CN114302802A - 带数字失真补偿的体积增材制造方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在基于断层扫描的增材制造中数字补偿光束光线失真的方法，其中所述基于断层扫描的增材制造涉及将光图案从多个角度投射到包含光响应材料的容器(22)中，通过模拟经过所述容器(22)和所述光响应材料的光线路径；并且基于模拟的光线路径对光投影进行数字补偿，以获得修正过的光投影。本发明也涉及一种采用所述失真补偿方法在基于断层扫描的增材制造中制备物体(24)的方法和设备。
Description
技术领域
本发明涉及用于从光响应材料进行三维物体的体积增材制造的方法和设备。特别是，本发明涉及但不限于其中对由容器的柱形壁诱发的光失真进行补偿的制造系统。
背景技术
在基于断层扫描的增材制造方法中，用计算出的光图案从多个角度对包含在容器内、通常是柱形容器内的大量的光响应材料(树脂)进行照射，以便制作出三维物体。与现有方法相比，这种方法的主要优点是其制造时间非常快速(低至几十秒)。有关此方法的详细说明，请参考下一段落的公开文件。
最先进的断层打印机通常包括具有环绕树脂容器的折射率匹配液的浴(如参见US2018/0326666A1；“Volumetric additive manufacturing via tomographicreconstruction”，B.E.Kelly，I.Bhattacharya，H.Heidari，M.Shusteff，C.M.Spadaccini，and H.K.Taylor；Science Vol.363，Issue 6431，pp.1075-1079(08 Mar 2019)；“Volumetric Bioprinting of Complex Living-Tissue Constructs within Seconds”，P.N.Bernal，P.Delrot，D.Loterie，Y.Li，J.Malda，C.Moser，and R.Levato，AdvancedMaterials，19 August 2019)。折射率匹配液浴使由光响应材料容器的柱形引起的透镜效应最小化(如US2018/0326666A1)。为了使用例如Radon变换的标准断层扫描算法来计算光图案，必须减轻透镜效应。
然而，出于多种原因，使用折射率匹配液浴是不可取的。首先，并非总能找到与树脂的性能精确匹配的液体，同时又能在发生溢出时安全操作并方便清理。
代替使用折射率匹配液浴，也可以使用如前已经公开的补偿透镜(参见WO2019/043529A1)。这种解决方案避免使用折射率匹配液，但所述透镜需要适应容器的光学性能。例如，每次容器采用不同尺寸或材料时，也应替换补偿透镜。
因此，需要一种断层扫描增材制造方法，该方法可以容易地适应不同的树脂和容器，而无需改变打印设备。
发明内容
本发明涉及一种在基于断层扫描的增材制造中数字补偿光束光线失真的方法，其中所述基于断层扫描的增材制造涉及将光图案从多个角度投射入包含光响应材料的容器，所述方法包括以下步骤：
-模拟经过所述容器和所述光响应材料的光线的路径；
-基于模拟出的光线的路径对光投影进行数字补偿，以获得修正过的光投影；
本发明还涉及一种在基于断层扫描的增材制造中制备物体的方法，其中所述基于断层扫描的增材制造涉及将光图案从多个角度投射入包含光响应材料的容器，所述方法包括以下步骤：
-提供包含光响应材料的所述容器；
-实施以上所述的失真补偿的方法，以获得修正过的光投影；
-将所述修正过的光投影投射到包含光响应材料的容器中，从而不带失真地创建物体。
本发明还涉及一种用于数字补偿光束光线失真并且在基于断层扫描的增材制造中制备物体的设备，所述设备包括：
-用于提供待聚合树脂的树脂容器，其中所述树脂容器是可旋转的；
-用于提供待投射入所述树脂容器的光束的单元；
-用于执行优选如上所述的失真补偿方法的处理单元。
其中所述设备在用于提供所述光束的单元和所述容器之间不包括物理的补偿部件，例如具有环绕所述容器的折射率匹配液的浴或例如透镜。
附图说明
通过对非限制性的优选实施例的详细说明以及参考非限制性的附图可以更好地理解本发明，其中：
图1A是根据现有技术的带有树脂浴和折射率匹配液浴的体积增材制造设备的一个实施例的透视图。
图1B是图1A设备的俯视图，其中光线已被追踪以示出在该实施例中的光投影路径。
图2A是根据本发明的没有补偿元件的体积增材制造设备的实施例的透视图。
图2B是图2A设备的俯视图，其中光线已被追踪以示出在该实施例中的光投影路径。该光线路径延伸超出容器，以示出光线并非全部相交于同一点。
图2C是图2A设备的透视图，其中将光线的实际路径与平行光束投影算法中预期的路径进行对比。
图3是应用扇形光束算法所需的光线状态的示意图。
具体实施方式
在断层扫描的体积增材制造中，用光图案从多个方向照射一定体积的光响应材料。这些光图案是用类似于X射线计算断层扫描(也称为医疗CT扫描仪)中所使用的算法来进行计算。这些算法对于本领域技术人员来说是已知的。用于断层扫描增材制造的设备已经在如WO2019/043529A1或US2018/0326666A1中详细描述。
迄今为止，所有的基于断层扫描的体积增材制造系统已经针对由光响应材料容器的柱形引起的失真使用物理补偿方法，例如使用折射率匹配液浴(图1A所示，并且如US2018/0326666A1中所描述的)或补偿透镜。这些补偿元件减轻由光响应材料容器的柱形引起的透镜效应，并且允许光线笔直地穿过光响应材料(如图1B所示)。需要有笔直的光线来用标准平行光束断层扫描算法对光图案进行计算(例如，Radon变换及其逆变换)。
图1A示出了这种配置，其中光束11首先进入折射率匹配液浴12，然后进入带有光响应材料的容器13。容器13固定到旋转台架(平台)14，以便从多种角度用光图案11对光响应材料进行照射，从而制成物体15。
如图1B的俯视图所示，光束11(在此被表示为单独的多束光线)在该配置中以可忽略的失真穿过折射率匹配浴12和树脂容器13。在图1B中模拟的光线轨迹假定树脂和折射率匹配液的折射率为1.53，而石英玻璃容器的折射率为1.47。
遗憾的是，如折射率匹配液浴或补偿透镜这样的补偿元件必须与每种特定的光响应材料容器所采用的几何构造和材料相匹配。这意味着当容器或光响应材料或两者均发生变化时，需要对打印设备做出物理变化。另外，折射率匹配液处理起来很麻烦，而且补偿透镜也需要精确对准。
图2A示出根据本发明的体积打印设备，其中不包括补偿元件。这里，光束21直接进入光响应材料容器22。容器如以上图1A所示的设备那样附接到旋转平台23，以从多种角度照射树脂并且制出物体24。
图2B用图2A设备的俯视图示出了经过这种设备的光线路径。光束21的光线现在在它们进入光响应介质的容器22时改变方向。通过将这些光线虚拟地延伸到容器之外，可以观察到光线并未都汇集到一个点。然而，焦点取决于各光线进入容器之前的横向偏移，例如在点251、252和253相交的光线。总而言之，若不使用补偿元件，不同的光线会有不同的方向，而且光线不会全部相交于同一点。这意味着光图案既不能通过平行光束断层扫描算法(如图1B所示)进行计算，也不能通过扇状射束断层扫描算法进行计算，因为这需要光线汇聚到一点(如图3所示)，这些都是本领域技术人员已知的算法。
根据本发明，公开一种在基于断层扫描的增材制造中数字补偿光束的光线失真的方法，其中所述的基于断层的增材制造涉及从多角度将光图案投射到含有光响应材料的容器中，所述方法包括以下步骤：
-模拟经过容器和光响应材料的光线路径；
-基于所模拟的光线路径对光投影进行数字补偿，以获得修正过的光投影。
数字补偿例如可以通过重新采样来进行实施：
-使用平行光束断层扫描算法在每个角度计算光投影，从而忽略实际打印设备中由光束引起的任何失真。
平行光束断层扫描算法(例如参见A.H.Delaney；Y.Bresler；A fast andaccurate Fourier algorithm for iterative parallel-beam tomography，IEEETransactions on Image Processing，Volume 5，Issue 5，May 1996，740-753)在本领域是已知的。
这产生了一种包含多个角度二维光投影的三维数据集。这种数据集在数学上表示为I平行(x，y，θ)，其中x和y表示两个空间坐标，而θ是每个投影角度。
-将平行光束算法呈现的光线的位置和方向与通过模拟的经过容器和光响应材料的光传播所获得的光线的位置和方向进行比较。图2C中示出：对光线271的路径进行模拟直至光响应材料容器22的中截面26，并且与光线在未偏移时可能采用的路径272进行比较。这产生由平行光束算法(x，y，θ)假设的光线位置和角度之间的坐标映射，和描述为x’，y’，θ’的模拟光线位置和角度。这种坐标映射在数学上可以被表示为函数：
(x，y，θ)＝(x’，y’，θ’)
-然后使用模拟的坐标对利用平行光束计算出的光投影重新采样(例如通过线性插值)：
I补偿＝I平行(x’，y’，θ’)
使用所述失真补偿方法，可以在基于断层扫描的增材制造方法中以节约时间和降低成本的方式生成不同的物体，而无需对用于执行该方法的设备部件进行任何物理修改。
详细地，本发明也涉及一种在基于断层扫描的增材制造中制备物体的方法，其中所述基于断层扫描的增材制造涉及将光图案从多个角度投射到包含光投影材料的容器中，所述方法包括以下步骤：
-提供包含光响应材料的所述容器；
-实施根据权利要求1至3中任一项所述的失真补偿方法，以获得修正过的光投影。
-将所述修正过的光投影投射到包含光响应材料的容器中，从而创建没有失真的物体。
在基于断层扫描的增材制造中制备物体的方法在本领域是已知的，例如从WO2019/043529A1或US2018/0326666A1中已知。然而，本发明的方法的特征在于，从上述失真补偿方法获得的修正过的光投影不经过物理补偿部件而投射，物理补偿部件例如具有折射率匹配液浴或透镜。
本发明也涉及一种用于数字补偿光束的光线失真和在基于断层扫描的增材制造中制备物体的方法，所述设备包括：
-用于提供待聚合树脂的树脂容器，其中所述树脂容器是可旋转的；
-用于提供待投射到树脂容器中光束的单元；
-用于执行优选如上所述的失真补偿方法的处理单元，
其中所述设备不包括在用于提供所述光束的单元和所述容器之间的物理补偿部件，例如具有环绕所述容器的折射率匹配液的浴或例如透镜。
在基于断层扫描的增材制造中制备物体的设备在本领域是已知的，例如从WO2019/043529A1或US2018/0326666A1中已知。然而，本发明所述的设备的特征在于没有物理补偿部件，例如具有折射率匹配的液体的浴或例如透镜。
由于本发明所述的设备不包括在用于提供所述光束的单元和所述容器之间的物理补偿部件(例如具有环绕所述容器的折射率匹配液的浴或例如透镜)，而是数字补偿光束的光线的任何失真，所以本发明的设备不必通过改变打印设备来适应不同的树脂和容器，例如更换折射率匹配液或补偿透镜。
根据优选实施例，所述树脂容器被附接至旋转平台。由此，通过使包含光响应材料的容器相对于用于提供所述光束的单元旋转来实施从多个角度投射光图案的光响应材料的辐照。
Claims (7)
1.一种在基于断层扫描的增材制造中数字补偿光束光线失真的方法，其中所述基于断层扫描的增材制造涉及将光图案从多个角度投射入包含有光响应材料的容器(22)，所述方法包括以下步骤：
-模拟经过所述容器(22)和所述光响应材料的光线的路径；
-基于模拟出的光线的路径对光投影进行数字补偿，以获得修正过的光投影。
2.根据权利要求1所述的方法，其中利用重新采样算法来实施失真补偿，其包括以下步骤：
-使用平行光束断层扫描算法来计算光投影；
-计算平行光束算法呈现的光线的位置和方向与通过模拟光线经过所述容器(22)和所述光响应材料的光传播所获得的光线的位置和方向之间的坐标映射；
-使用所述坐标映射重新采样所述光投影。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过线性差值进行重新采样。
4.一种在基于断层扫描的增材制造中制备物体(24)的方法，其中所述基于断层扫描的增材制造涉及将光图案从多个角度投射入包含光响应材料的容器(22)，所述方法包括以下步骤：
-提供包含光响应材料的所述容器(22)；
-实施根据权利要求1至3中任一项所述的失真补偿的方法，以获得修正过的光投影；
-将修正过的光投影投射入包含光响应材料的容器(22)，从而不带失真地创建物体(24)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述修正过的光投影不经过物理补偿部件进行投射，物理补偿部件例如具有折射率匹配液的浴或例如透镜。
6.一种用于数字补偿光束光线失真并且在基于断层扫描的增材制造中制备物体(24)的设备，所述设备包括：
-用于提供待聚合树脂的树脂容器(22)，其中所述树脂容器(22)是可旋转的；
-用于提供待投射入所述树脂容器(22)的光束(21)的单元；
-用于执行优选根据权利要求1至3中任一项所述的失真补偿方法的处理单元；
其中所述设备在用于提供所述光束(21)的单元和所述容器(22)之间不包括例如为具有折射率匹配液的浴或透镜的物理的补偿部件。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述树脂容器(22)附接至旋转平台(23)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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