CN114103107A - 一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3d打印方法 - Google Patents

一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法，步骤如下：先将3D模型进行自适应切片，然后将切片文件放入打印机进行打印，打印的时候打印机根据预先设定的曝光参数列表按切片的层厚自动插值出当前层的曝光时间。本发明的技术效果和优点：提出了先按最大层厚切片，然后按特征继续细分的方法，节省了切片耗时的问题；提出按二分法插入新的切片分层，便于进行多核并行计算；提出自动曝光参数选择，解决了自适应层厚曝光时间难以确定的问题；充分利用光固化面成型切片(即切片生成二维图像)的特点，利用相邻层图像异或运算求相邻层之间的差异。

Description

一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打 印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地说是一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法。
背景技术
目前光固化面成型(DLP,LCD)方法通常使用均匀切片并选择手动选择相应的曝光参数进行打印。均匀切片意味着一些很简单的模型都需要切片成很多层才能进行打印，或者是一些模型某些部分很精细某些部分特征变化不大甚至某些部分没有变化，但打印时为了保持模型的精细部分会统一将模型按照最小层厚进行切片打印。这样做将耗费大量的打印时间，使得打印机的工作效率难以提升。
目前也有一些关于自适应分层的方法，但都是基于FDM打印机的，并且都是基于先按照最小层厚切片，然后合并特征变化不大的相邻层。这无疑将增加切片的时间。
发明内容
本发明意在提高光固化面成型(DLP,LCD)打印机的打印效率，提出的自适应切片是根据光固化面成型所特有的切片特点(即切片生成二维图像)，利用了相邻层切片图像的差异，并且根据切片中的不同层厚提出了自动曝光参数选择的方法，使得提高光固化打印成为现实。在提高光固化打印机效率的同时能够保持其高精度的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法，步骤如下：先将3D模型进行自适应切片，然后将切片文件放入打印机进行打印，打印的时候打印机根据预先设定的曝光参数列表按切片的层厚自动插值出当前层的曝光时间；
其中，自适应切片的方法会在每一层切片时加入当前层层厚H这个参数；具体方法如下：
A1.设置最小层厚Hmin和最大层厚Hmax；
A2.按最大层厚Hmax对三维模型进行均匀切片，得到N层切片图像；
A3.按Z轴从下到上，依次从第1层到倒数第二层循环判断当前层和下一层在图像层面上的差异；具体做法如下：
A4.令层i为当前层；层j为下一层，即层j为i+1层。
A5.将i层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff；
A6.计算异或图像diff和当前层，即层i，非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，即进入下一层的判断；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分；
自动曝光参数选择的方法为：读入当前层层厚H，和用户所选择的材料，依次搜索曝光参数列表，找到曝光参数列表中与层厚H最接近的层厚值，并且该层厚值小于等于当前层的层厚值，记为Hi；然后利用曝光参数列表Hi和下一层厚值记为Hi_1,利用线性插值法生成当前层H的曝光时间，计算公式为TimeH＝TimeHi+(H-Hi)/(TimeHi_1-TimeHi)。
所述步骤A6中，细分的方法为二分法，二分法的方法如下：
B1.读入当前层，记为层i；和当前层的下一层，记为层j，
B2.将i层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff
B3.计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，
B4.如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分。二分法结束
B5.如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。在H＝1/2*(Hi+Hj)处切片插入新的一层,记为Hk。
B6.然后按层(Hi,Hk)和层(Hk,Hj)两条支路继续细分。
B7.在(Hi,Hk)支路上，将i层图像和k层图像做异或运算得到异或图像diff，计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分。二分法结束；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。在H＝1/2*(Hi+Hk)处切片插入新的一层,记为Hm,然后令层i＝层i,层k＝层m,层j＝层k,返回到第B6步继续细分直到所有的分支上相邻两层间的差异小于所设置的差异，或者是层厚小于所设置的最小层厚Hmin
B8.在(Hk,Hj)支路上，将k层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff，计算异或图像diff和当前层(即层k)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分。二分法结束；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。在H＝1/2*(Hk+Hj)处切片插入新的一层,记为Hm,然后令层i＝层k,层k＝层m,层j＝层j,返回到第B6步继续细分直到所有的分支上相邻两层间的差异小于所设置的差异，或者是层厚小于所设置的最小层厚Hmin。
在进行自适应切片之前，需要先确定最大层厚Hmax和最小层厚Hmin,确定这两个参数的方法是利用长宽高都是20mm的立方体，按Hmax和Hmin均匀切片打印，然后测量打印间的长宽和20mm的接近程度，设置一个最大相对误差值，如1％，即如果打印件长宽都在19.8～20.2之间，则认为该层厚是可以接受的。
在进行自动曝光参数选择之前，需要做以下实验：利用长宽高都是20mm的立方体按Hmax和Hmin均匀切片打印；再在Hmin和Hmax之间在均匀分成N份，N越大，自动曝光参数选择就越准确；一般N取5～20之间；按下表所列的层厚均匀切片，然后测量打印间的长宽和20mm的接近程度，设置一个允许最大相对误差值，如1％，即如果打印件长宽都在19.8～20.2之间，则认为该层厚是可以接受的，将接受的打印件所对应的曝光参数记录在表中。
序号 层厚 曝光参数
1 Hmin
2 Hmin+(Hmax-Hmin)/N*1
3 Hmin+(Hmax-Hmin)/N*2
4 Hmin+(Hmax-Hmin)/N*3
… … …
N-1 Hmin+(Hmax-Hmin)/N*(N-2)
N Hmin+(Hmax-Hmin)/N*(N-1)
N+1 Hmin+(Hmax-Hmin)/N*N，即Hmax
。
本发明的技术效果和优点：
1、提出了一种提高光固化面成型(DLP,LCD)打印机的打印效率的一整套方案，即基于自适应切片和自动曝光参数选择的方案；
2、提出了先按最大层厚切片，然后按特征继续细分的方法，节省了切片耗时的问题；
3、提出按二分法插入新的切片分层，便于进行多核并行计算；
4、提出自动曝光参数选择，解决了自适应层厚曝光时间难以确定的问题；
5、充分利用光固化面成型切片(即切片生成二维图像)的特点，利用相邻层图像异或运算求相邻层之间的差异。
附图说明
图1为本发明光固化3D打印整体流程图；
图2为自适应切片整体流程图；
图3为二分法切片流程图；
图4为自动选择曝光参数流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本方案需要事先确定最大层厚Hmax和最小层厚Hmin,确定这两个参数的方法是利用长宽高都是20mm的立方体，按Hmax和Hmin均匀切片打印，然后测量打印间的长宽和20mm的接近程度，设置一个最大相对误差值，如1％，即如果打印件长宽都在19.8～20.2之间，则认为该层厚是可以接受的。
本方案的打印流程如图1所示，先将3D模型进行自适应切片，然后将切片文件放入打印机进行打印，打印的时候打印机会根据预先设定的曝光参数列表按切片的层厚自动插值出当前层的曝光时间。
本方法会在每一层切片时加入当前层层厚H这个参数。具体过程如图2所示。
1.这只最小层厚Hmin和最大层厚Hmax
2.按最大层厚Hmax对三维模型进行均匀切片，得到N层切片图像
3.按Z轴从下到上，依次从第1层到倒数第二层循环判断当前层和下一层在图像层面上的差异。具体做法为：
4.令层i为当前层；层j为下一层，即层j为i+1层。
5.将i层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff
6.计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，即进入下一层的判断。如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。细分的方法为二分法
实施例二
二分法的方法如图3所示，具体做法如下：
1.读入当前层(记为层i)和当前层的下一层(记为层j).
2.将i层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff
3.计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，
4.如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分。二分法结束
5.如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。在H＝1/2*(Hi+Hj)处切片插入新的一层,记为Hk。
6然后按层(Hi,Hk)和层(Hk,Hj)两条支路继续细分。
7.在(Hi,Hk)支路上，将i层图像和k层图像做异或运算得到异或图像diff，计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分。二分法结束；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。在H＝1/2*(Hi+Hk)处切片插入新的一层,记为Hm,然后令层i＝层i,层k＝层m,层j＝层k,返回到第B6步继续细分直到所有的分支上相邻两层间的差异小于所设置的差异，或者是层厚小于所设置的最小层厚Hmin
8.在(Hk,Hj)支路上，将k层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff，计算异或图像diff和当前层(即层k)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分。二分法结束；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分。在H＝1/2*(Hk+Hj)处切片插入新的一层,记为Hm,然后令层i＝层k,层k＝层m,层j＝层j,返回到第B6步继续细分直到所有的分支上相邻两层间的差异小于所设置的差异，或者是层厚小于所设置的最小层厚Hmin
实施例三
在进行自动曝光参数选择之前，也需要做实验。利用长宽高都是20mm的立方体按Hmax和Hmin均匀切片打印.再在Hmin和Hmax之间在均匀分成N份，N越大，自动曝光参数选择就越准确。一般N取5～20之间。按下表所列的层厚均匀切片，然后测量打印间的长宽和20mm的接近程度，设置一个允许最大相对误差值，如1％，即如果打印件长宽都在19.8～20.2之间，则认为该层厚是可以接受的。将接受的打印件所对应的曝光参数记录在表中。注意不同的材料都应该有这样一份曝光参数列表
Figure BDA0003350290710000071
Figure BDA0003350290710000081
自动曝光参数选择的流程参见图4，读入当前层层厚H，和用户所选择的材料，依次搜索曝光参数列表，找到曝光参数列表中与层厚H最接近的层厚值，并且该层厚值小于等于当前层的层厚值，记为Hi；然后利用曝光参数列表Hi和下一层厚值记为Hi_1,利用线性插值法生成当前层H的曝光时间，计算公式为TimeH＝TimeHi+(H-Hi)/(TimeHi_1-TimeHi)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法，其特征在于，步骤如下：先将3D模型进行自适应切片，然后将切片文件放入打印机进行打印，打印的时候打印机根据预先设定的曝光参数列表按切片的层厚自动插值出当前层的曝光时间；
其中，自适应切片时，会在每一层切片时加入当前层层厚H这个参数；自适应切片具体方法如下：
A1.设置最小层厚Hmin和最大层厚Hmax；
A2.按最大层厚Hmax对三维模型进行均匀切片，得到N层切片图像；
A3.按Z轴从下到上，依次从第1层到倒数第二层循环判断当前层和下一层在图像层面上的差异；具体做法如下：
A4.令层i为当前层；层j为下一层，即层j为i+1层；
A5.将i层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff；
A6.计算异或图像diff和当前层，即层i，非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，即进入下一层的判断；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分；
其中，自动曝光参数选择的方法为：读入当前层层厚H，和用户所选择的材料，依次搜索曝光参数列表，找到曝光参数列表中与层厚H最接近的层厚值，并且该层厚值小于等于当前层的层厚值，记为Hi；然后利用曝光参数列表Hi和下一层厚值记为Hi_1,利用线性插值法生成当前层H的曝光时间，计算公式为TimeH＝TimeHi+(H-Hi)/(TimeHi_1-TimeHi)。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法，其特征在于，所述步骤A6中，细分的方法为二分法，二分法切片的方法如下：
B1.读入当前层，记为层i；和当前层的下一层，记为层j，
B2.将i层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff；
B3.计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，
B4.如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分，二分法结束；
B5.如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分；在H＝1/2*(Hi+Hj)处切片插入新的一层,记为Hk；
B6.然后按层(Hi,Hk)和层(Hk,Hj)两条支路继续细分；
B7.在(Hi,Hk)支路上，将i层图像和k层图像做异或运算得到异或图像diff，计算异或图像diff和当前层(即层i)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分；二分法结束；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分；在H＝1/2*(Hi+Hk)处切片插入新的一层,记为Hm,然后令层i＝层i,层k＝层m,层j＝层k,返回到第B6步继续细分直到所有的分支上相邻两层间的差异小于所设置的差异，或者是层厚小于所设置的最小层厚Hmin；
B8.在(Hk,Hj)支路上，将k层图像和j层图像做异或运算得到异或图像diff，计算异或图像diff和当前层(即层k)非零像素值个数的相对误差，如果这个相对误差小于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的表面比较平滑，不需要继续细分；二分法结束；如果这个相对误差大于所设置的最大允许差误，则说明这两层切片之间模型的精细度较高需要继续细分；在H＝1/2*(Hk+Hj)处切片插入新的一层,记为Hm,然后令层i＝层k,层k＝层m,层j＝层j,返回到第B6步继续细分直到所有的分支上相邻两层间的差异小于所设置的差异，或者是层厚小于所设置的最小层厚Hmin。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法，其特征在于，在进行自适应切片之前，需要先确定最大层厚Hmax和最小层厚Hmin,确定这两个参数的方法是利用长宽高都是20mm的立方体，按Hmax和Hmin均匀切片打印，然后测量打印间的长宽和20mm的接近程度，设置一个最大相对误差值，如1％，即如果打印件长宽都在19.8～20.2之间，则认为该层厚是可以接受的。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应切片和自动曝光参数选择的快速光固化3D打印方法，其特征在于，在进行自动曝光参数选择之前，需要做以下实验：利用长宽高都是20mm的立方体按Hmax和Hmin均匀切片打印；再在Hmin和Hmax之间在均匀分成N份，N越大，自动曝光参数选择就越准确；一般N取5～20之间；按下表所列的层厚均匀切片，然后测量打印间的长宽和20mm的接近程度，设置一个允许最大相对误差值，如1％，即如果打印件长宽都在19.8～20.2之间，则认为该层厚是可以接受的，将接受的打印件所对应的曝光参数记录在表中；
Figure FDA0003350290700000031
Figure FDA0003350290700000041
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