CN110268402B - 用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的系统和方法 - Google Patents

用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供一种用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的系统(100)和方法(1500)。所述系统可以包括：至少一个处理器(102)，其被配置以接收多个工具路径，3D打印机(120)沿着所述工具路径在多个层(130)中沉积材料(126)的珠粒(128)，从而增材地构建产品(132)。基于所述工具路径，所述处理器可以确定每一层的图像(140、400)并且可以基于默认的珠粒尺寸(134)处理所述图像，以确定包含具有值(156)的像素(154)的每一层的珠粒尺寸图像(152)，所述值(156)指明了沿着所述工具路径的位置的珠粒尺寸。所述图像处理产生所述珠粒尺寸图像的像素值，所述像素值在沿着所述工具路径的多个不同位置处在幅度上变化，以便表示相对于所述默认的珠粒尺寸的更小和更大的珠粒尺寸，更小和更大的珠粒尺寸分别将3D打印机对材料的过度沉积和沉积不足最小化，否则以默认的珠粒尺寸会沿着所述工具路径在这些不同位置处发生材料的过度沉积和沉积不足。

Description

用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几 何精度的系统和方法
技术领域
本发明大致上涉及计算机辅助设计(computer-aided design，CAD)、计算机辅助制造(computer-aided manufacturing，CAM)、计算机辅助工程(computer-aidedengineering，CAE)、可视化、模拟、和制造系统、产品数据管理(product data management，PDM)系统、产品生命周期管理(product lifecycle management，PLM)系统和类似系统，这些系统(本文统称为产品系统)用于创建、使用和管理产品和其它项目的数据。
背景技术
产品系统可用于生成3D打印机可用以增材地生产产品的指令。这些系统可以从改进中受益。
发明内容
各种公开的实施例包括数据处理系统和方法，该系统和方法可用于促使在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以改善沉积层的几何精度。在一个示例中，一种系统可包括：至少一个处理器，其通过被包含在至少一个存储器中的可执行指令而被配置以：接收多个工具路径，3D打印机可被操作以根据所述多个工具路径在多个层中沉积材料的珠粒，从而增材地构建产品。所述至少一个处理器还可以被配置以：基于所述工具路径确定每一层的图像并且基于默认的珠粒尺寸处理所述图像，以确定包含具有值的像素的每一层的珠粒尺寸图像，所述值指明了沿着所述工具路径的位置的珠粒尺寸。所述图像处理产生所述珠粒尺寸图像的像素值，所述像素值在沿着所述工具路径的多个不同位置处在幅度上变化，以便表示相对于所述默认的珠粒尺寸的更小和更大的珠粒尺寸。该更小和更大的珠粒尺寸分别将3D打印机的材料的过度沉积和沉积不足最小化，否则以默认的珠粒尺寸会沿着所述工具路径在这些不同位置处发生材料的过度沉积和沉积不足。所述至少一个处理器还可以基于所述工具路径以及沿着该工具路径的像素值，生成用于驱动所述3D打印机以增材地构建所述产品的指令。所生成的指令改变工艺参数，以便根据所述像素值改变所述珠粒尺寸。
在另一个示例中，一种用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的方法可以包括通过至少一个处理器的操作来实现的动作，所述动作对应于之前描述的由所述至少一个处理器被配置以实现的功能。
另一示例可以包括编码有可执行指令(诸如存储设备上的软件部件)的非瞬时性计算机可读介质，所述可执行指令在被执行时使至少一个处理器实现上面所描述的方法。
另一示例可以包括产品或装置，其包括至少一个基于硬件、软件和/或固件的被配置以用于实现与上面所描述的方法相对应的功能的处理器、计算机、部件、控制器、装置、模块和/或单元。
前面已经相当宽泛地概述了本发明的技术特征，以使本领域技术人员可以更好地理解随后的详细描述。在下文中将描述形成权利要求主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用所公开的概念和具体实施例作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还将认识到，这种等同构造并不脱离本发明的以其最宽泛的形式的精神和范围。
此外，在进行下面的详细描述之前，应该理解，贯穿本专利文件提供了对某些词和短语的各种定义，并且本领域普通技术人员将理解，这样的定义适用于许多(如果不是大多数)对这样定义的词语和术语的先前和未来的使用的示例。虽然一些术语可以包括各种各样的实施例，但是所附权利要求可以将这些术语明确地限制于特定的实施例。
附图说明
图1示出了有助于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的示例性系统的功能性框图。
图2示出了工具路径的示例图，3D打印机可以被配置以沿着该工具路径来沉积材料珠粒以构建产品。
图3示出了使用用于图2中所示的示例性的工具路径的默认不变的珠粒尺寸打印的层的示意图。
图4示出了用于图2中所示的示例性工具路径而生成的示例性的二进制图像。
图5示出了从图4中所示的二进制图像生成的距离变换图像的示例。
图6示出了从图5中所示的距离变换图像生成的最大值轮廓图像的示例。
图7示出了从图2中所示的二进制图像生成的扩张图像(dilated image)的示例。
图8示出了从图7中所示的扩张图像生成的切片打印区域图像的示例。
图9示出了从图8中所示的切片打印区域图像生成的边界图像的示例。
图10示出了从图9中所示的边界图像和图6中所示的最大值轮廓图像两者生成的轮廓图像的示例。
图11示出了从图10中所示的轮廓图像生成的模糊灰度图像的示例。
图12示出了使用用于图2中所示的示例性的工具路径的基于计算的珠粒尺寸图像的可变珠粒尺寸所打印的层的示意图。
图13示出了使用用于图2中所示的示例性的工具路径的基于计算的珠粒尺寸图像和0.75重叠参数的可变珠粒尺寸所打印的层的示意图。
图14示出了使用用于图2中所示的示例性的工具路径的基于计算的珠粒尺寸图像和1.25重叠参数的可变珠粒尺寸所打印的层的示意图。
图15示出了有助于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的示例性的方法的流程图。
图16示出了可以在其中实施实施例的数据处理系统的框图。
详细描述
现在将参考附图来描述关于有助于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的系统和方法的各种技术，在这些附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。以下讨论的附图和用于描述本专利文件中的本公开的原理的各个实施例仅仅是示例性的，而不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的装置中实施。应当理解，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件来执行。类似地，例如，一个元件可以被配置以执行被描述为由多个元件执行的功能。将参考示例性而非限制性的实施例来描述本申请的众多创新教导。
参见图1，其示出了示例性的数据处理系统100，该系统有助于执行本文描述的一个或多个实施例。系统100可以包括组合110，该组合110包括：至少一个处理器102(例如，微处理器/CPU)，该处理器102被配置以通过执行来自存储器104的可执行指令106(诸如软件指令)来实现本文所描述的各种过程和功能。所述可执行指令106对应于一个或多个软件应用108或该软件应用108的部分，所述软件应用108或其部分被编程以使该至少一个处理器实现本文所描述的各种过程和功能。
该存储器104可以对应于被包含在处理器中和/或与处理器可操作地连接的内部或外部的易失性存储器(例如，主存储器、CPU高速缓存(cache)和/或RAM)。这样的存储器104还可以对应于与处理器可操作地连接的非易失性存储器(例如，闪存、SSD(固态硬盘)、硬盘驱动器或其它存储设备或非瞬时性计算机可读介质)。
所描述的数据处理系统100可以包括与处理器可操作连接的至少一个输入设备112和至少一个显示设备114。所述输入设备例如可以包括鼠标、键盘、触摸屏或者能够向处理器提供用户输入的其它类型的输入设备。所述显示设备例如可以包括LCD或AMOLED显示屏、监控器或者能够显示来自处理器的输出的任何其它类型的显示设备。例如，处理器102、存储器104、软件指令106、输入设备112和显示设备114可以被包含为数据处理系统的一部分，该数据处理系统对应于PC、工作站、服务器、笔记本计算机、平板电脑、移动电话、任何其它类型的计算系统或者它们的任意组合。
数据处理系统100还可以包括一个或多个数据存储116。处理器102可以被配置以从数据存储116/在数据存储116中管理、检索、生成、使用、修改和存储数据和/或本文所描述的其它信息。数据存储的示例可以包括存储在数据库(例如，Oracle，Microsoft SQLServer)、文件系统、硬盘驱动器、SSD、闪存驱动器、存储卡和/或存储有非易失性数据的任何其它类型的设备或系统中的文件和/或记录。
在示例性的实施例中，软件应用程序108可以包括一个或多个PLM(产品生命周期管理)软件应用，其可以适于实现本文描述的一个或多个过程和功能。PLM软件可以包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工程(CAE)软件。所述PLM软件应用的示例可以包括由位于美国德克萨斯州普莱诺市(Plano)的西门子产品生命周期管理软件公司(Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.,)生产的NX应用套件、Solid Edge软件、和/或Teamcenter软件。然而，应当理解的是，也可以使用管理、检索、生成、使用、修改和/或存储产品数据的其它产品系统来实现本文描述的过程和功能。
这样的PLM软件应用程序可以被配置以生成工具路径(toolpath)指令158(例如，G代码或其它指令)，所述工具路径指令158可由三维(3D)打印机使用以生产产品，诸如基于该零件的3D模型(例如，实体模型、3D CAD模型、和/或几何模型)的零件。应当理解的是，3D打印机122对应于能够通过沉积材料(这些材料结合在一起以形成零件的实体结构)增材地制造(即，生产)3D零件的机器。3D打印机所采用的使用高功率激光器124或电子束来选择性地烧结或熔化粉末材料(通常是金属)以构建3D零件的增材制造过程的示例包括：选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)、选择性激光熔化(selective laser melting，SLM)和定向能量沉积(directed energy deposition，DED)。其它类型的3D打印机也可以应用用于选择性地沉积材料的其它技术来增材地构建零件。此外，应该理解的是，术语“构建”并不要求材料仅在垂直向上的方向上被构建，而是可以包括在水平方向上以及在垂直向下方向上构建零件，这取决于所使用的3D打印机的技术。
本文描述的示例可以应用于使用激光来熔化沉积材料的3D打印机。特别地，下面描述的示例可以与激光粉末沉积(laser powder deposition，LPD)3D打印机一起使用，该激光粉末沉积3D打印机是一种DED类型的3D打印机，该种3D打印机在沿着工具路径移动的同时使用激光束来熔化从喷嘴吹出的粉末材料。然而，本文提供的示例也可以适用于其它类型的3D打印机和增材制造技术。
应当理解的是，基于激光的3D打印机中的层形状的变化可能使其难以控制已打印零件的尺寸和公差。例如，其可能难以且(通常不可能)完全且专门地用均匀的珠粒尺寸(bead size)来填充层而不在少数位置处形成过度沉积或者沉积不足。
在克服该问题的一种方法中，在3D打印过程期间使用传感器的反馈控制可以用来监控和调节沉积层的高度。然而，在已经开始沉积之后，许多沉积问题可能是不可校正的。以下示例提供了替代或另外的方法，所述方法通过可控地改变3D打印机的一个或多个特定于过程的参数，在沿着工具路径的位置处主动地改变珠粒尺寸(例如，珠粒宽度、半径、直径)，以便提高沉积层的几何精度。
例如，示例性的实施例可以预先确定沿着被接收用于使用3D打印机生产产品的工具路径的每个位置处的珠粒尺寸变化。在示例性的实施例中，可以使用默认珠粒尺寸的认知来生成用于驱动3D打印机的指令(例如，G代码)，在该3D打印机中，调整诸如激光器功率和喷嘴速度的工艺参数(不需要调整工具路径的位置)，以便沿工具路径改变珠粒尺寸。当使用这种指令来驱动3D打印机时，这种珠粒尺寸变化可以克服过度沉积和沉积不足的问题，并且使所得物理产品的层的所得尺寸能够更精确地对应于生成工具路径的原始产品几何模型。
在该示例中，图像处理技术可用于确定可用于沿着层的工具路径改变珠粒尺寸的数据。以下描述了该方法的示例。然而，应该理解的是，所示的示例是针对该方法的特定示例。可替代的实施例可以基于适用于3D打印机的特定工艺参数及其期望使用的相关联的增材制造过程来采用可替代的特征。
例如，对系统100的输入可以包括至少一个工具路径Z，该工具路径Z对应于限定3D打印机的喷嘴在沉积材料以构建用于产品的层时将要跟随的工具路径的位置的数据。这样的工具路径Z可以使用处理所需产品的CAD模型的CAM软件来提前生成，该产品意图使用不变的激光宽度w经由3D打印机进行生产。
沉积的珠粒尺寸通常对应于激光宽度。因此，默认的珠粒半径可以假设等于激光宽度的一半(w/2)。图2示意性地示出了示例图，该示例图示出了将使用具有圆形形状的不变的默认的珠粒尺寸打印的层的示例性的工具路径Z 200。在该示例中，层的厚度假设是不变的。并且在该示例中，所述珠粒尺寸由其在平行于层的平面中的半径r决定。因此，该描述的示例涉及由沿着工具路径沉积的圆形珠粒形成的二维层。
图3示意性地示出了使用用于图2中所示的工具路径Z的不变的默认的珠粒尺寸(对应于默认的激光宽度)打印的层300的示例图。每个圆形表示沿工具路径的位置处的离散的珠粒尺寸。应当注意的是，在层的区域302中，由于使用所描绘的默认的珠粒尺寸，可能会发生沉积不足的现象。
示例性的实施例可以被配置以从工具路径Z生成二维(2D)图像。这样的图像可以被处理，以产生可用于主动地改变珠粒半径以便减轻在层的局部区域中材料的过度沉积和沉积不足的影响的数据。因此，在默认的珠粒尺寸产生了沉积不足的区域中增加珠粒半径，并且在默认的珠粒尺寸产生了过度沉积的区域中减小珠粒半径。
图4至图11示出了使用所描述的方法所产生的图像的示例。使用C++的CImg库来(至少部分地)生成这些图像。然而，应该理解的是，可替代的实施例可以使用能够实现相应的图像处理技术的任何软件库。
在该示例性的图像处理过程中的第一步骤可以是将沉积工具路径Z(图2中所示)转换为二进制图像Φ。工具路径Z可包括由层的局部坐标框架中的段的起始坐标和结束坐标(
Figure BDA0002148608940000061
和
Figure BDA0002148608940000062
)限定的喷嘴头的沉积路径的线段
Figure BDA0002148608940000063
通过在1至N之间的i的局部坐标框架中找到工具路径段的端部的最小和最大的X和Y坐标来确定该工具路径的轴线对齐边界框，其中，N是Z中的线段的总数。计算适当的变换参数，以适合二进制图像中的边界框以及周围的2w宽度的内边距(padding)，以确保边界附近的段有足够的空间。该内边距模拟在边界附近沉积时在实际场景中材料可能流动的空间。所述变换参数用于从局部层坐标框架转换为图像像素坐标，反之亦然。
可以通过在每个工具路径线段
Figure BDA0002148608940000064
的图像像素坐标中的起点和终点(
Figure BDA0002148608940000065
和
Figure BDA0002148608940000066
)之间创建单个像素宽度的线来生成二进制图像Φ上的工具路径。为此目的，例如可以采用线绘制算法。所述二进制图像可以具有黑色背景，带有表示工具路径的白色前景像素。然后可以将图像Φ用于后续处理，以估算沿着工具路径的珠粒尺寸。图4示出了用于图2中所示的示例性工具路径Z而生成的示例性的二进制图像Φ400。
所述图像处理还可以包括计算二进制工具路径图像Φ的距离变换(DΦ)。所述距离变换可以对关于最近的白色像素(即，该像素到最近的喷嘴头位置的距离)的在每个像素处的信息进行编码。此外，可以找到距离变换的局部最大值轮廓。根据该数据，可以计算局部最大值轮廓ξ(DΦ)，其描绘了边界，直到从喷嘴喷出的材料预期流动并填充区域的那些。可以通过在X和Y方向上独立地线性查找(每次一行/一列)来识别局部最大值轮廓并且获取所识别的最大值的布尔运算并集。在像素的任何线性列表中，如果满足以下两个条件中的任何一个，则位置i处的像素是局部最大值：
(d(i)>d(i-1))∧(d(i)>d(i+1))
(d(i)≥d(i-1))∧(d(i)≥d(i+1))∧(d(i)>d(i-2))∧(d(i)>d(i+2))
其中，d(·)是由其幅角(argument)指明的像素位置处的距离变换的值，而∧是逻辑与(AND)操作。可以仅将像素与第二邻居进行比较，因为二进制图像的距离变换可能不具有更大的平坦区域。对于图4中所示的二进制图像Φ，这种计算的距离变换DΦ图像500的示例在图5中示出，并且其距离变换的最大值轮廓ξ(DΦ)图像600在图6中示出。
距离变换DΦ的局部最大值轮廓ξ(DΦ)在两侧限制了所有工具路径段，除了切片打印区域的边界附近的段，所述切片打印区域边界附近的段仅在一侧(打印区域的内侧)受限制。为了添加缺失的边界，可以从二进制工具路径图像Φ提取切片打印区域Ω的边界，并将其与局部最大值轮廓ξ(DΦ)合并。
在所描述的方法中，切片打印区域Ω的边界可以使用扩张和闭合操作来近似。例如，工具路径的二进制图像Φ可以首先以直径w的圆形结构元素Γ来扩张，该直径w代表激光束。
如图7所示，所得的扩张图像700可以在具有稀疏的工具路径段(沉积不足区域)的区域中包括几个孔。可以使用形态闭合操作(morphological closing operation)来填充这些孔，所述形态闭合操作例如为扩张之后使用相同的直径w的圆形结构元素Γ进行侵蚀。可以通过利用小的3×3结构元素γ获取Ω与其侵蚀之间的布尔运算差来确定所得图像Ω的边界β(Ω)，使得：
Ω≈εΓ(δΓ(δΓ(Φ)))
β(Ω)＝Ω\εγ(Ω)
其中，εb(A)和δb(A)分别代表结构元素b对A的侵蚀和扩张。通过使用这些等式，可以如图8所示产生切片打印区域Ω800，以及图9中示出了切片打印区域Ω的计算出的边界β(Ω)900。然后可以利用布尔并集运算将距离变换的局部最大值轮廓ξ(DΦ)与切片打印区域的边界β(Ω)合并在一起，以形成图10中所示的轮廓图像Ψ1000。
所描述的图像处理还可以包括在像素坐标中使用具有w/2的标准偏差的高斯核(Gaussian kernel)来模糊图像Ψ。图11中示出了这种被模糊的图像1100的示例。该模糊用较高的值填充那些更接近更多白色的像素，反之亦然。模糊的图像的像素值提供了像素与周围轮廓的接近程度的近似的平均度量。在该示例中，通过从255(白色像素高值)减去所有像素值来反转模糊的图像。被反转的模糊的图像也在[0.25，1]范围内被归一化。
在归一化图像中的工具路径位置处的较高值表示需要在该位置处放置更多材料，因为它在平均值上更远离周围轮廓。因此，其提供了珠粒尺寸的指标。保留与工具路径(Φ>0)对应的像素的值，并将剩余像素设置为零。然后重新调整非零值以确保它们的和的两倍等于切片打印区域Ω的面积。该重新调整策略假设通过工具路径像素填充有材料的独特像素的数量等于该位置处的像素坐标中的珠粒直径。因此，在该示例中，该重新调整的值表示在相应位置处所需的(像素坐标中的)珠粒半径。这种通过像素值表示沿着工具路径的珠粒尺寸的图像被称为珠粒尺寸图像。
珠粒尺寸图像可以类似于图4中所示的二进制图像，然而，表示工具路径的白线被更新以包含表示对应于珠粒尺寸的像素值的各种灰度梯度。在该示例中，沿着工具路径对应于珠粒尺寸(例如珠粒半径)的像素值可以对应于与特定长度单位中的半径值相等或成比例或具有一些其它已知关系的值。
因此，可以使用缩放的像素值来计算工具路径上的任何位置处的推荐珠粒尺寸。对于工具路径上的任何点，最近的非零像素确定该点处的推荐珠粒尺寸。图12示出了将用沿着工具路径计算出的可变珠粒尺寸打印的层的示例性的示意图1200，所述工具路径示出有对应于沿着工具路径的珠粒尺寸绘制的圆形。
此外，通过使用乘数因子作为重叠参数138，可以控制沉积材料的重叠量。如图12所示，重叠参数的默认值可以是1。具有用作珠粒尺寸的乘数因子的具有不同重叠参数(0.75和1.25)的珠粒尺寸的两个示例在图13和图14的相应的图像1300和1400中示出。示例性的实施例可以使这种重叠参数成为用户可配置的参数(例如，通过图形用户界面进行配置)。
该描述的过程可以由图1中所示的数据处理系统来实施。在该示例中，处理器可以被配置以接收多个工具路径118，3D打印机可以被驱动以沿着该工具路径在多个层130中沉积材料126的珠粒128，以便增材地构建产品132。这样的工具路径可以由处理器接收，该处理器从执行CAM软件的实体模型160(例如，产品的CAD模型)生成工具路径。然而，也可以从数据存储116和/或其它数据处理系统检索这样的工具路径。
基于所述工具路径，处理器可以被配置以确定每一层的图像140，例如先前描述的二进制工具路径图像(参见图4)。另外，处理器可以被配置以基于默认的珠粒尺寸134实现所述图像的图像处理，以确定包含具有值156的像素154的每一层的珠粒尺寸图像152，所述值156指明了用于沿着工具路径的位置的珠粒尺寸。在该示例中，默认的珠粒尺寸134可以对应于和/或基于用于3D打印机120的激光器124的不变的激光束宽度。这种默认的珠粒尺寸134可以被存储在存储器104中和/或可以从数据存储116中访问，以与本文所述的计算一起使用。这种默认的珠粒尺寸也可以是经由软件应用108的GUI进行修改的用户可配置参数。
在示例性的实施例中，图像处理产生珠粒尺寸图像的像素值，所述像素值在沿着工具路径的多个不同位置处在幅度上变化，以便表示相对于默认的珠粒尺寸的更小和更大的珠粒尺寸。这种更小和更大的珠粒尺寸分别将3D打印机对材料的过度沉积和沉积不足最小化，否则以默认的珠粒尺寸会沿着工具路径在这些不同位置处发生材料的过度沉积和沉积不足。
另外，处理器可以被配置以基于所述工具路径以及沿着该工具路径的像素值，生成用于驱动3D打印机增材地构建所述产品的指令158(例如，G代码)。这种生成的指令可以改变工艺参数136，以便根据像素值改变珠粒尺寸，而不改变珠粒尺寸图像所基于的工具路径的相对位置。处理器参数的变化可以影响3D打印机120的喷嘴122输出材料126的方式和/或激光熔化材料的方式。例如，通过指令控制的所述处理器参数可以包括喷嘴速度和激光器功率。
如前面所述的，所述处理器可以被配置以基于工具路径为每一层生成二进制工具路径图像140，使得每一个二进制工具路径图像的像素具有指明了工具路径位置的一个值(例如，1-白色)以及指明了不存在工具路径位置的第二值(例如，0-黑色)。然后可以使用二进制工具路径图像以及对应于默认的珠粒尺寸的数据来实现图像处理。例如，所述图像处理可以包括将每一个二进制工具路径图像处理成模糊的灰度图像150，该模糊的灰度图像描绘了应当增加珠粒尺寸以填充未被工具路径以默认的珠粒尺寸填充的孔的位置(例如，参见图11)。基于这些灰度图像生成珠粒尺寸图像。
同样如前所述，所述图像处理可以包括若干步骤，这些步骤包括：处理每一个二进制工具路径图像140，以产生描绘每一层的外边界的边界图像142(例如，参见图9)。这些步骤还可以包括：处理每一个二进制工具路径图像140，以产生具有像素的距离变换图像144，所述像素具有表示到最近的喷嘴头位置的距离的值(参见图5)；以及处理每一个距离变换图像144，以产生局部最大值轮廓图像146，该局部最大值轮廓图像146描绘了从喷嘴喷出的材料预期流动并填充层的区域的边界(例如，参见图6)。
如前面所述的，所述图像处理步骤可以包括：将所述边界图像142和局部最大值轮廓图像146合并，以形成轮廓图像148(例如，参见图10)；以及模糊所述轮廓图像，以形成灰度图像150(例如，参见图11)。而且，如前面所讨论的，对所述轮廓图像146的模糊可以基于具有对应于像素坐标中的默认珠粒尺寸的一半的标准偏差的高斯核。然后可以对所得到的灰度图像进行反转，归一化，将不对应于工具路径的像素的像素值设置为零，并且将其重新调整以产生珠粒尺寸图像，其中，像素值的非零值被设置为对应于在工具路径的位置处的像素坐标中的珠粒尺寸半径。当生成用于驱动3D打印机的指令时，可以选择工艺参数，以至少部分地基于珠粒尺寸图像的像素值来控制沿着工具路径的珠粒尺寸，使得对于沿着工具路径的给定点，最近的非零像素被用于控制该点处的珠粒尺寸。
现在参见图15，示出了有助于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的方法1500。虽然该方法被描述为按一定顺序执行的一系列的动作，但应当理解的是该方法可以不受该顺序的次序的限制。例如，除非另有说明，否则一些动作可以以与本文描述的次序不同的次序发生。此外，在一些情况下，一个动作可能与另一动作同时发生。此外，在某些情况下，并非需要所有的动作来实施本文所述的方法。
该方法可以在1502开始，并且可以包括通过至少一个处理器的操作来实现的若干动作。这些动作可以包括：接收多个工具路径的动作1504，3D打印机可被操作以根据所述工具路径在多个层中沉积材料的珠粒，以便增材地构建产品。该方法还可以包括：基于所述工具路径确定每一层的图像的动作1506，以及基于默认的珠粒尺寸来处理图像，以确定包含具有值156的像素的每一层的珠粒尺寸图像的动作1508，其中，所述值指明了沿着所述工具路径的位置的珠粒尺寸。所述图像处理可以产生珠粒尺寸图像的像素值，所述像素值在沿着工具路径的多个不同位置处在幅度上变化，以便表示相对于默认的珠粒尺寸更小和更大的珠粒尺寸，这种更小和更大的珠粒尺寸分别将3D打印机对材料的过度沉积和沉积不足最小化，否则以默认的珠粒尺寸会沿着工具路径在这些不同位置处发生材料的过度沉积和沉积不足。此外，该方法可以包括：基于所述工具路径以及沿着该工具路径的像素值、生成用于驱动3D打印机以增材地构建所述产品的指令的动作1510，其中，所生成的指令改变工艺参数，以便根据像素值改变所述珠粒尺寸。该方法可以在1512结束。
而且，应当理解的是，该描述的方法可以包括与关于数据处理系统100的先前描述的特征相对应的附加动作和/或替代动作。所描述的动作可以由一个或多个处理器102实现。
此外，如本文所使用的，处理器对应于经由硬件电路、软件和/或固件被配置以处理数据的任何电子设备。例如，本文描述的处理器可以对应于微处理器、CPU、或者能够处理数据处理系统中的数据的任何其它集成电路(IC)或其它类型的电路中的一个或多个(或其组合)。应当理解的是，被描述或被要求为被配置以实现特定描述/要求的过程或功能的处理器可以：对应于以软件和/或固件形式执行存储在存储器中的计算机/处理器可执行指令的CPU以实现所描述/要求的过程或功能；和/或可以对应于与处理电路(例如，FPGA或ASIC集成电路)硬连接以实现所描述/要求的过程或功能的集成电路。
还应该理解的是，被描述或要求为被配置以实现特定描述/要求的过程或功能的处理器可以对应于处理器102的组合110，其中软件指令106被加载/安装到所描述的存储器中104(易失性和/或非易失性)，其中，这些软件指令当前正被执行和/或可用于由处理器执行，以使所述处理器实现所描述/要求的过程或功能。因此，断电或正在执行其它软件的处理器，但是该处理器具有以设置为由该处理器执行的方式(当由用户、硬件和/或其它软件启动时)安装在与其可操作地连接的存储设备(例如硬盘驱动器或SSD)上的所描述的软件指令，该处理器也可以对应于被配置以实现本文描述/要求的特定过程和功能的所描述/要求的处理器。
此外，在被配置以执行多于一个功能/过程的元件(例如，处理器)之前的短语“至少一个”可以对应于每一个执行功能/过程的一个或多个元件(例如，处理器)，还可以对应于分别实现一个或多个不同功能/过程中的不同功能/过程的两个或更多个元件(例如，处理器)。
重要的是要注意，尽管本公开包含在全部功能性系统和/或一系列动作的背景中的描述，但是本领域技术人员将理解，本公开和/或描述的动作的机制的至少一部分能够以被包含在任何各种形式的非暂时性机器可用的、计算机可用的或者计算机可读介质中的计算机/处理器可执行指令(例如，所描述的软件指令和/或相应的固件指令)的形式来被分布，无论用于实际实现分布的特定类型的指令或数据承载介质或存储介质如何，本发明均适用。非暂时性机器可用/可读或计算机可用/可读介质的示例包括：ROM、EPROM、磁带、硬盘驱动器、SSD、闪存、CD、DVD和蓝光光盘。计算机/处理器可执行指令可以包括：例程、子例程、程序、应用程序、模块、库等。此外，应当理解的是，计算机/处理器可执行指令可以对应于和/或可以从源代码、字节代码、运行时代码、机器代码、汇编语言、Java、JavaScript、Python、C、C#、C++或者可以被编程/配置为使得至少一个处理器执行本文所描述的动作和特征的其它形式的任何其它形式的代码来生成。更进一步的，所描述/要求的过程或功能的结果可以被存储在计算机可读介质中，并显示在显示设备上和/或类似装置上。
图16示出了数据处理系统1600(例如，计算机系统)的框图，其中，可以实施实施例，例如先前描述的系统100和/或可操作地由计算机/处理器可执行指令、电路或以其它方式配置以执行如本文所述的功能和过程的其它系统。所描绘的数据处理系统包括至少一个处理器1602(例如，CPU)，该处理器1602可以连接到一个或多个桥接器/控制器/总线1604(例如，北桥接器、南桥接器)。总线1604中的一个例如可以包括一个或多个I/O总线，例如PCI Express总线。在所描绘的示例中还连接到各种总线的设备可以包括主存储器1606(RAM)和图形控制器1608。图形控制器1608可以连接到一个或多个显示设备1610(例如，LCD或AMOLED显示屏、监视器、VR头戴式耳机和/或投影仪)。还应当注意的是，处理器1602可包括CPU高速缓冲存储器。此外，在一些实施例中，一个或多个控制器(例如，图形控制器，南桥接器)可以与CPU集成(在同一芯片或管芯上)。CPU架构的示例包括IA-32、x86-64和ARM处理器架构。
连接到一个或多个总线的其它外围设备可以包括可操作以连接到局域网(LAN)、广域网(WAN)、蜂窝网络和/或其它有线或无线网络1614的通信控制器1612(以太网控制器、WiFi控制器、蜂窝控制器)或者通信设备。
连接到各种总线的其它部件可以包括一个或多个I/O控制器1616，例如USB控制器、蓝牙控制器和/或专用的音频控制器(连接到扬声器和/或麦克风)。还应当理解的是，各种外围设备可以连接到一个或多个I/O控制器(通过各种端口和连接)，包括输入设备1618(例如，键盘、鼠标、指点器、触摸屏、触摸板、绘图板、轨迹球、按钮，小键盘、游戏控制器、游戏手柄、相机、麦克风、扫描仪，捕获运动手势的运动感测设备)、输出设备1620(例如，打印机、扬声器)或者可操作以向数据处理系统提供输入或接收来自该数据处理系统的输出的任何其它类型的设备。
而且，应当理解的是，被称为输入设备或输出设备的许多设备都可以提供输入并接收与数据处理系统通信的输出。例如，处理器1602可以集成到外壳(例如平板电脑)中，该外壳包括用作输入和显示设备的触摸屏。此外，应当理解的是，一些输入设备(诸如笔记本电脑)可以包括多种不同类型的输入设备(例如，触摸屏、触摸板和小键盘)。而且，应当理解的是，连接到I/O控制器1616的其它外围硬件1622可以包括被配置以与数据处理系统通信的任何类型的设备、机器或部件。
连接到各种总线的附加部件可以包括一个或多个存储控制器1624(例如，SATA)。所述存储控制器可以连接到存储设备1626，例如一个或多个存储驱动器和/或任何相关的可移动介质，其可以是任何合适的非暂时性机器可用或机器可读存储介质。示例包括：非易失性设备、易失性设备、只读设备、可写设备、ROM、EPROM、磁带存储器、硬盘驱动器、固态驱动器(SSD)、闪存、光盘驱动器(CD、DVD、蓝光))以及其它已知的光学、电学或磁性存储设备驱动器和/或计算机媒体。同样在一些示例中，诸如SSD的存储设备可以直接地连接到诸如PCI Express总线的I/O总线1604。
根据本发明的实施例的数据处理系统可以包括操作系统1628、软件/固件1630和数据存储1632(其可以存储在存储设备1626和/或存储器1606上)。所述操作系统可以采用命令行界面(command line interface，CLI)壳和/或图形用户界面(graphical userinterface，GUI)壳。GUI壳允许多个显示窗口同时呈现在图形用户界面中，每一个显示窗口提供有不同应用程序界面或同一个应用程序的不同实例的界面。用户可以通过诸如鼠标或触摸屏之类的指点设备来操纵图形用户界面中的光标或指针。可以改变光标/指针的位置和/或可以生成诸如点击鼠标按钮或触摸触摸屏之类的事件，以驱动所期望的响应。可在数据处理系统中使用的操作系统的示例可以包括：Microsoft Windows、Linux、UNIX、iOS和Android操作系统。此外，数据存储的示例包括数据文件、数据表、关系数据库(例如，Oracle、Microsoft SQL Server)、数据库服务器、或能够存储数据并且可由处理器检索的任何其它结构和/或设备。
通信控制器1612可以连接到网络1614(其可以是或可以不是数据处理系统1600的一部分)，该网络1614可以是任何本地、广域、远程、私有和/或公共数据处理系统网络或如本领域技术人员已知的网络的组合，包括因特网。数据处理系统1600可以通过网络1614与一个或多个其它数据处理系统(例如服务器1634(其可以组合以对应于更大的数据处理系统))进行通信。例如，较大的数据处理系统可以对应于作为分布式系统的一部分实施的多个较小的数据处理系统，其中与若干较小的数据处理系统相关联的处理器可以通过一个或多个网络连接的方式进行通信，并且可以共同地执行描述为由单个较大数据处理系统执行的任务。因此，应当理解的是，当提及数据处理系统时，这种系统可以被实施为由彼此经由网络通信的分布式系统组织的跨若干数据处理系统。
还应该理解的是，术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何设备、系统或其部分，无论这种设备是以硬件、固件、软件还是其任何组合实施的。应当注意的是，与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。所描述的处理器和存储器可以包括在控制器中。此外，控制器可以对应于所描述的数据处理系统或者可操作以控制至少一个操作的任何其它硬件电路。
另外，应当理解的是，所述数据处理系统可以包括虚拟机架构或云环境中的虚拟机。例如，处理器1602和相关的部件可以对应于在物理数据处理系统的一个或多个物理处理器中操作的虚拟机的一个或多个虚拟机处理器的组合。所述虚拟机架构的示例包括VMware ESCi、Microsoft Hyper-V、Xen和KVM。
此外，应当注意的是，本文所描述的处理器可以对应于位于数据处理系统中的远程处理器，例如远离本文所述描述的显示和输入设备的服务器。在所述示例中，所描述的显示设备和输入设备可以包括在客户端数据处理系统(其可以具有其自己的处理器)中，该客户端数据处理系统通过有线或无线网络(其可以包括互联网)与服务器(包括远程处理器)进行通信。在一些实施例中，这样的客户端数据处理系统例如可以执行远程桌面应用程序，或者可以对应于利用服务器实现远程桌面协议的门户设备，以便将输入从输入设备发送到服务器并且从服务器接收视觉信息，以通过显示设备进行显示。所述远程桌面协议的示例包括Teradici的PCoIP，Microsoft的RDP和RFB协议。在其它的示例中，这种客户端数据处理系统可以执行web浏览器或瘦客户端应用程序。来自用户的输入可以从Web浏览器或瘦客户端应用程序传输，以在服务器上被评估，由服务器呈现，并且图像(或一系列图像)被发送回客户端数据处理系统以由Web浏览器或瘦客户端应用显示所述图像。同样在一些示例中，本文描述的远程处理器可以对应于在服务器的物理处理器中执行的虚拟机的虚拟处理器的组合。
本领域普通技术人员应当理解，针对数据处理系统描绘的硬件可以针对特定的实施方式而变化。例如，该示例中的数据处理系统1600可以对应于控制器、计算机、工作站、服务器、PC、笔记本计算机、平板电脑、移动电话和/或可操作以处理数据并且实现与本文所讨论的数据处理系统、计算机、处理器、软件零件和/或控制器的操作相关联的本文所描述的功能和特征的任何其它类型的装置/系统。所描绘的示例仅出于解释的目的而被提供，并不意味着暗示了关于本公开的架构限制。
本领域技术人员将认识到，为了简化和清楚起见，适用于本发明的所有数据处理系统的完整结构和所有操作并未被本文未描绘或描述。相反，仅描绘和描述了对于本公开而言是独特的或者对于理解本发明所必需的数据处理系统的那些部分。数据处理系统1600的其余结构和操作可以符合本领域中已知的各种当前实施方式和实践中的任何一种。
如本文所使用的，术语“部件”和“系统”旨在涵盖硬件、软件或硬件和软件的组合。因此，例如，系统或部件可以是进程、在处理器上执行的进程、或者处理器。另外，部件或系统可以位于单个设备上或分布在多个设备上。
此外，应当理解的是，除非在一些示例中明确限制，否则本文中使用的词语或短语应当被宽泛地解释。例如，术语“包括”和“包含”及其派生词意指包含但不限于此。除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在也包括复数形式。此外，本文使用的术语“和/或”是指并涵盖一个或多个相关所列术语的任何和所有可能的组合。除非上下文另有明确地说明，否则术语“或”是包含性的，意为和/或。短语“与…相关联”和“与其相关联”及其衍生词可以意为：包括、包含在其中、与其互连、包含、包含在其中、连接到或与…连接、耦合到或与…耦合、与…通信、与…协作、交错、并置、接近于、被约束到或受到…约束、具有、具有…属性等。
此外，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应受限于这些术语。相反，这些数字形容词用于区分不同的元件、信息、功能或动作。例如，第一元件、第一信息、第一功能或第一动作可以被称为第二元件、第二信息、第二功能或第二动作，类似地，第二元件、第二信息、第二功能或第二动作可以被称为第一元件、第一信息、第一功能或第一动作，而并不脱离本发明的保护范围。
另外，术语“邻近于”可以表示：元件相对接近但不与另一元件接触；或者该元件与另一部分接触，除非上下文另有明确的说明。此外，除非另有明确的说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。
尽管已经详细描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离以其最宽泛的形式的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、替换、变化和改进。
本发明中的任何描述都不应理解为暗示任何特定的元素、步骤、行为或功能是必须包括在权利要求范围内的基本元素：所申请的主题的范围仅由所允许的权利要求来确定。此外，这些权利要求都不旨在引用“装置加功能的”权利要求架构，除非确切的词语“用于…的手段”后面跟着现在分词。

Claims (15)

1.一种用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的系统（100），包括：
至少一个处理器（102），其通过被包含在至少一个存储器（104）中的可执行指令（106）而被配置以：
接收多个工具路径（118），3D打印机（120）可操作为根据所述多个工具路径（118）在多个层（130）中沉积珠粒（128）形式的材料（126），以便增材地构建产品（132）；
基于所述工具路径确定每一层的图像（140、400）；
基于默认的珠粒尺寸（134）处理所述图像，以确定包含具有值（156）的像素（154）的每一层的珠粒尺寸图像（152），所述值（156）指明了沿着所述工具路径的位置的珠粒尺寸；
其中，图像处理产生所述珠粒尺寸图像的像素值，所述像素值在沿着所述工具路径的多个不同位置处在幅度上变化，以便表示相对于所述默认的珠粒尺寸更小和更大的珠粒尺寸，更小和更大的珠粒尺寸分别将3D打印机对材料的过度沉积和沉积不足最小化，否则以默认的珠粒尺寸进行沉积会沿着所述工具路径在这些不同位置处发生材料的过度沉积和沉积不足；
基于所述工具路径以及沿着所述工具路径的像素值，生成用于驱动所述3D打印机以增材地构建所述产品的工具路径指令（158），其中，所生成的所述工具路径指令改变工艺参数（136），以便根据所述像素值改变所述珠粒的尺寸。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述每一层的图像（140）包括二进制工具路径图像（400），其中，每一个所述二进制工具路径图像具有指明了工具路径位置的一个值以及指明了不存在工具路径位置的第二值，其中，使用所述二进制工具路径图像以及与所述默认的珠粒尺寸对应的数据来实现所述图像处理。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述图像处理包括将每一个所述二进制工具路径图像处理成灰度图像（150，1100），所述灰度图像描绘了应当增加珠粒尺寸以填充未被工具路径用所述默认的珠粒尺寸填充的孔的位置，其中，基于所述灰度图像生成所述珠粒尺寸图像。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述图像处理包括：
处理每一个所述二进制工具路径图像，以产生描绘了每一层的外边界的边界图像（142，900）；
处理每一个所述二进制工具路径图像，以产生距离变换图像（144，500），所述距离变换图像（144，500）具有像素，所述像素具有表示到最近的喷嘴头位置的距离的值；
处理每一个所述距离变换图像，以产生局部最大值轮廓图像（146，600），所述局部最大值轮廓图像描绘了从所述喷嘴头喷出的材料预期流动并填充层的区域的边界；
将所述边界图像和所述局部最大值轮廓图像合并，以形成轮廓图像（148，1000）；和
模糊所述轮廓图像，以形成灰度图像（150，1100）。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，模糊所述轮廓图像是基于具有对应于像素坐标中的所述默认的珠粒尺寸的一半的标准偏差的高斯核，其中所述图像处理还包括：
反转并归一化所述灰度图像；
将与所述工具路径不对应的像素的像素值设置为零；和
通过将所述像素值的非零值重新调整为对应于在所述工具路径的所述位置处的像素坐标中的珠粒尺寸半径来产生所述珠粒尺寸图像。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，选择所述工艺参数，以基于所述珠粒尺寸图像的所述像素值来控制沿着所述工具路径的珠粒尺寸，使得对于沿着所述工具路径的给定点，最近的非零像素被用于控制该点处的珠粒尺寸，其中，所述工艺参数包括激光器功率、喷嘴速度或者其任意组合。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所生成的所述工具路径指令包括G代码，所述系统还包括3D打印机，所述3D打印机具有输出材料（126）的喷嘴（122）和熔化所述材料的激光器（124），其中，所述默认的珠粒尺寸对应于所述激光器产生的激光束的宽度；其中所述至少一个处理器被配置由从数据存储（116）检索的实体模型（160）生成所述工具路径指令。
8.一种用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的方法（1500），包括：
通过至少一个处理器操作：
接收（1504）多个工具路径（118），3D打印机（120）可操作为根据所述多个工具路径在多个层（130）中沉积珠粒（128）形式的材料（126），以便增材地构建产品（132）；
基于所述工具路径确定（1506）每一层的图像（140，400）；
基于默认的珠粒尺寸（134）处理（1508）所述图像，以确定包含具有值（156）的像素（154）的每一层的珠粒尺寸图像（152），所述值（156）指明了沿着所述工具路径的位置的珠粒尺寸；
其中，图像处理产生所述珠粒尺寸图像的像素值，所述像素值在沿着所述工具路径的多个不同位置处在幅度上变化，以便表示相对于所述默认的珠粒尺寸更小和更大的珠粒尺寸，更小和更大的珠粒尺寸分别将3D打印机对材料的过度沉积和沉积不足最小化，否则以默认的珠粒尺寸进行沉积会沿着所述工具路径在这些不同位置处发生材料的过度沉积和沉积不足；
基于所述工具路径以及沿着所述工具路径的所述像素值，生成（1510）用于驱动所述3D打印机以增材地构建所述产品的工具路径指令（158），其中，所生成的所述工具路径指令改变工艺参数（136），以便根据所述像素值改变所述珠粒的尺寸。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述每一层的图像（140）包括二进制工具路径图像（400），其中，每一个所述二进制工具路径图像具有指明了工具路径位置的一个值以及指明了不存在工具路径位置的第二值，其中，使用所述二进制工具路径图像以及与所述默认的珠粒尺寸对应的数据来实现所述图像处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述图像处理包括将每一个所述二进制工具路径图像处理成灰度图像（150，1100），所述灰度图像描绘了应当增加珠粒尺寸以填充未被工具路径用默认的珠粒尺寸填充的孔的位置，其中，基于所述灰度图像生成所述珠粒尺寸图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述图像处理包括：
处理每一个所述二进制工具路径图像，以产生描绘了每一层的外边界的边界图像（142，900）；
处理每一个所述二进制工具路径图像，以产生距离变换图像（144，500），所述距离变换图像（144，500）具有像素，所述像素具有表示到最近的喷嘴头位置的距离的值；
处理每一个所述距离变换图像，以产生局部最大值轮廓图像（146，600），所述局部最大值轮廓图像描绘了从所述喷嘴头喷出的材料预期流动并填充层的区域的边界；
将所述边界图像和所述局部最大值轮廓图像合并，以形成轮廓图像（148，1000）；和
模糊所述轮廓图像，以形成所述灰度图像（150，1100）。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，模糊所述轮廓图像是基于具有对应于像素坐标中的所述默认的珠粒尺寸的一半的标准偏差的高斯核，其中所述图像处理还包括：
反转并归一化所述灰度图像；
将与所述工具路径不对应的像素的像素值设置为零；和
通过将所述像素值的非零值重新调整为对应于在所述工具路径的所述位置处的像素坐标中的珠粒尺寸半径来产生所述珠粒尺寸图像。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，选择所述工艺参数，以基于所述珠粒尺寸图像的所述像素值来控制沿着所述工具路径的珠粒尺寸，使得对于沿着所述工具路径的给定点，最近的非零像素被用于控制该点处的珠粒尺寸，其中，所述工艺参数包括激光器功率、喷嘴速度或者其任意组合。
14.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所生成的所述工具路径指令包括G代码，还包括3D打印机，所述3D打印机具有输出材料（126）的喷嘴（122）和熔化所述材料的激光器（124），其中，所述默认的珠粒尺寸对应于所述激光器产生的激光束的宽度；所述至少一个处理器被配置以由从数据存储（116）检索的实体模型（160）生成所述工具路径，并且还包括：
利用基于所生成的所述工具路径指令配置的所述3D打印机来构建所述产品。
15.一种非瞬时性计算机可读介质（1626），其被编码有处理器可执行指令（106，1630），当所述处理器可执行指令由至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器（102，1602）实现根据权利要求8至14中任一项所述的用于在增材制造过程中提供珠粒尺寸变化以提高沉积层的几何精度的方法。
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