量施加到用于体素的至少一种材料。至少第一强度和至少第一波长的电磁能量的施加可以用于改变用于体素的至少一种材料的至少一种性质。例如，处理器可以发送表征体素的矢量或所述矢量的相关部分作为用于至少一个VCSEL的指令。替代地或此外，处理器可以将矢量转换成采用适于至少一个VCSEL的一种或多种格式的进一步的指令。至少一种性质可以包括材料性质或可见性质，诸如：纹理、孔隙度、刚性、柔韧性、弹性、强力度、半透明度、不透明度、反射率、强度、导电性、色度等。至少一种性质的改变可以包括加热、干燥、固化、熔化或熔融、以及附加的变换，诸如塑化、聚合或其他化学变化。在一个示例中，多个VCSEL可以包括以第一波长发射的多个VCSEL。因此，在一个示例中，可以通过应用以相同波长向像素发射的两个或更多个VCSEL来提供至少第一强度。然而，在另一个示例中，由单独VCSEL输出的电磁能量的强度可以是可调节的。此外，多个VCSEL还可以包括以第二波长发射电磁能量的至少第二VCSEL、以第三波长发射电磁能量的至少第三VCSEL等。因此，可以将以不同波长操作的附加VCSEL施加到正被创建的三维物体的相同体素或不同体素。在一个示例中，由处理器将至少第一强度和至少第一波长的电磁能量施加到多个体素中的至少第一材料以创建三维物体的第一区域，其中至少第一强度和至少第一波长的电磁能量不被施加到三维物体的第二区域。换句话说，可以通过针对不同区域使用用于通过一个或多个VCSEL的电磁能量的施加的不同简档来在相同的三维物体中创建具有不同性质的不同区域。在框330之后，方法300可以进行到框395，其中该方法结束。

应注意，在一个示例中，可以针对三维物体的后续体素重复方法300的框，或者可以针对不同体素并行地执行方法300。例如，可以逐层打印三维物体，例如其中在已经完成前一层的全部或至少一部分之前不沉积用于下一层的基底材料。

图4图示了用于生成用于渲染三维物体的指令的示例方法400的流程图。方法400可以例如通过图1中所图示的打印设备100的组件中的任何一个或多个来执行。例如，方法400可以由控制器170执行。替代地或此外，方法400的一个或多个框可以由具有处理器、存储器和输入/输出设备的计算设备来实现，所述计算设备如下面在图5中所图示的，其具体地被编程为执行所述方法的框。例如，方法400可以由附接到或远程连接到增材制造/打印设备的计算设备执行。出于说明性目的，现在将就其中方法的框由诸如图5中的处理器502的处理器执行的示例来描述该方法。应注意，在处理器被描述为执行与方法400的框有关的操作的情况下，所述操作可以包括处理器本身执行操作，或者可以包括处理器经由处于由处理器的协调的一个或多个其他元件执行操作。

方法400在框405中开始。在框410中，处理器可以接收用于渲染三维物体的参数，参数包括三维物体的第一区域的至少一种性质和三维物体的第二区域的至少一种性质。第一区域可以包括至少第一体素，并且第二区域可以包括至少第二体素。在一个示例中，参数可以由计算设备的用户输入。在另一个示例中，可以从另一个附接或远程计算设备接收参数。

在框420中，处理器可以基于第一区域的至少一种性质并且基于用于第一体素的至少一种材料来计算经由打印设备的多个VCSEL向至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长。例如，参数可以包括用于物体的第一区域的期望的反射率和颜色。因此，处理器可以确定基底和/或试剂材料与施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间的组合，所述组合被计算成导致用于用于第一体素的(多个)期望参数。例如，更具反射性的表面可能需要将特定基底材料暴露于UV光。此外，在一个示例中，基底材料和/或试剂材料可以对特定波长或波带的电磁能量最具响应性，这可以被计入到由处理器的计算中。可以在参数中阐述的其他示例性质可以包括纹理、孔隙度、刚性、弹性、强力度、半透明度、不透明度、反射率、强度、导电性、色度等的量值或程度。

在一个示例中，可以在参数中具体地标识至少一种材料。例如，用户可能希望仅打印基于尼龙的三维物体。因此，在给定基底材料(例如，尼龙)的固定变量的情况下，在选择被计算成导致用于用于第一体素的(多个)期望参数的试剂材料和/或施加的电磁能量一个或多个波长、强度和/或持续时间中可以约束处理器。在另一个示例中，参数可以描述第一体素和/或第一区域的通常性质，其中向处理器分配任务以选择施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间、一种或多种基础/基底材料、和/或一种或多种试剂材料，其在打印设备中可用以实现用于第一体素的期望性质。在又一个示例中，可以知道打印设备具有仅一种可用基底材料。因此，处理器可以在考虑基底材料的固定变量的情况下基于在框410处接收的参数来计算施加的电磁能量的波长、强度和/或持续时间。

在框430中，处理器可以基于第二区域的至少一种性质并基于用于第二体素的至少一种材料来计算经由多个VCSEL向至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长。例如，参数可以包括用于物体的第二区域的期望的反射率和颜色、期望的柔韧性等。因此，处理器可以确定基底和/或试剂材料与施加的电磁能量的一个或多个波长、强度和/或持续时间的组合，所述组合被计算成导致用于用于第二体素的一种或多种期望性质，包括将来自在先前的、当前的或连续的打印层中的相邻体素的产生或性质的试剂和能量的分散或反射的可能影响并入到计算中。框430的操作可以包括与上面结合框420描述的那些操作相同或类似的操作。

在框440中，处理器可以生成用于渲染三维物体的指令，指令包括施加到至少第一体素的电磁能量的强度和波长以及施加到至少第二体素的电磁能量的强度和波长。在一个示例中，指令可以包括至少第一体素和至少第二体素的矢量表示。上面描述了体素的示例矢量表示。因此，通过方法400，处理器可以将指定物体的一种或多种期望性质的参数转换为多个体素的矢量表示。然后，矢量表示可以用作进一步指令，以使打印设备的一个或多个组件创建三维物体。在框440之后，方法400可以进行到框495，其中该方法结束。

此外，尽管未明确指定，但上述的方法300和400的一个或多个框、功能或操作可以包括存储、显示和/或输出。换句话说，取决于特定应用，可以将方法中讨论的任何数据、记录、字段和/或中间结果存储、显示和/或输出到另一个设备。此外，图3和图4中的记载确定操作或涉及决定的框、功能或操作不一定意味着实践确定操作的两个分支。换句话说，确定操作的分支之一可以被认为是可选的。此外，在各种示例中，相应的方法300和400的各个框可以被认为是可选的。此外，应注意，相应的方法300和400也可以被扩展为包括如上面结合各种示例描述的附加操作和功能。

图5描绘了适于在执行如本文描述的打印设备的功能中使用的计算设备的示例高级框图。如图5所描绘的，计算机500包括硬件处理器元件502(例如中央处理单元(CPU)、微处理器或多核处理器)、存储器504(例如随机存取存储器(RAM))、用于打印三维物体或用于生成用于渲染三维物体的指令的组件505、以及各种输入/输出设备506，例如存储设备，包括但不限于带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或压缩盘驱动器、接收器、发送器、扬声器、显示器、语音合成器、输出端口、输入端口和用户输入设备，诸如键盘、小键盘、鼠标、麦克风等。尽管示出了一个处理器元件，但应注意，计算机可以采用多个处理器元件。此外，尽管在图中示出了一个计算机，但如果针对特定说明性示例以分布式或并行方式实现如上所讨论的(多种)方法，即上述方法(多种)或整个方法(多种)的框跨多个或并行计算机实现，则该图的计算机旨在表示那些多个计算机中的每个。

应注意，本公开可以通过机器可读指令和/或以机器可读指令和硬件的组合(例如，使用专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)，包括现场可编程门阵列(FPGA)、或部署在硬件设备、计算机或任何其他硬件等同物上的状态机)来实现，例如，与上面讨论的方法(多种)有关的计算机可读指令可以用于将硬件处理器配置成执行上面公开的方法的框、功能和/或操作。

在一个示例中，用于打印三维物体或用于生成用于渲染三维物体的指令(例如，机器可读指令)的当前组件或过程505的指令和数据可以由硬件处理器元件502加载到存储器504中并执行以实现如上面结合示例方法300和400所讨论的框、功能或操作。例如，在一个示例中，组件505可以包括多个计算机可读组件，包括接收指令组件511、沉积材料组件512和施加电磁能量组件513。当由硬件处理器元件502执行时，接收指令组件511可以使得硬件处理器元件502接收用于渲染三维物体的指令，沉积材料组件512可以使得硬件处理器元件502经由至少一个材料施加单元沉积用于三维物体的体素的至少一种材料，并且施加电磁能量组件513可以使得硬件处理器元件502经由多个VCSEL中的至少第一VCSEL将至少第一强度和至少第一波长的电磁能量施加到用于体素的至少一种材料。例如，组件505的前述配置可以使得图5的硬件处理器元件502和/或计算设备例如根据示例方法300执行本公开的打印设备的功能。在另一示例中，组件505可以包括多个计算机可读组件，包括接收参数组件514、第一计算电磁能量的强度和波长组件515、第二计算电磁能量的强度和波长组件516、以及生成用于渲染三维物体的指令组件517。当由硬件处理器元件502执行时，接收参数组件514可以使得硬件处理器元件502接收用于渲染三维物体的参数，第一计算电磁能量的强度和波长组件515可以使得硬件处理器元件502计算向三维物体的第一区域的至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长，第二计算电磁能量的强度和波长组件516可以使得硬件处理器元件502计算向三维物体的第二区域的至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长，并且生成用于渲染三维物体的指令组件517可以使得硬件处理器元件502生成用于渲染三维物体的指令，指令包括向至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长、以及向至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长。例如，组件505的前述配置可以使得图5的硬件处理器元件502和/或计算设备例如根据示例方法400执行打印设备或附接到或远程连接到打印设备的用于渲染三维物体的计算设备的功能。可以根据本公开的各种其他示例提供组件505的附加配置。

此外，当硬件处理器执行指令以执行“操作”时，这可以包括硬件处理器直接执行操作和/或促进、引导另一硬件设备或组件(例如，协处理器等)或与另一硬件设备或组件(例如，协处理器等)协作以执行操作。

执行涉及上面描述的方法(多种)的机器可读指令的处理器可以被视为编程处理器或专用处理器。这样，本公开的用于打印三维物体或用于生成用于渲染三维物体的指令(包括相关联的数据结构)的当前组件505可以存储在有形或物理(广泛地非暂时性)计算机可读存储设备或介质(例如易失性存储器、非易失性存储器、ROM存储器、RAM存储器、磁性或光学驱动器、设备或磁碟等)上。此外，计算机可读存储设备可以包括任何一个或多个物理设备，其提供存储要由处理器或诸如计算机或应用服务器之类的计算设备访问的诸如数据和/或指令之类的信息的能力。

将理解的是，上面公开的和其他的特征和功能的变型或其替代方案可以被组合到许多其他不同的系统或应用中。随后可以做出各种当前未预见或未预期的替代方案、修改或变化，其也旨在由以下权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于打印三维物体的设备，所述设备包括：

至少一个材料施加单元，用于沉积用于三维物体的体素的至少一种材料；

竖直腔表面发射激光器阵列，包括多个竖直腔表面发射激光器，所述多个竖直腔表面发射激光器包括以第一波长操作的第一竖直腔表面发射激光器和以第二波长操作的第二竖直腔表面发射激光器；以及

处理器，用于控制经由至少一个材料施加单元沉积用于体素的至少一种材料，并且用于控制经由第一竖直腔表面发射激光器或第二竖直腔表面发射激光器中的至少一个向体素施加电磁能量以改变至少一种材料的至少一种性质。

2.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个材料施加单元用于沉积基底材料或试剂材料中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述基底材料包括以下中的至少一种：聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯或聚氨酯。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述试剂材料包括以下中的至少一种：交联剂、增塑剂、光引发剂或染料。

5.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个材料施加单元包括喷墨打印头。

6.根据权利要求1所述的设备，其中处理器用于控制经由第一竖直腔表面发射激光器以第一波长向体素施加电磁能量，并且用于控制经由第二竖直腔表面发射激光器以第二波长向体素施加电磁能量。

7.根据权利要求1所述的设备，还包括：

存储多种材料的多个存储单元，其中处理器用于从所述多种材料中选择用于体素的至少一种材料，并用于选择第一竖直腔表面发射激光器或第二竖直腔表面发射激光器中的至少一个来向体素施加电磁能量。

8.根据权利要求1所述的设备，其中处理器用于选择经由第一竖直腔表面发射激光器或第二竖直腔表面发射激光器中的至少一个向体素施加的电磁能量的波长、持续时间和强度，以改变至少一种材料的至少一种性质。

9.一种打印三维物体的方法，所述方法包括：

由打印设备接收用于打印三维物体的指令，所述指令包括用于三维物体的体素的至少一种材料、以及向体素施加的至少第一波长的至少第一强度的电磁能量；

由打印设备经由至少一个材料施加单元沉积用于体素的至少一种材料；以及

由打印设备经由多个竖直腔表面发射激光器中的至少第一竖直腔表面发射激光器将至少第一强度和至少第一波长的电磁能量施加到用于体素的至少一种材料以改变用于体素的至少一种材料的至少一种性质，其中多个竖直腔表面发射激光器包括以第二波长发射电磁能量的至少第二竖直腔表面发射激光器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一种材料选自打印设备所存储的多种材料。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一种性质包括视觉性质或材料性质。

12.根据权利要求9所述的方法，其中至少第一强度和至少第一波长的电磁能量由处理器施加到多个体素中的至少第一材料以创建三维物体的第一区域，其中至少第一强度和至少第一波长的电磁能量不被施加到三维物体的第二区域。

13.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时使得所述处理器：

接收用于渲染三维物体的参数，所述参数包括三维物体的第一区域的至少一种性质、以及三维物体的第二区域的至少一种性质，所述第一区域包括至少第一体素并且所述第二区域包括至少第二体素；

基于第一区域的至少一种性质并基于用于第一体素的至少一种材料来计算经由打印设备的多个竖直腔表面发射激光器向至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长；

基于第二区域的至少一种性质并基于用于第二体素的至少一种材料来计算经由多个竖直腔表面发射激光器向至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长；以及

生成用于渲染三维物体的指令，所述指令包括向至少第一体素施加的电磁能量的强度和波长、以及向至少第二体素施加的电磁能量的强度和波长。

14.根据权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质，其中用于第一体素的至少一种材料与用于第二体素的至少一种材料不同。

15.根据权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质，其中三维物体的第一体素的中心与相邻体素的中心之间的距离小于20微米。