CN115592943A - 一种基于动态光强的连续3d打印控制方法及打印设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉一种基于动态光强的连续3D打印控制方法及打印设备,该方法包括：步骤1)、调用待打印的三维模型的切片图像；步骤2)、为每一帧所述的切片图像配置动态变化的打印速度v；步骤3)、根据所述的打印速度v配置每一帧切片图像对应的动态光强P_v，该动态光强P_v随打印速度v增大而增大，随打印速度v降低而减小；投影装置以动态光强P_v对成形面进行连续曝光，使投影装置能够配合打印速度的调整而调整三维模型每一帧切片图像上的各个像素点的曝光强度，从而获得表面连续光滑、精度可控的三维模型。

Description

一种基于动态光强的连续3D打印控制方法及打印设备

技术领域

本发明属于光固化3D打印技术领域，特别涉及一种基于动态光强的连续3D打印控制方法及打印设备。

背景技术

在光固化的领域中，根据光固化成型的光源系统分为光固化3D打印技术分为激光点光源(SLA)和面光源数字光投影(DLP)。光固化的过程是利用紫外线分层照射并固化光敏树脂，被照射的光敏树脂接收的能量超过临界值Ec以后会发生聚合反应从而固化。

DLP 3D打印系统，通过许多帧的图像逐层固化，一次可以成型一个幅面，因此是一种速度更快的3D打印方式。在传统DLP技术中，每个切片的层厚固定，曝光时间固定(通常轻微过曝)，因此宏观上可认为模型每个点受到的离散曝光量是均匀一致的。虽然每层切片四周的树脂材料都会承受一些扩散光，但是打印平台在z轴的上下运动会迅速将这些轻量曝光材料与其它材料混合，不断消除打印件周围的树脂曝光量积累。因此，传统的DLP打印机只需要配合简单的xy尺寸缩放即可统一精度。

而连续液面打印技术是通过使照射固化后的表面与离型膜不粘连，例如使用带有阻聚成分的薄膜，或透氧膜，或流动界面等方式形成不固化区域，使树脂始终在不固化区域上方固化成型，因此消除了传统打印过程中的剥离动作，实现连续、平滑、快速的成型。相对于传统逐层打印方式(如DLP)，连续3D打印技术可以实现复杂物体的快速打印。但在连续打印方式中，物理层面上的成型原理会有很大改变，过程十分复杂，精度也更难控制。在固定的打印速度下，三维模型周围的光敏树脂材料因切片实体面积不同出现不同的填充速度，填充不足会导致模型出现纹路甚至破损；减慢速度则会降低打印效率；动态速度则会造成材料曝光不均匀，导致三维模型变粗、变细、表面起伏等问题。因此如何在连续打印过程中保证材料稳定和充分的曝光，如何在连续打印方式中获得平整、光滑的打印表面；如何为连续3D打印设备动态匹配最佳的参数是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于动态光强的连续3D打印控制方法和打印设备，使连续打印中每一个位置的光敏树脂所受到的能量保持一致，从而使打印模型的表面连续光滑，不会变粗或变细。

为了实现上述的一个发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于动态光强的连续3D打印控制方法，包括如下步骤：

步骤1)、调用待打印的三维模型的切片图像；

步骤2)、为每一帧所述的切片图像配置动态变化的打印速度v；

步骤3)、根据所述的打印速度v配置每一帧切片图像对应的动态光强Pv，该动态光强P_v随打印速度v增大而增大，随打印速度v降低而减小。

在本申请的一个实施例中，所述的动态光强P_v与所述的打印速度v之间满足如下关系：

其中，

P_v代表打印速度为v时的动态光强；

v代表打印速度；

E_c代表光敏树脂的临界曝光量；

τ代表单位厚度下光敏树脂的光透过率；

h_c代表实际固化边界与理论固化边界的横向距离；

Δd是单位厚度，即两帧相邻的切片图像之间的最短距离；

T代表曝光时间。

在本申请的一个实施例中，所述的切片图像上对应的各像素点的实际动态光强P_v’＝α×P_v，α为调节系数，0.8≤α≤1.2。

在本申请的一个实施例中，-0.1mm≤h_c≤0.3mm。

在本申请的一个实施例中，所述的步骤2)中还包括：

比较所述切片图像中的最大壁厚S与壁厚的给定阈值S₀；

若当前切片图像最大壁厚S小于给定阈值S₀，按照当前光敏树脂材料的最大可打印速度V₀配置该帧切片图像的打印速度，v＝V₀；

若当前切片图像最大壁厚S大于给定阈值S₀，v<V₀。

在本申请的一个实施例中，所述的打印速度v满足条件v＝max(1.0，min(S₀/S，1)×V₀)。

在本申请的一个实施例中，S₀为0.5-4毫米。

本发明的另一技术方案是：一种连续3D打印设备,包括用于盛放光敏树脂的料槽、沿Z轴可升降地设置在所述的料槽上方的打印平台、投影装置、存储器以及处理器，所述的处理器被配置为执行所述的控制方法。

本发明与现有技术相比获得如下有益效果：本发明通过动态的打印速度调节三维模型上各像素点的动态光强，当打印速度降低时，减小光强，当打印速度变快时，增加光强，最终实现三维模型的打印轮廓厚度hc始终保持恒定，从而获得表面连续光滑、精度可控的三维模型。

附图说明

附图1为本申请的一个实施例中的3D打印设备的结构示意图；

附图2为图1中的3D打印设备的固化原理图；

附图3显示了光强在光敏树脂中的衰变关系；

附图4显示了t时刻下三维模型外围距离为h的点所受光强；

附图5显示了既定固化区域、扩散固化区域和固化不足区域；

其中：101、光机；102、料槽；103、光敏树脂；104、Z轴升降机构；105、打印平台；106、三维模型；200、离型膜；300、非固化区。

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

在连续打印方式中，打印精度受到多种因素影响，主要有：(1)模型周围的材料可能因长时间照射而固化，由于需要使光扩散范围远超过非固化区300厚度，从而实现光敏树脂材料在非固化区300上方逐渐固化，因此用于连续打印的光敏树脂材料具有更高的光透过率，并且需要使用更高的光强，并且连续打印过程中，打印平台连续缓慢抬升的动作很难消除三维模型周围的光敏树脂的曝光量积累，一旦能量超过临界曝光量就会引发固化现象。(2)打印速度改变会造成曝光量不同，传统DLP通过抬升打印平台进行材料补充，因此理论上能成型任意面积的切片，而连续打印中材料只能透过微小的非固化区缝隙缓慢流入，因此一旦遇到大面积实体区域，需要通过权利要求6的方法动态改变z轴抬升的速度(也就是打印速度v)使光敏树脂材料能够充分流入，而打印速度v越慢，光敏树脂材料受到的光照时间越长，也越容易固化，因此要调节打印速度，必然会造成扩散固化厚度不均匀。

为此，本申请提出了一种连续3D打印设备及其控制方法。参见图1－2所示，该连续3D打印设备包括机架、用于盛放光敏树脂的料槽102、沿Z轴可升降地设置在所述的料槽上方的打印平台105、投影装置、存储器以及处理器。机架中部设有一沿x-y平面延伸的水平工作台，水平工作台上固定设置有料槽102。本实施例中的投影装置为光机101。光机101固定安装在水平工作台的下方，打印平台105可升降地设置在水平工作台的上方，机架的后部设置有Z轴升降机构104，打印平台105通过Z轴升降机构104实现垂直上升或下降。料槽102的底部设置有所述的离型元件，如离型膜等。

连续3D打印设备在工作时，光机101向上发出的投影光穿过离型膜200，并将离型膜200上方的光敏树脂103固化，形成三维模型106，三维模型106的上部附着在打印平台105上，并跟随打印平台105向上移动，三维模型106的下部浸没在光敏树脂中，光敏树脂103与离型膜200之间存在一个交界面，光敏树脂在该交界面上停止聚合反应，从而使三维模型106与离型膜200之间始终存在液态的光敏树脂，降低三维模型与离型膜之间的黏附力，进而实现连续高速3D打印。

在打印前，启动3D打印设备，打印平台105在Z轴升降机构104驱动下下降到非固化区300上方,并预设最大打印速度V₀，V₀与材料的初始成型强度、光敏感度(光固化引发剂含量)、光透过率和黏稠度有关，为定值。比如针对较硬的材料设定V₀为10mm/min，而软材料设定V₀为5mm/min。

下面举例说明，本申请的连续3D打印设备的控制方法，包括下述步骤：

步骤1、调用当前待打印的三维模型的切片图像；

步骤2、为每一帧所述的切片图像配置动态变化的打印速度v,满足条件v＝max(1.0，min(S₀/S，1)×V₀)；

步骤21)、比较所述切片图像中的最大壁厚S与壁厚的给定阈值S₀；其中，切片图像的最大壁厚S，可以理解成当进行边缘距离为S₀/2的图像腐蚀操作时，图像刚好被腐蚀完全。如果壁厚超过S₀，那么按照S₀/2腐蚀的时候会留下残留。残留越多，表示实体面积越大，也被称之为“大面积实体”区域。

逐帧读取所述的切片图像，按0.25mm长度计算，对应的像素个数x，对切片图像进行x像素的腐蚀操作，如果腐蚀后图像无残留，则切片图像最大壁厚S小于0.5mm；如果图像有残留，继续按照一定步长(如0.1mm)对剩余切片图像进行腐蚀操作，直至切片图像无残留；

若当前切片图像最大壁厚S小于给定阈值S₀，按照当前光敏树脂材料的最大可打印速度V₀配置该帧切片图像的打印速度，v＝V₀；

若当前切片图像最大壁厚S大于给定阈值S₀，v<V₀，且v＝max(1.0，min(S₀/S，1)×V₀)；

步骤3、基于该动态变化的打印速度v配置各帧切片图像中各像素点对应的动态光强P_v,该动态光强P_v随打印速度v增大而增大，随打印速度v降低而减小；

步骤4、生成投影装置的投影参数,其中，投影参数包含三维模型的切片图像上每一个像素点对应的光强；

步骤5、启动光机，按照投影参数逐帧投射切片图像，同时打印平台105以动态打印速度v上升，直至打印完毕，得到完整的三维模型。

在本申请的一个实施例中，最大壁厚基准S₀一般设置为0.5-4毫米。

一般来说，打印速度v大于等于0.5mm/min，并且打印速度v≤V₀。最大打印速度V₀根据光敏树脂的材料决定，打印设备在以最大打印速度进行打印时，对应的光强也会达到顶峰，继续提速速度则无法保证光敏树脂充分固化，动态打印速度的最低速度不低于0.5mm/min，这个打印速度已经是传统光固化(DLP)打印机的上限打印速度，所以说本申请的连续3D打印设备是一种高速度的3D打印设备。

接下来我们分析影响连续固化过程中的关键物理因素，并找出打印速度与各像素点所受光强之间的变化满足何种关系。

参见图3所示，紫外光在光敏树脂中的衰变关系满足：

其中，d是光敏树脂中任意一点距离投影图像的直线最短距离；τ是光敏树脂单位厚度的光透过率(也写作tau)，即每经过Δd单位厚度，透过的光通量与入射光通量之比为τ。光敏树脂中加入的光分散剂越多，τ越小。因此位于点d的光敏树脂受到的扩散光强P_d与材料的光透过率和距离有关，呈指数关系减弱。

图3中的Pτ⁰代表位于光固化窗口的像素点处的光强，Pτ¹代表距离光固化窗口一个单位厚度处像素点的光强，以此类推，Pτ⁴代表距离光固化窗口4个单位厚度处的像素点的光强，距离几个单位长度就是τ的几次方。

参见图4所示，在连续打印中，当z轴向上运动时，打印件表面的未固化材料会随着平台抬升而上升，与投影面距离渐远，逐渐脱离光照范围。

如图，距离打印件曝光边缘横向距离为h的光敏树脂，其受到的初始光强为P_h，在平台以打印速度v向上打印的过程中，t秒后该点与投影边缘的距离d为：

将公式二代入公式一，就可以得到任意时刻t下，距离曝光区域初始距离为h的点附近光强：

其中，h是像素点距离三维模型横截面轮廓的初始距离，t是光照时间，v是打印速度(即z轴抬升的速度)，在短时间内一般认为v不变化。这里的短时间内，是指在一个Δd单位厚度打印时间内。速度更新一秒钟会执行10-30次，但是速度v跟当前图像相关，图像在一段时间内都是平滑改变的，所以速度v在1秒内或单位距离内变化非常非常小。

接下来，我们继续计算距离曝光区域初始距离为h的点累积的曝光量大小。随着打印平台以速度v不断抬高，随着打印时间t增加，未固化的树脂会逐渐远离曝光面，周围材料受到的光照强度会越来越小。当树脂材料某一点的曝光总量E积累到一定程度后会发生固化。如果对P_th按照时间t在[0,T]时间段内进行积分，则其固化条件为曝光总量E_T大于临界曝光量E_c。

其中，T是一个足够长的时间，以至于经过T秒移动后光强衰减到可以忽略不计，无法对积分结果产生实质改变。公式四表明，对于三维模型轮廓外距离为h的一个点，在打印速度v给定的情况下，受到的曝光总量E_T也是固定的，一旦E_T＞E_c，该位置的光敏树脂会在三维模型的表面固化，造成物体轮廓变粗。理论上我们希望h＝0，也就是希望三维模型轮廓以外的光敏树脂不能够被固化，然而实际上是无法做到的，因此，我们将h_c设定为一个固定值，使其满足一个较小的值，在这个范围内使h_c保持恒定，从而使三维模型的外轮廓恒定，得到表面连续光滑，不会变粗或变细的三维模型。

将上述公式四，去掉积分，获取可以实时控制的公式形态。首先将距离d的计算方式简化为：

在曝光初期，h影响较大，曝光后期，速度v影响较大。经过近似变换，将公司四的积分变成：

再对公式六进行积分得到公式七，

其中0<τ<1,T足够大。用公式七可以判断当以速度v连续打印时，距离打印件表面为h的材料是否会固化。如图5所示，三维模型在逐渐上升的过程中，其直接光照区域会逐步固化，称之为既定固化部分D₁，三维模型的本体附近由于存在较高的扩散光强，经时间积累后超过临界曝光量，产生扩散固化区域D₂，更远处则因为扩散光强减弱，不会发生固化，D₃为固化不足区域。

我们可以对公式七进行变形，得到:

其中，h_c代表实际固化边界与理论固化边界的横向距离。

如前文所述，我们希望获得h_c恒定的三维模型，打印出来的产品不会因打印速度变化而变粗或变细，为了使h_c固定，我们可以继续对公式八进行变形，得到切片图像投影时的光强P_v的大小；

其中，

P_v代表打印速度为v时的动态光强；

v代表当前打印速度；

E_c代表光敏树脂的临界曝光量；

τ代表单位厚度下光敏树脂的光透过率；

h_c代表实际固化边界与理论固化边界的横向距离，也就是打印轮廓厚度；

Δd是单位厚度，即两帧相邻的切片图像之间的最短距离；

T代表曝光时间。

可见，当期望的h_c固定的时候，动态光强P_v和打印速度v呈正相关，两者满足公式九的关系。当打印速度v增加时，P_v会相应增加，当打印速度v减少时，P_v会相应减少。函数中P_v的变化率要比v高一些。

hc为固定值，通常情况下h_c的取值满足：-0.1≤h_c≤0.3mm。

由于在不同的光敏树脂材料和3D打印设备下，根据上述公式九打印获得的三维模型与理论设计上的模型厚度h_c可能存在差别，因此在本申请的一个实施例中，我们还引入了调节系数α，切片图像上的各像素点对应的实际的动态光强P_v’＝α×P_v。

调节系数α与光敏树脂的粘稠度正相关，与光敏树脂的光透过率τ负相关，可以方便的通过实验得到合理的值。本申请中优选地，0.8≤α≤1.2。

综上所述，本申请的连续3D打印设备会根据当前的切片图像中的实体投影区域面积动态计算，如果实体区域面积比大，设备会逐渐降低打印速度v，并根据动态打印速度v计算任意一像素点的动态光强P_v，从而保证实际固化边界与理论固化边界的横向距离hc保持恒定，进而获得表面连续光滑、精度可控的三维模型。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于动态光强的连续3D打印控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)、调用待打印的三维模型的切片图像；

步骤2)、为每一帧所述的切片图像配置动态变化的打印速度v；

步骤3)、根据所述的打印速度v配置每一帧切片图像对应的动态光强P_v，该动态光强P_v随打印速度v增大而增大，随打印速度v降低而减小。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的动态光强P_v与所述的打印速度v之间满足如下关系：

其中，

P_v代表打印速度为v时的动态光强；

v代表打印速度；

E_c代表光敏树脂的临界曝光量；

τ代表单位厚度下光敏树脂的光透过率；

h_c代表实际固化边界与理论固化边界的横向距离；

Δd是单位厚度，即两帧相邻的切片图像之间的最短距离；

T代表曝光时间。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述的切片图像上对应的各像素点的实际动态光强P_v’＝α×P_v，α为调节系数，0.8≤α≤1.2。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：-0.1mm≤h_c≤0.3mm。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中还包括：比较所述切片图像中的最大壁厚S与壁厚的给定阈值S₀；

若当前切片图像最大壁厚S小于给定阈值S₀，按照当前光敏树脂材料的最大可打印速度V₀配置该帧切片图像的打印速度，v＝V₀；

若当前切片图像最大壁厚S大于给定阈值S₀，v<V₀。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述的打印速度v满足条件v＝max(1.0，min(S₀/S，1)×V₀)。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：S₀为0.5-4毫米。

8.一种连续3D打印设备,包括用于盛放光敏树脂的料槽、沿Z轴可升降地设置在所述的料槽上方的打印平台、投影装置、存储器以及处理器，其特征在于：所述的处理器被配置为执行如权利要求1-7所述的控制方法。

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