CN114290682B - 一种模型自适应的快速面曝光3d打印方法 - Google Patents

Abstract

一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法涉及智能化控制、图像处理和仿真技术领域。该方法可以实现任何模型的快速打印。包括如下步骤：采用仿真与实验相结合的方法得到连续打印过程中可打印区域对应的树脂流动的最大可填充距离；进一步通过分析模型切片的可打印区域，确定当前切片的打印模式为分层打印或连续打印；接下来通过仿真设计和切片可打印区域，确定切片的最佳提升高度；最后在打印过程中加入与打印材料光敏树脂不相溶且密度更大的氟油，形成打印接触面与树脂槽的隔绝层，同时在打印过程加入相机监控从而修正仿真得到的最大可填充距离。此方法可实现任何模型的快速打印，同时具有可移植性和可打印性。

Description

一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法

技术领域

本发明涉及智能化控制、图像处理和仿真技术，通过仿真和分析实心模型单层切片可打印区域的关键参数，从而控制面曝光3D打印机工作方式，实现对任何模型的快速面曝光3D打印方法研究与实现。

背景技术

3D打印技术是指利用3D打印技术生产出真实三维模型的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型，通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型，最终打印出3D实体。目前已形成多种不同的3D打印成形工艺,如立体光固化(SLA)、层合实体制造(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、选域激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、面曝光打印等。但是就目前而言，FDM精度较差，需要不断地熔化材料丝并且等待材料固化，总体成型速度较慢。面曝光3D打印技术采用光机或者投影仪作为光源，采用分层打印的方式，通过打印平台先上升再下降，留出与树脂槽一个切片层的厚度，可以完成逐层曝光，相对其他打印方式已经较快的提升了打印速度，同时美国北卡罗来纳大学基于面曝光3D打印发明的连续界面生产技术(Continuous Liquid Interface Production，CLIP)，利用氧气具有阻止聚合的特点来避免固化的树脂与树脂槽底部粘连，然后在光源处不间断的更换模型曝光切片图像，打印平台连续上升，采用此连续打印方式完成打印，使用此方法可以数十倍的提升面曝光3D打印的速度，但由于大多数光敏树脂的粘度在100mPa.s-300mPa.s之间，这就导致了在打印实心模型时，受固化层与树脂槽离型膜的表面离型力和机械结构上升过程中树脂向已固化区域流动时牛顿内摩擦力的影响，树脂无法及时流平，严重影响了快速面曝光3D打印技术的应用。

发明内容

本发明提供一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法，主要通过在打印过程中加入与打印材料光敏树脂不相溶且密度更大的氟油，形成打印接触面与树脂槽的隔绝层，降低离型力；此外采用仿真与实验相结合的方法得到在连续打印过程中特定可打印区域对应的树脂流动过程的最大可填充距离，进一步通过分析模型切片可打印区域的关键参数，确定当前切片的打印模式为分层打印或连续打印；进一步针对分层打印过程中切片可打印区域的关键参数，通过仿真设计，确定切片的最佳提升高度，进一步节约打印时间。采用提出的一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法，可以实现任何模型的快速打印。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：

一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法，包括以下步骤：

步骤100、采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，其中横截面为正方形，使用OpenFOAM仿真可以通过输入不同光敏树脂的粘度参数，直接得到连续打印过程中，光敏树脂对应的最大可填充距离F_MAX，从而确定分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界；

步骤200、对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，比较得到不同切片可打印区域中非边界像素点到其边界点的最短距离中的最大值D_MAX[i]，通过比较D_MAX[i]与步骤100得到的光敏树脂最大可填充距离F_MAX，确定每张切片的打印模式，将其写入打印配置文件；

步骤300、进一步通过OpenFOAM仿真得到分层打印过程，不同切片的可打印区域最短距离中的最大值X对应的最佳提升高度H，根据X与H可以采用最小二乘法得到H(X)，令X＝D_MAX[i]据此得到步骤200中D_MAX[i]分别对应的最佳提升高度H(D_MAX[i])，并将其写入打印配置文件；

步骤400、在打印前向树脂槽中加入氟油，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，载入打印配置文件，开始模型打印，同时在打印过程中加入相机监控，根据相机监控到的实际光敏树脂流平时间调整最佳提升高度得到H′，据此即可完成打印。

其中，采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，其中横截面为正方形，使用OpenFOAM仿真可以通过输入不同光敏树脂的粘度参数，直接得到连续打印过程中，光敏树脂对应的最大可填充距离F_MAX，从而确定分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界步骤100包括：

采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，其中横截面为正方形，使用OpenFOAM中的VOF模型仿真得到连续打印过程中，在光敏树脂粘度范围内(100mPa.s-300mPa.s)输入不同的光敏树脂粘度，可以直接生成对应的树脂最大可填充距离F_MAX；

此时可得到分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界，即当树脂的填充距离大于F_MAX时采用分层打印，小于或等于F_MAX采用连续打印。

其中，对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，比较得到不同切片可打印区域中非边界像素点到其边界点的最短距离中的最大值D_MAX[i]，通过比较D_MAX[i]与步骤100得到的光敏树脂最大可填充距离F_MAX，确定每张切片的打印模式，将其写入打印配置文件步骤200包括：

将待打印的三维模型进行切片，此时的切片是一张一张的只存在255和0两个灰度级像素点的切片图像，取像素点灰度值为255的区域，该区域为切片的可打印区域；

对不同切片分别进行检测，确定其可打印区域的左上角、左下角、右上角和右下角这四个点，将其连接为闭合区域S，同时获取非边缘点中距离图像中心点最近的像素点，确定包含该点的闭合区域，计算该闭合区域中各点到闭合区域S边缘的最小距离，比较这些最小距离，得到不同切片i分别对应的最小距离的最大值D_MAX[i]；

比较D_MAX[i]与F_MAX，当D_MAX[i]>F_MAX时，此时的切片采用分层打印，其余的切片采用连续打印，将每张切片确认的打印方式写入打印配置文件中。

其中，进一步通过OpenFOAM仿真得到分层打印过程，不同切片的可打印区域最短距离中的最大值X对应的最佳提升高度H，根据X与H可以采用最小二乘法拟合得到H(X)，令X＝D_MAX[i]据此得到步骤200中D_MAX[i]分别对应的最佳提升高度H(D_MAX[i])，并将其写入打印配置文件：

设计横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型，其中横截面为正方形，此时横截面正方形的边长2X需大于2倍的F_MAX，通过OpenFOAM仿真这些模型上升过程中，输入不同的X可以通过OpenFOAM直接输出树脂恰好流平即树脂空缺部分刚好填充满时的打印平台提升高度H，将X和H通过最小二乘法拟合，可以得到H(X)，此函数变化符合类指数特性；

取步骤200确定待打印模型的适用分层打印的全部切片，将每张切片对应的D_MAX[i]，带入H(X)中，令X＝D_MAX[i]得到H(D_MAX[i])，从而判断分层打印的每张切片的最佳提升高度，将其写入到打印配置文件中。

其中，在打印前向树脂槽中加入氟油，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，载入打印配置文件，开始模型打印，同时在打印过程中加入相机监控，根据相机监控到的实际光敏树脂流平时间调整最佳提升高度得到H′，据此即可完成打印步骤400包括：

打印前在打印树脂槽内加入氟油，上方倒入光敏树脂，将光源放在树脂槽的下方，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，之中将打印平台上升一个切片厚度，载入步骤200和步骤300得到的打印配置文件，开始模型打印；

同时因为氟油为无色液体，光敏树脂为有色液体，故可以在打印过程采用相机对曝光区域进行监控，根据曝光区域的颜色变化，判断不同D_MAX[i]对应的提升高度H是否能满足树脂完全流平，若能够满足则继续打印直至打印结束；否则将不能满足的D_MAX[i]和待填充的距离的一半S_r[i]带入H(X)得到最新的提升高度:

H′＝H(D_MAX[i])+H(S_r[i])

将H′写入配置文件并更新，然后继续打印之道最终打印完成。

其中上述的树脂完全流平指通过相机监控曝光区域的颜色变化，当监控到曝光区域完全为树脂颜色时则认为树脂已经流平。

本发明实施例的一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法具有如下优点：

1)提升了面曝光3D打印的打印速度；

2)可移植性，根据不同的面曝光设备以及光敏树脂和氟油的材料特性，可以通过模拟尽快确定打印配置参数，针对不同模型可以快速生成对应的打印方案；

3)可打印性，采用分层打印与连续打印相结合的方式，能够适用于绝大部分模型，因此本发明具有很高的理论意义和应用价值。

附图说明

图1是面向本发明实施例的面曝光3D打印设备原理图。

图2是根据本发明实施例的一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法的流程图。

图3是最大可填充距离仿真模型的示例图。

图4展示铁塔模型的分层与连续区域示意。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法，主要通过在打印过程中加入与打印材料光敏树脂不相溶且密度更大的氟油，形成打印接触面与树脂槽的隔绝层，降低离型力；此外采用仿真与实验相结合的方法得到在连续打印过程中特定可打印区域对应的树脂流动过程的最大可填充距离，进一步通过分析模型切片可打印区域的关键参数，确定当前切片的打印模式为分层打印或连续打印；进一步针对分层打印过程中切片可打印区域的关键参数，通过仿真设计，确定切片的最佳提升高度，进一步节约打印时间。采用提出的方法，可以实现任何模型的快速打印。

传统面曝光3D打印机，主要由打印平台、贴有离型膜的树脂槽以及光源组成，但受打印模型与离型膜之间的离型力以及树脂流动的影响，难以在打印实心模型的时候保持相对快的速度。因此，设计出一种应用于任何模型的快速面曝光3D打印方法，其中图1所示是此方法所适用的面曝光打印设备原理示意图，包括打印升降平台1010，打印模型1020，装有光敏树脂1030和氟油1040的树脂槽1050，光源1060以及相机1070。

图2为本发明实施例的一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法的流程图。

本发明实施例提出一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法，包括：

步骤100、采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，其中横截面为正方形，使用OpenFOAM仿真可以通过输入不同光敏树脂的粘度参数，直接得到连续打印过程中，光敏树脂对应的最大可填充距离F_MAX，从而确定分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界；

步骤200、对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，比较得到不同切片可打印区域中非边界像素点到其边界点的最短距离中的最大值D_MAX[i]，通过比较D_MAX[i]与步骤100得到的光敏树脂最大可填充距离F_MAX，确定每张切片的打印模式，将其写入打印配置文件；

步骤300、进一步通过OpenFOAM仿真得到分层打印过程，不同切片的可打印区域最短距离中的最大值X对应的最佳提升高度H，根据X与H可以采用最小二乘法得到H(X)，令X＝D_MAX[i]据此得到步骤200中D_MAX[i]分别对应的最佳提升高度H(D_MAX[i])，并将其写入打印配置文件；

步骤400、在打印前向树脂槽中加入氟油，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，载入打印配置文件，开始模型打印，同时在打印过程中加入相机监控，根据相机监控到的实际光敏树脂流平时间调整最佳提升高度得到H′，据此即可完成打印。

其中，处理步骤100包括：

子步骤110、采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，其中横截面为正方形，使用OpenFOAM中的VOF模型仿真得到连续打印过程中，在光敏树脂粘度范围内(100mPa.s-300mPa.s)输入不同的光敏树脂粘度，可以直接生成对应的树脂最大可填充距离F_MAX。

子步骤120、此时可得到分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界，即当树脂的填充距离大于F_MAX时采用分层打印，小于或等于F_MAX采用连续打印。

其中对连续打印和分层打印做如下定义：

连续打印即面曝光打印机持续上升不停止不下降，打印一层用时短，适合D_MAX≤F_MAX的切片层；分层打印即打印完一层光源投射灰度为0的图像，此时打印平台先上升再下降，此时光敏树脂已经充分流平，适合D_MAX>F_MAX的切片层。

进一步的，步骤200包括：

子步骤210、将待打印的三维模型进行切片，此时的切片是一张一张的只存在255和0两个灰度级像素点的切片图像，取像素点灰度值为255的区域，该区域为切片的可打印区域。

子步骤220、对不同切片分别进行检测，确定其可打印区域的左上角、左下角、右上角和右下角这四个点，将其连接为闭合区域S，同时获取非边缘点中距离图像中心点最近的像素点，确定包含该点的闭合区域，计算该闭合区域中各点到闭合区域S边缘的最小距离，比较这些最小距离，得到不同切片i分别对应的最小距离的最大值D_MAX[i]，如图3所示为模型一张切片中四个非边缘像素点2210、2220、2230、2240，到其边缘点的最小距离示意，同时2240为这四个点中距离边缘最远的点。

子步骤230、比较D_MAX[i]与F_MAX，当D_MAX[i]>F_MAX时，此时的切片采用分层打印，其余的切片采用连续打印，将每张切片确认的打印方式写入打印配置文件中，如图4为铁塔模型的分层和连续的确认结果，其中2310为分层打印切片层，2320为连续打印的切片层。

进一步地，步骤300包括：

子步骤310、设计横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型，其中横截面为正方形，此时横截面正方形的边长2X需大于2倍的F_MAX，通过OpenFOAM仿真这些模型上升过程中，输入不同的X可以通过OpenFOAM直接输出树脂恰好流平即树脂空缺部分刚好填充满时的打印平台提升高度H，将X和H通过最小二乘法拟合，可以得到H(X)，此函数变化符合类指数特性。

子步骤320、取步骤200确定待打印模型的适用分层打印的全部切片，将每张切片对应的D_MAX[i]，带入H(X)中，令X＝D_MAX[i]得到H(D_MAX[i])，从而判断分层打印的每张切片的最佳提升高度，将其写入到打印配置文件中。

所述步骤400包括：

子步骤410、打印前在打印树脂槽内加入氟油，上方倒入光敏树脂，将光源放在树脂槽的下方，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，之中将打印平台上升一个切片厚度，载入步骤200和步骤300得到的打印配置文件，开始模型打印。

其中子步骤410所述的在树脂槽内加入氟油是为了降低打印模型抬升所形成的离型力，氟油为全氟十七烷三甲基氧硅烷。

子步骤420、同时因为氟油为无色液体，光敏树脂为有色液体，故可以在打印过程采用相机对曝光区域进行监控，根据曝光区域的颜色变化，判断不同D_MAX[i]对应的提升高度H是否能满足树脂完全流平，若能够满足则继续打印直至打印结束；否则将不能满足的D_MAX[i]和待填充的距离的一半S_r[i]带入H(X)得到最新的提升高度:

H′＝H(D_MAX[i])+H(S_r[i])

将H′写入配置文件并更新，然后继续打印之道最终打印完成。

其中子步骤420述的树脂完全流平指通过相机监控曝光区域的颜色变化，当监控到曝光区域完全为树脂颜色时则认为树脂已经流平。

本发明实施例的一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法具有如下优点：

1)提升了面曝光3D打印的打印速度；

2)可移植性，根据不同的面曝光设备以及光敏树脂和氟油的材料特性，可以通过模拟尽快确定打印配置参数，针对不同模型可以快速生成对应的打印方案；

3)可打印性，采用分层打印与连续打印相结合的方式，能够适用于绝大部分模型，因此本发明具有很高的理论意义和应用价值。

Claims (5)

1.一种模型自适应的快速面曝光3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100、采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，其中横截面为正方形，使用OpenFOAM仿真通过输入不同光敏树脂的粘度参数，直接得到连续打印过程中，光敏树脂对应的最大可填充距离F_MAX，从而确定分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界；

步骤200、对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，比较得到不同切片可打印区域中非边界像素点到其边界点的最短距离中的最大值D_MAX[i]，通过比较D_MAX[i]与步骤100得到的光敏树脂最大可填充距离F_MAX，确定每张切片的打印模式，将其写入打印配置文件；

步骤300、通过OpenFOAM仿真得到分层打印过程，不同切片的可打印区域最短距离中的最大值X对应的最佳提升高度H，根据X与H采用最小二乘法得到H(X)，令X＝D_MAX[i]据此得到步骤200中D_MAX[i]分别对应的最佳提升高度H(D_MAX[i])，并将其写入打印配置文件；

步骤400、在打印前向树脂槽中加入氟油，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，载入打印配置文件，开始模型打印，同时在打印过程中加入相机监控，根据相机监控到的实际光敏树脂流平时间调整最佳提升高度得到H′，完成打印。

2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤100具体如下：

采用横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型为研究对象，使用OpenFOAM中的VOF模型仿真得到连续打印过程中，在光敏树脂粘度范围内输入不同的光敏树脂粘度，直接生成对应的树脂最大可填充距离F_MAX；

此时得到分层打印和连续打印对应的可固化尺寸边界，即当树脂的填充距离大于F_MAX时采用分层打印，小于或等于F_MAX采用连续打印。

3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤200具体如下：

将待打印的三维模型进行切片，此时的切片是一张一张的只存在255和0两个灰度级像素点的切片图像，取像素点灰度值为255的区域，该区域为切片的可打印区域；

对不同切片分别进行检测，确定其可打印区域的左上角、左下角、右上角和右下角这四个点，将其连接为闭合区域S，同时获取非边缘点中距离图像中心点最近的像素点，确定包含该点的闭合区域，计算该闭合区域中各点到闭合区域S边缘的最小距离，比较这些最小距离，得到不同切片i分别对应的最小距离的最大值D_MAX[i]；

比较D_MAX[i]与F_MAX，当D_MAX[i]>F_MAX时，此时的切片采用分层打印，其余的切片采用连续打印，将每张切片确认的打印方式写入打印配置文件中。

4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤300具体如下：

设计横截面大小不同但高度相同的实心长方体模型，其中横截面为正方形，此时横截面正方形的边长2X需大于2倍的F_MAX，通过OpenFOAM仿真这些模型上升过程中，输入不同的X通过OpenFOAM直接输出树脂恰好流平即树脂空缺部分刚好填充满时的打印平台提升高度H，将X和H通过最小二乘法拟合，得到H(X)，此函数变化符合类指数特性；

取步骤200确定待打印模型的适用分层打印的全部切片，将每张切片对应的D_MAX[i]，带入H(X)中，令X＝D_MAX[i]得到H(D_MAX[i])，从而判断分层打印的每张切片的最佳提升高度，将其写入到打印配置文件中。

5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤400具体如下：

打印前在打印树脂槽内加入氟油，上方倒入光敏树脂，将光源放在树脂槽的下方，控制打印平台下降至光敏树脂与氟油的交界处，之中将打印平台上升一个切片厚度，载入步骤200和步骤300得到的打印配置文件，开始模型打印；

氟油为无色液体，光敏树脂为有色液体，故在打印过程采用相机对曝光区域进行监控，根据曝光区域的颜色变化，判断不同D_MAX[i]对应的提升高度H是否能满足树脂完全流平，即通过相机监控曝光区域的颜色完全为树脂颜色时则认为树脂已经流平，若能够满足则继续打印直至打印结束；否则将不能满足的D_MAX[i]和待填充的距离的一半S_r[i]带入H(X)得到最新的提升高度:

H′＝H(D_MAX[i])+H(S_r[i])

将H′写入配置文件并更新，然后继续打印之道最终打印完成。