CN111093995A - 外壳支撑生成方法 - Google Patents

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Abstract

三维打印系统包括执行制造三维制品的方法的控制器。所述方法包括步骤A和B，其包括（A）提供限定具有限定的外表面的三维对象的初始数据，以及（B）修改初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象。步骤B包括（1）在限定的外表面内限定一空腔，所述空腔以一内表面为界，所述三维对象是具有在限定的外表面和内表面之间的外壳厚度的外壳，（2）分析对象的横向区段以检测横向区段的部分，所述部分对于给定横向区段是未连接或未支撑部分，以及（3）生成将横向区段的未连接或未支撑部分连接到外壳的另一部分的支撑梁。

Description

外壳支撑生成方法
相关申请的交叉引用
该非临时专利申请要求于2017年7月17日提交的、Chris Robert Manners的、标题为“Shell Support Generation Method”、序列号为62/533,378的美国临时申请的优先权，所述美国临时申请通过引用、受益于美国法典119(e)条被并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于三维制品的数字制造的装置和方法。更具体地，本发明涉及减少材料使用同时维持模型的结构完整性的有效方式。
背景技术
三维打印机被广泛使用。三维打印机技术的示例包括立体光刻、选择性激光烧结和熔融沉积成型等。一些三维打印机要求三维制品用不同支撑材料或由相同材料制成的支撑结构支撑。存在最小化或消除用于一些三维制品的这种支撑材料或支撑结构的需要。
发明内容
在本公开的第一方面中，三维打印系统包括执行制造三维制品的方法的控制器。所述方法包括步骤A和B，其包括（A）提供限定具有限定的外表面的三维对象的初始数据，以及（B）修改初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象。步骤B包括（1）在限定的外表面内限定一空腔，所述空腔以一内表面为界，所述三维对象是具有在限定的外表面和内表面之间的外壳厚度的外壳，（2）分析所述三维对象的横向区段以检测横向区段的部分，所述部分作为步骤（1）的结果而对于给定横向区段是未连接或未支撑部分，以及（3）生成将横向区段的未连接或未支撑部分连接到外壳的另一部分的梁。
在本公开的第二方面中，三维打印系统包括执行制造三维制品的方法的控制器。某些实施例的方法包括以下步骤：（A）提供或接收限定三维对象的初始数据。（B）根据以下步骤修改初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象：（1）将三维对象切成各个具有外边界的切片。（2）对于各个切片，在外边界内限定内边界，由此所述内边界限定在切片中的开口，并且由此针对多个连续切片的限定的开口限定在三维对象内的空腔，所述空腔以内表面为界。（3）处理限定内表面的数据，由此在三维对象的外表面和内表面之间形成期望厚度的外壳。（4）限定一个或多个连续切片的横向区段，并在横向区段中搜索横向区段的未连接或未支撑部分。（5）当发现横向区段的未连接或未支撑部分时，生成将横向区段的未连接或未支撑部分耦合到外壳的另一部分的支撑梁。
在一个实施方式中，支撑梁可以横向延伸。在另一个实施方式中，支撑梁可以垂直延伸。在又一实施方式中，支撑梁的延伸可具有垂直和横向分量两者。
在本公开的第三方面中，三维打印系统包括执行制造三维制品的方法的控制器。某些实施例的方法包括以下步骤：（A）提供或接收限定三维对象的初始数据。（B）根据以下步骤修改初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象：（1）将三维对象切成厚度为t并各个具有外边界的切片。（2）限定各个包括N个切片并从而各个具有等于N乘以t的外壳厚度S的横向区段。（3）对于各个切片，在外边界内限定内边界，由此内边界限定在切片中的开口，并且由此针对多个连续切片的限定的开口限定在三维对象内的空腔，所述空腔以内表面为界，所述内表面被三维对象的外表面围绕，其中它们之间有初始外壳。（4）处理限定内表面和外表面的数据包括，通过限定的距离使面向上的表面向下投影并且通过预定的距离使面向下的表面向下投影，并在初始外壳和投影材料之间进行布尔并集以限定在内表面和外表面之间具有大约S的厚度的外壳。（5）分析横向区段以标识横向区段的未连接或未支撑部分。（6）当发现横向区段的未连接或未支撑部分时，生成将横向区段的未连接或未支撑部分耦合到外壳的另一部分的支撑梁。
在一个实施方式中，支撑梁可以横向延伸。在另一个实施方式中，支撑梁可以垂直延伸。在又一实施方式中，支撑梁的延伸可具有垂直和横向分量两者。
附图说明
图1A是描绘三维打印系统的第一实施例的示意性框图。
图1B是描绘三维打印系统的第二实施例的示意性框图。
图2是描绘用于利用图1A或1B的系统形成三维制品的方法的部分的流程图。
图3A描绘穿过初始实体模型60的横截面（阴影）（cross section）。
图3B是描绘每个均包括N个切片的“横向区段（cross section）”之间的划分（虚线）的截面图。
图3C描绘从图3B的指示位置取得的切片。
图3D描绘其中一材料窗口被移除的图3C的切片。
图3E是描绘“带壳的”模型70的截面图。
图3F描绘在图3E中被指示为3F的横向区段。
图3G描绘具有梁的图3F的横向区段，所述梁将横向区段的未支撑部分与外围部分耦合。
图3H是描绘带壳并被支撑的模型78的截面图。
图4A描绘具有最小尺寸的横梁的使用。
图4B是描绘使用图4A的最小化梁的带壳并被支撑的模型78的截面图。
具体实施方式
图1A是描绘三维（3D）打印系统2的第一实施例的示意性框图。在该图和其他图中，将使用相互垂直的轴X、Y和Z。轴X和Y是横轴。在一些实施例中，X和Y也是水平轴。轴Z是中心轴。在一些实施例中，Z是垂直轴。在一些实施例中，方向+Z一般为向上，并且方向-Z一般为向下。
三维打印系统2包括包含光固化树脂6的容器4。在支撑固定装置10上形成三维制品8。三维制品8以逐层的方式、通过移动机构12和激光系统14在光固化树脂6的聚合层中的作用而形成。本发明的另外的实施例包括可替换的三维打印系统，其可以使用或可以不使用光固化树脂来制造三维制品。
图1A的三维打印系统2包括：耦合到移动机构12、激光系统14和三维打印系统2的其他部分的控制器16。控制器16最初接收初始数据文件18，所述初始数据文件18限定具有限定的外表面的三维对象。控制器16处理并修改初始数据文件18，从而产生经修改的数据文件。经修改的数据文件限定带壳并被支撑的三维对象8。然后，控制器利用经修改的数据文件来控制运动机构12、激光系统14，并形成带壳并被支撑的三维制品8。
三维打印系统2最初通过将树脂6的薄层放置在支撑固定装置10顶上来进行操作。激光系统14在树脂6的薄层之上选择性地扫描激光束，以限定三维制品8的“切片”。然后，移动机构12将支撑固定装置10降低一个切片厚度，并使得新的树脂层驻留在三维制品8之上。然后，激光系统在新的树脂层之上选择性地扫描激光束，以向三维制品8上递增地形成新的硬化树脂切片。此过程继续进行直到完全形成三维制品8为止。本发明的另外的实施例包括可替换的光源，这样的空间光调制器或当前存在或此后设计的其他光源。
图1A的控制器16包括耦合到信息存储设备（未示出）的处理器（未示出）。信息存储设备存储指令，所述指令在执行时修改初始数据文件18，并操作打印系统2的组件，包括移动机构12和激光系统14。控制器16可以位于一个模块、电路板或基板上，或者它可以分布在相对于打印系统2的位置在内部和/或外部的多个位置处。控制器16可能需要许多不同的计算机，包括客户端设备、服务器和处理器，其位于一处或分布在多个地理位置处。
图1B描绘三维打印系统22的第二实施例。容器24包含光固化树脂26。透明片材27形成光固化树脂26的下限。在支撑固定装置30上形成三维制品28。三维制品28以逐层的方式、通过移动机构32和光引擎34在光固化树脂26的聚合层中的作用而被形成到支撑固定装置30的下表面上。
三维打印系统22包括耦合到移动机构32、光引擎34和三维打印系统22的其他部分的控制器36。控制器36最初接收初始数据文件38，其限定具有限定的外表面的三维对象。控制器36处理和修改初始数据文件38，从而产生经修改的数据文件。经修改的数据文件限定带壳并被支撑的三维对象28。然后，控制器利用经修改的数据文件来控制移动机构32、光引擎34，并形成带壳并被支撑的三维产品28。
最初，有一树脂薄层，其将支撑固定装置30的下表面和透明片材27分离。光引擎34将像素化的光向上投射穿过透明片材27，以选择性地将树脂薄层的部分固化以从而限定三维制品28的“切片”。然后，移动机构32将支撑固定装置20抬高一个切片厚度。然后，光引擎34将像素化的光向上投射穿过透明片材27，以将向三维制品28的下面上形成下一硬化树脂切片。该过程继续进行直到完全形成三维制品28为止。
图2是描绘用于形成三维制品8或28的方法的部分的流程图。图3A-H是方法40的过程中的一些的示例性图示。
根据步骤42，控制器16接收限定三维对象的初始数据文件18或38。初始数据限定典型地是实体的对象。这在图3A中被描绘，其图示穿过初始实体对象60的横截面。所图示的对象60具有将有利于描述方法40的其余步骤的几何形状。阴影或加影线区域表示实体对象60中的实体材料（无内部空腔）。
根据步骤44，将实体对象60被切成各个厚度为t的水平切片。水平切片表示在递增地降低支撑固定装置10（图1A）之前可以通过激光系统14的操作来聚合的各个厚度。可替换地，水平切片表示在递增地升高支撑固定装置30（图1B）之前可以由光引擎34聚合的各个厚度。在一个实施例中，t为大约0.1毫米（mm）。
而且作为步骤44的部分，有横向区段被限定。横向区段被限定为N个连续切片的堆叠。因此，横向区段具有等于S = N x t的厚度。在一个实施例中，S等于外壳厚度。在特定实施例中，N ＝ 20并且S ＝ 2.0毫米（mm）。图3B描绘由水平截面线62划分为横向区段的实体模型60。
根据步骤46，在切片中形成开口。图3C描绘从图3B的指示位置取得的切片。切片具有外边界64。根据正交于外边界的向内距离S限定内边界66。而且根据步骤46，内边界被“反转”，以便限定如图3D中所描绘的以内边界66为界的窗口或开口68。当对模型60中的许多或所有切片执行这时，结果是空心模型。
根据步骤48，通过距离S使切片的某些面向下的表面向上投影。根据步骤50，通过距离S使某些面向上的表面向下投影。根据步骤52，对先前的3D模型和来自步骤48和50的投影材料的组合执行布尔并集运算，以消除冗余的重叠材料。结果是如图3E中图示的空心外壳（或带壳的三维对象）70。
根据步骤54，对数据进行分析以标识横向区段的未被下面的（或对于某些打印系统实施例，上面的）材料支撑的部分。图3F是来自图3E 的指示的区段的横向区段。指示的区段具有支撑的外部72和未支撑或未连接部分74。未支撑部分74没有任何在下面的材料支撑。
根据步骤56，在未支撑或未连接部分74与横向区段的支撑的外部72之间耦合至少一个支撑梁76，如图3G和3H中图示的。在图示的实施例中，支撑梁76沿着X轴延伸，并且在两个位置中将未支撑部分74耦合到横向区段的支撑的外部72。根据步骤58，执行布尔运算以消除支撑的外部72、（多个）梁76和未支撑部分74之间的冗余材料。结果是带壳并被支撑的三维对象78。在另外的实施例中，支撑梁沿X轴、Y轴和/或Z轴延伸。
在一个实施例中，步骤56的部分是确定将未支撑部分74耦合到支撑的外部72的最短的（多个）梁76。然后，将梁76沿该方向定向以便减少材料使用。这在图4A和4B 中被图示。在图示的实施例中，最短的梁可以沿着Y轴限定。然而，在其他实施例中，可以沿着具有X和Y分量矢量两者的方向来限定最短的梁。
以上描述的特定实施例及其应用仅用于说明目的，并不排除由所附权利要求的范围涵盖的修改和变化。

Claims (20)

1.一种制造三维制品的方法，包括：
提供初始数据，所述初始数据限定具有限定的外表面的三维对象；
根据以下步骤，修改所述初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象：
在所限定的外表面内限定空腔，所述空腔以内表面为界，三维对象是具有在所限定的外表面和内表面之间的外壳厚度的外壳；
分析三维对象的横向区段以检测横向区段的部分，所述部分对于给定的横向区段是未连接或未支撑部分；和
生成将横向区段的未连接或未支撑部分连接到外壳的另一部分的支撑梁。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述初始数据限定的三维对象是大部分或全部实体的对象。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，限定所述空腔包括在三维对象的各个切片中形成开口。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，限定所述空腔包括使所述外壳的部分加厚以提供期望的外壳厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，分析横向区段包括搜索在横向区段上方或下方没有材料支撑的横向区段。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在生成所述支撑梁之前，确定使材料的使用最小化的所述支撑梁的取向。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括使用经修改的数据来印刷具有限定的外表面的外壳。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑梁是将横向区段的未连接或未支撑部分横向支撑到所述外壳的另一部分的横向梁。
9.一种制造三维制品的方法，包括：
提供限定三维对象的初始数据；和
根据以下步骤修改初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象：
将三维对象切成各个具有外边界的切片；
对于各个切片，在外边界内限定内边界，由此内边界限定切片中的开口，并且由此针对多个连续切片的限定的开口限定在三维对象内的空腔，所述空腔以内表面为界；
处理限定内表面的数据，从而在三维对象的外表面和内表面之间形成期望厚度的外壳；
限定一个或多个连续切片的横向区段，并在横向区段中搜索横向区段的未连接或未支撑部分；和
当发现横向区段的未连接或未支撑部分时，生成将横向区段的未连接或未支撑部分耦合到外壳的另一部分的支撑梁。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括处理外表面的数据以用于形成期望厚度的外壳。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，处理限定内表面和外表面的数据包括限定面向上和面向下的表面的投影。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，处理数据还包括在三维对象和投影之间形成布尔并集以消除冗余的重叠体素。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，横向区段各个包括多个连续切片。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，横向区段具有与所述外壳近似相同的厚度。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括在生成所述支撑梁之前，确定使材料的使用最小化的所述支撑梁的取向。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括使用经修改的数据来打印外壳。
17.一种制造三维制品的方法，包括：
提供限定三维对象的初始数据；和
根据以下步骤修改初始数据以限定带壳并被支撑的三维对象：
将三维对象切成厚度为t并各个具有外边界的切片；
限定各个包括N个切片并从而各个具有等于N乘以t的外壳厚度S的横向区段；
对于各个切片，在外边界内限定内边界，由此内边界限定在切片中的开口，并且由此针对多个连续切片的限定的开口限定在三维对象内的空腔，所述空腔以内表面为界，所述内表面被三维对象的外表面围绕，其中它们之间有初始外壳；
处理限定内表面和外表面的数据包括，通过限定的距离使面向上的表面向下投影并且通过预定的距离使面向下的表面向下投影，并在初始外壳和投影材料之间进行布尔并集以限定在内表面和外表面之间具有大约S的厚度的外壳；
分析横向区段以标识横向区段的未连接或未支撑部分；和
当发现横向区段的未连接或未支撑部分时，生成将横向区段的未连接或未支撑部分耦合到外壳的另一部分的支撑梁。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，用于投影表面的限定的距离近似等于S。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括在生成所述支撑梁之前，确定使材料的使用最小化的所述支撑梁的取向。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括使用经修改的数据打印外壳。
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