CN110103465A - 一种光固化三维成型过程中的图像识别方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光固化三维成型过程中的图像识别方法：在水平方向上，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在每一列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值；在垂直方向上，逐行的扫描层面图像，将每一行中的像素点数作为层面图像在每一行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值；将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值中的较小者作为层面图像的特征值。本发明还公开上述图像识别方法在快速光固化3D打印中的应用，可以根据三维模型的几何特征自动调节成型过程中每一切层的树脂填充时间，有效解决目前的快速打印只能打印小截面、镂空模型的限制。

Description

一种光固化三维成型过程中的图像识别方法及应用
技术领域
本发明涉及图像识别领域，特别涉及一种光固化三维成型过程中图像识别方法及其应用。
背景技术
光固化3D打印使用液态光敏树脂作为打印材料，以特定波长的光进行固化，整个过程无机械力和加热过程，具有最高的成型精度。光固化3D打印主要包括两类技术：立体光刻快速成型技术(Stereolithography,SLA)和数字光处理技术(Digital LightProcessing,DLP)。其中，DLP的工艺过程是设计出三维实体模型并进行切片处理，产生的图像通过数字投影仪投射到液态光敏树脂表面，使特定区域内的树脂固化。然后打印平台往上移动一定距离，待已固化层表面完全补充上液态树脂后，进行下一次投影，使后续固化层粘结在前一固化层上，这样层层叠加最终形成三维模型。
光固化三维成型使用液态光敏树脂作为成型材料，以特定波长的光进行固化。对于底照(上拉)式的工艺，已固化物体从树脂槽底脱离(离型)是一个关键过程，离型过程所需的时间经常比单层曝光固化的时间还要长。美国Carbon公司开发了连续液面成型技术(CLIP)，利用光敏树脂氧阻聚的特性，在树脂槽和固化层之间形成未固化的死区，大大减小了成型物体与槽底的粘结力，可以直接连续化地曝光成型-上拉离型，从而极大地提高了总体的成型速度。CLIP技术不适用于具有大尺寸连续截面的模型，因为虽然没有离型的问题，但是液态树脂的回填补充需要时间。所以CLIP技术一般只适用于一些网格状或者薄壁模型。
而对于曝光图形比较小的切片层，树脂的补充时间可以很短；对于曝光图形比较大的切片层，需要更多的树脂补充时间，甚至需要切换成上升-下降运动方式才能使树脂补充充分。所以，若能在成型过程中根据模型的几何特征智能地自主调节液态树脂的补充时间(也即除曝光之外的时间)，或者切换不同的平台运动方式，则将极大地扩大该技术的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光固化三维成型过程中的图像识别方法，应用在快速光固化3D打印中，根据三维模型的几何特征自动调节成型过程中每一切层的树脂填充时间，有效解决目前的快速打印只能打印小截面、镂空模型的限制，大大扩展其应用范围。
本发明提供如下技术方案：
一种光固化三维成型过程中的图像识别方法，对于三维模型的任意切层的层面图像，所述层面图像识别方法包括以下步骤：
(1)在水平方向上，从左到右，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在每一列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vr；
(2)在垂直方向上，从上到下，逐行的扫描层面图像，将每一行中的像素点数作为层面图像在每一行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vc；
(3)将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值Vr和Vc中的较小者作为层面图像的特征值Vi。
在步骤(1)中，若列中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此列的特征值。
在步骤(2)中，若行中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此行的特征值。
本发明还提供一种所述的图像识别方法在快速光固化3D打印中的应用。
所述快速光固化3D打印可以为快速上拉式光固化3D打印或下沉式快速光固化3D打印。
所述快速光固化3D打印的方法包括以下步骤：
(1)根据切片厚度d对三维模型进行切片，并依次取出所有切层的层面图像进行图像识别；
(2)在水平方向上，从左到右，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在每一列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vr；
(3)在垂直方向上，从上到下，逐行的扫描层面图像，将每一行中的像素点数作为层面图像在每一行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vc；
(4)将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值Vr和Vc中的较小者作为层面图像的特征值Vi；
(5)光源投影任一切层Ii的层面图像，曝光固定时间使该层树脂固化后，打印平台直接上拉切片厚度的高度，待下一切层Ii+1的树脂补充完成后，投影Ii+1的层面图像，直至完成所有层面图像的投影固化，所述下一切层Ii+1的树脂补充时间为：
Ti＝k*Vi
其中，系数k由树脂特性确定，包括树脂的粘度、表面张力等。具体操作时，选定特定树脂，根据单位面积(直径为1mm的圆)的层面图像能够在1s内树脂完全补充，倒推出系数k。
在本发明中，所述上拉式光固化3D打印所用的装置包括：树脂槽、打印平台和光源系统，所述树脂槽的底面为硬质透明板，所述硬质透明板上设有透明的水凝胶层；所述打印平台位于树脂槽上部；所述光源系统的光源设置在硬质透明板下部。
在步骤(2)中，若列中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此列的特征值。
在步骤(3)中，若行中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此行的特征值。
所述树脂补充时间Ti超过预设阈值H时，成型平台切换成上升-下降的运动模式来打印下一切层Ii+1，同时将下一切层Ii+1的等待流平时间重置为预设阈值H。
在步骤(5)中，所述系数k由树脂特性决定，具体包括树脂的粘度、表面张力、润湿性。树脂的粘度越大、表面张力越大、润湿性越差，系数k就越大。
在步骤(5)中，所述阈值H由树脂特性决定，具体包括树脂的粘度、表面张力、润湿性。树脂的粘度越大、表面张力越大、润湿性越差，系数H就越小。具体包括两层意思：1、当Ti大于打印平台上升下降所需要的时间时，切换成上升-下降模式更节省时间，同时又不受层面图像的特征尺寸的影响；2、由于打印平台每次只抬升切片厚度的高度，通常小于100微米，当Ti过大，代表着即使给足够的时间树脂都不能充分回流补充。
优选的，对于旋转角度不同的具有同一图形的切层归为同一集合D，集合D中的切层的等待流平时间统一设置为所有切层的等待流平时间最小值Tmin。通过上述设置可以避免3D打印中层面图像的几何图形旋转导致对层面图像特征值的计算误差。目前的快速光固化3D打印的局限在于投影-固化后树脂的回流补充，如果前序层(前一切层)固化面积过大，则树脂需要更长的时间回流，无法在后续层曝光之前充分补充完毕，则会导致后续层固化出问题。显而易见，树脂的回流补充时间(在打印过程中具体表现为每次投影固化前机构的等待时间)跟前序层的层面图像的几何特征直接相关。只有在3D打印过程中根据模型的每一层的层面图像的几何特征自主计算树脂的回流补充时间，从而自动调节每次固化前的机构等待时间，才能使快速光固化打印技术适用于更广泛的模型。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)大大提高了快速光固化3D打印的适用性，扩大了快速光固化3D打印技术能打印的模型的范围。
(2)能够匹配多种快速光固化3D打印技术。
附图说明
图1为实施例1提供的三维模型和切层的层面图像的结构示意图；
图2为实施例2提供的三维模型和切层的层面图像的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明内容进行进一步的说明，但所实施例并非对本发明实质精神的简单限定，任何基于本发明实质精神所作出的简单变化或同等替换均应属于本发明所要求保护的范围之内。
实施例1
本实施例中需要打印的模型是一个点-面交替的三明治结构模型，图1中还提供了该模型两个典型的切片后的层面图像，一个是实心的大面积矩形，另一个是离散的小面积原点。结合三维模型来看，柱状结构部分的截面是离散的小圆点，打印平台抬升后树脂非常容易补充，也即在后续层投影固化前只需要非常短的机构等待时间；而平台结构部分的截面是大面积的实心矩形，是非常不利于树脂回流补充的，而且由于打印平台只抬升切片厚度的高度，在这种情况下即使给予非常长的流平时间树脂都不一定能够充分补充，所以这时打印平台切换成上升-下降的运动模式。
采用上拉式光固化3D打印本实施例的三维模型，具体方法为：
(1)根据切片厚度d对三维模型进行切片，并依次取出所有切层的层面图像进行图像识别；
(2)在水平方向上，从左到右，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在该列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vr；
(3)在垂直方向上，从上到下，逐行的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在该行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vc；
(4)将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值Vr和Vc中的较小者作为层面图像的特征值Vi；
(5)光源投影任一切层Ii的层面图像，曝光固定时间使该层树脂固化后，打印平台直接上拉切片厚度的高度，待下一切层Ii+1的树脂补充完成后，投影Ii+1的层面图像，直至完成所有层面图像的投影固化，所述下一切层Ii+1的树脂补充时间为：
Ti＝k*Vi
其中，系数k由树脂特性确定。
本实施例中，切片层厚为100微米，每层的曝光时间为2s，点阵部分的树脂补充时间为0.3s，平面部分树脂补充时间为12s(此时运动方式切换为上升-下降模式)。
实施例2
本实施例中需要打印的模型是一个具有梯度壁厚的圆锥环模型，图2中还提供了该模型底部、中部、顶部的三个层面图像。显而易见，底部的层面图像宽度最大，树脂所需要的流平时间最长；顶部的层面图像宽度最小，树脂所需的流平时间最短。所以，在使用本发明提出的算法后，在打印过程中每一层的机构等待时间也是有一个梯度分布，最大限度地减少了整个打印过程总的机构等待时间。
采用上拉式光固化3D打印本实施例的三维模型，具体方法为：
(1)根据切片厚度d对三维模型进行切片，并依次取出所有切层的层面图像进行图像识别；
(2)在水平方向上，从左到右，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在该列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vr；
(3)在垂直方向上，从上到下，逐行的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在该行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vc；
(4)将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值Vr和Vc中的较小者作为层面图像的特征值Vi；
(5)光源投影任一切层Ii的层面图像，曝光固定时间使该层树脂固化后，打印平台直接上拉切片厚度的高度，待下一切层Ii+1的树脂补充完成后，投影Ii+1的层面图像，直至完成所有层面图像的投影固化，所述下一切层Ii+1的树脂补充时间为：
Ti＝k*Vi
其中，系数k由树脂特性确定。
本实施例中，切片层厚为100微米，每层的曝光时间为2s，最窄部分的树脂补充时间为0.2s，最粗部分树脂补充时间为2s，呈梯度变化。

Claims (9)

1.一种光固化三维成型过程中的图像识别方法，其特征在于，对于三维模型的任意切层的层面图像，所述层面图像识别方法包括以下步骤：
(1)在水平方向上，从左到右，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在每一列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vr；
(2)在垂直方向上，从上到下，逐行的扫描层面图像，将每一行中的像素点数作为层面图像在每一行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vc；
(3)将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值Vr和Vc中的较小者作为层面图像的特征值Vi。
2.根据权利要去1所述的光固化三维成型过程中的图像识别方法，其特征在于，在步骤(1)中，若列中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此列的特征值。
3.根据权利要去1所述的光固化三维成型过程中的图像识别方法，其特征在于，在步骤(2)中，若行中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此行的特征值。
4.一种根据权利要求1所述的图像识别方法在快速光固化3D打印中的应用。
5.根据权利要求4所述的图像识别方法的应用，其特征在于，所述快速光固化3D打印的方法包括以下步骤：
(1)根据切片厚度d对三维模型进行切片，并依次取出所有切层的层面图像进行图像识别；
(2)在水平方向上，从左到右，逐列的扫描层面图像，将每一列中的像素点数作为层面图像在每一列的特征值，取所有列的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vr；
(3)在垂直方向上，从上到下，逐行的扫描层面图像，将每一行中的像素点数作为层面图像在每一行的特征值，取所有行的特征值中的最大值作为层面图像在水平方向上的特征值Vc；
(4)将层面图像在水平方向和垂直方向上的特征值Vr和Vc中的较小者作为层面图像的特征值Vi；
(5)光源投影任一切层Ii的层面图像，曝光固定时间使该层树脂固化后，打印平台直接上拉切片厚度的高度，待下一切层Ii+1的树脂补充完成后，投影Ii+1的层面图像，直至完成所有层面图像的投影固化，所述下一切层Ii+1的树脂补充时间为：
Ti＝k*Vi
其中，系数k由树脂特性确定。
6.根据权利要求5所述的图像识别方法的应用，其特征在于，在步骤(2)中，若列中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此列的特征值。
7.根据权利要求5所述的图像识别方法的应用，其特征在于，在步骤(3)中，若行中的像素是多段分布，则取其最长段的像素点数作为此行的特征值。
8.根据权利要求5所述的图像识别方法的应用，其特征在于，在步骤(5)中，所述树脂补充时间Ti超过预设阈值H时，成型平台切换成上升-下降的运动模式来打印下一切层Ii+1，同时将下一切层Ii+1的等待流平时间重置为预设阈值H。
9.根据权利要求5所述的图像识别方法的应用，其特征在于，对于旋转角度不同的具有同一图形的切层归为同一集合D，将所有切层的等待流平时间最小值Tmin作为集合D中切层的等待流平时间。
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