CN115674670A - 一种基于动态渲染的连续3d打印方法及打印设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于动态渲染的连续3D打印方法及打印设备，该方法包括下述步骤：基于待打印的三维模型获取若干切片图像，各所述的切片图像分别具有一原始曝光边界，动态配置打印速度v；根据打印速度v计算三维模型的打印轮廓的理论偏差值h_c以及实际偏差值Δh，并基于实际偏差值Δh对各切片图像进行修正，获得修正曝光边界，即，修正曝光边界等于原始曝光边界横向增加或减少Δh的距离；对所述的修正曝光边界以内的像素曝光。本申请可以根据打印速度的变化动态改变三维模型的切片图像的轮廓，通过增加或减少轮廓的厚度，反向补偿因为速度改变而带来的轮廓厚度的变化，最终获得打印尺寸精确、轮廓连贯、光滑的三维模型。

Description

一种基于动态渲染的连续3D打印方法及打印设备

技术领域

本发明属于光固化3D打印技术领域，特别涉及一种连续3D打印方法及打印设备。

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，例如建立非固化区，使树脂始终在非固化区上方固化成型，从而实现连续、平滑、快速的成型。相对于传统逐层打印方式(如DLP)，连续液面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，一些打印层中的存在较大实体面积需要曝光，为使光敏树脂流入，会降低打印速度，但如果打印速度降低，会导致三维模型附近的光敏材料曝光量增加，使轮廓厚度(实际固化边界与理想固化边界的横向距离)会增加，而如果打印速度增加，使光敏树脂曝光量减小打出来东西就会变细。

发明内容

本申请的目的是提供一种能够获得尺寸精确、轮廓光滑的三维模型的连续3D打印方法以及打印设备。

为了实现上述的一个发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于动态渲染的连续3D打印方法，包括下述步骤：

基于待打印的三维模型获取若干切片图像，各所述的切片图像分别具有一原始曝光边界，为每一帧切片图像动态配置打印速度v；

根据动态变化的打印速度v计算三维模型的打印轮廓与标准模型的理论偏差值h _c ，并基于所述的实际偏差值Δh对各所述的切片图像进行修正，获得修正曝光边界，即，修正曝光边界等于原始曝光边界横向增加或减少Δh的距离；

对所述的修正曝光边界以内的像素曝光。

在本申请的一个实施例中，所述的修正曝光边界与所述的原始曝光边界之间形成修正区域，所述的修正区域的宽度覆盖m圈像素，其中n圈像素为灰阶为0的全黑像素或灰阶为255的全白像素，其余像素为灰度像素且灰阶大于0小于255，m≥n，n为整数。

在本申请的一个实施例中，当v速度较慢造成Δh>0时，所述的三维模型的打印轮廓变厚，所述的n圈像素为灰阶为0的全黑像素；当v速度较快造成Δh<0时，所述的三维模型的打印轮廓变薄，所述的n圈像素为灰阶为255的全白像素。

在本申请的一个实施例中，n＝|[Δh/d]|，其中，d为3D打印设备的像素尺寸。

在本申请的一个实施例中，Δh＝α×h_c，α为调节系数。

在本申请的一个实施例中，所述的三维模型的打印轮廓的理论偏差值h_c满足如下关系，

其中，

P代表光强；

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；

Δd是单位厚度；

T代表曝光时间。

在本申请的一个实施例中，0.5≤α≤1.2。

在本申请的一个实施例中，m＝n+1，所述的修正曝光边界相对于原始曝光边界还增加或缩减1圈灰度像素，当Δh＞0时，该圈灰度像素的灰度为：Gray_n+1＝255×(1-f/d)；当Δh＜0时，该圈灰度像素的灰度为Gray_n+1＝255×f/d，其中，t＝[Δh mod d]。

本申请的另一技术方案是：

提供了一种连续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如前面所述的打印方法。

本发明与现有技术相比获得如下有益效果：本申请可以根据打印速度的变化动态改变三维模型的切片图像的轮廓，通过增加或减少轮廓的厚度，反向补偿因为速度改变而带来的轮廓厚度的变化，最终获得打印尺寸精确、轮廓连贯、光滑的三维模型。

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时刻下三维模型原始曝光边界外围距离为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；

附图6显示了本申请的一个实施例中，理想情况下的曝光区域以及原始曝光边界；

附图7显示了图6所示的实施例中，修正后的曝光区域以及修正曝光边界；

附图8显示了图6所示的实施例中，修正前的原始曝光边界的像素的明暗情况；

附图9显示了图6所示的实施例中，修正后的曝光边界附近的像素的明暗情况。

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。附图1中自下向上的方向即为本说明书中所说的“Z轴”方向和光轴方向。

本申请提出了一种基于动态渲染的连续3D打印方法及打印设备。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。

在一个实施例中，本申请的连续3D打印设备的存储器内存储有计算机程序，该处理器被配置为执行如下打印方法：

步骤1、启动打印程序，打印平台在Z轴升降机构104驱动下，下降到非固化区300上方,启动光机；

步骤2、调用当前待打印三维模型的若干切片图像，各切片图像分别具有一个原始曝光边界，该原始曝光边界是通过原始三维模型设计计算的理想打印边界，为所述的三维模型配置动态打印速度v；

在实际的连续光照过程中随着速度改变，光照量积分变化，打印的三维模型存在相对于设计模型变厚或变薄的情况，因此打印轮廓会存在一个理论偏差值h_c，h_c代表理想打印边界与实际固化边界的水平横向距离，并且h_c随着打印速度v变化；

步骤3、根据当前打印速度v计算三维模型的理论偏差值h_c，并根据理论偏差值h_c计算实际偏差值Δh，然后根据Δh腐蚀或者膨胀切片图像；

其中，

P代表光强；

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，也写作tau；

Δd是单位厚度；

T代表曝光时间。

实际偏差值Δh是根据所选光敏树脂材料的不同修正得到的，Δh＝α×h_c，其中，α是调节系数，用于在实际工程的微调，对各切片图像的原始曝光边界进行扩大或缩小的修正，Δh是需要对原始曝光边界进行修正增厚或减少的距离，这样可以得到修正曝光边界；

步骤4、对所述的修正曝光边界以内的像素曝光，直至打印完毕，得到完整的三维模型。

本实施例中，对三维模型打印边界的修正是伴随打印过程进行的，在本申请的其他实施例中，上述对切片图像进行修正边界的步骤还可以在三维模型设计过程中进行，或者在打印预备阶段进行，简单的调整步骤的先后顺序并不影响本申请的技术方案的实施。

3D打印设备的打印速度v可以是基于打印件切片形态和材料粘度，人工设置动态变化的打印速度曲线，在打印过程中，打印速度V按照曲线动态变化。比如某个光敏树脂材料的标准打印速度2.5mm/min，可以将打印速度v设置在2.5mm/min左右，最慢的地方是1.5mm/min，最快的地方是3mm/min，并依据打印的实际情况及时迭代调整。

打印速度的设定满足以下关系：1≤v≤v₀，v₀为材料的标准打印速度。一般对于粘稠光敏树脂材料来说，标准打印速度v₀＝2-4mm/min，稀的光敏树脂材料的标准打印速度为5-10mm/min。打印速度快一点的话h_c就小甚至是负数，打印速度慢一点h_c就是正数。

h_c可以通过理论计算得出，详细计算过程将在下文中介绍。α根据光敏树脂的材料选取。一般光敏树脂材料越粘稠，打印轮廓实际的增厚值比理论计算出来的h_c要小，因此α要小一点比如0.85；光敏树脂材料越稀薄，实际的增厚值和理论偏差值h_c接近，α接近1。

具体来说，在步骤3中，若当前打印速度v会造成h_c增大，h_c为正数，说明当前打印速度会使打印轮廓厚度变大，三维模型变粗，因此修正过程通过对原始曝光边界缩小Δh获得修正曝光边界。而若h_c为负数，说明当前打印速度v会使打印轮廓变小，三维模型变细，因此修正过程需要对原始曝光边界增大Δh。在修正曝光边界与原始曝光边界之间形成的是修正区域，修正区域是平行于原始曝光边界的带状区域，其横向覆盖的宽度为Δh(横向是指X-Y平面内的方向)。

将修正区域的宽度换算为投影面上的像素尺寸，Δh可以覆盖m圈像素，在m圈像素宽度下，部分圈像素为全黑(灰阶为0)或全白像素(灰阶为255)，还有部分圈像素为用于平滑过渡的灰度像素。灰度像素且灰阶大于0小于255，m≥n，m、n均为整数。

当Δh为正数时，三维模型的打印轮廓变厚，修正时需要减少部分像素曝光，所以需要将n圈像素变为灰阶为0的全黑像素，也就是在修正区域减小n圈像素的曝光，使曝光边界向内缩小；当Δh为负数时，三维模型的打印轮廓变薄，修正时需要扩大部分像素曝光，所以需要将n圈像素变为灰阶为255的全白像素，也就是在修正区域增加n圈像素的曝光，使曝光边界向外扩大。一般情况下，光敏材料特性固定，光强固定，通常不会设置超过标准打印速度过大的速度v，因此Δh一般为正值，也就是需要作缩小图像轮廓的修正。

更进一步地，n＝|[Δh/d]|，n是Δh/d的取整函数再取绝对值，其中，d为3D打印机的像素尺寸，Δh＝α×h_c，α为调节系数，一般来说，0.5≤α≤1.2。当Δh能够被d整除时，灰度像素的圈数为0，m＝n。

当Δh不能够被d整除的情况下，m＝n+1，修正曝光边界相对于原始曝光边界还增加或缩减1圈灰度像素，并且该第圈灰度像素的灰度为：当Δh＞0时，需要缩小边界，Gray_n+1＝255×(1-f/d)，当Δh＜0时，需要扩大边界，Gray_n+1＝255×f/d，其中，f是Δh/d的余数，f＝[Δh mod d]。假设要对原始曝光边界扩大4.01d，就是4圈全白像素+0.01×255的灰度像素，最后一圈有一点点白；如果是对原始曝光边界缩小4.01d，就是4圈全黑像素+0.99×255的灰度像素，最后一圈有一点点黑。

下面以图6-9所示的实施例对本申请的打印方法进行举例说明：

(1)当前打印速度v较大，计算该打印速度下对应的打印轮廓理论偏差值h_c，将造成h_c的变小，模型整体变细。

(2)设置Δh＝α×h_c，α取1.0。

(3)判断Δh在投影面上覆盖多少个像素宽度。像素尺寸为d＝屏幕×长度/×像素值，例如长度192mm的4k屏幕分辨率是3840像素，那么一个像素代表实际d＝0.05毫米，用Δh/d，得到商和余数。例如h_c为-0.17mm，α＝1.0，Δh＝1.0×-0.17，Δh/d＝-3余0.02，n＝3，m取4，即修正曝光边界需要扩大，将改动4圈像素。

(4)除得的整数部分为3，对应修正曝光边界把原切片图像沿着边沿整体外扩3个像素。

(5)余数0.02用来判断灰度像素的比例f，如f＝0.02/0.05＝40％，然后将第4圈像素的亮度从255改成255×40％＝102，从而起到虚化边缘的效果，参见图9。

接下来详细说明打印轮廓的理论偏差值h_c的计算方法。

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，距离打印件原始曝光边界横向距离为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的原始曝光边界(理想打印边界)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，我们继续计算距离原始曝光边界初始距离为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，对于三维模型原始曝光边界外距离为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原始曝光边界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，我们希望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:

将光强P、打印速度v、临界曝光量Ec、光透过率、曝光时间等参数带入公式八，即可计算出来h_c的数值，再根据h_c计算Δh，最终获得需要调整像素的圈数和灰度。综上所述，本申请通过动态改变三维模型在切片图像/实时渲染时的轮廓，增加或者减少轮廓的厚度，反向补偿因为速度改变而带来的h_c厚度变化，最终可以获得打印尺寸精确、轮廓厚度稳定的三维模型。

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 (9)

1.一种基于动态渲染的连续3D打印方法，其特征在于，包括下述步骤：

基于待打印的三维模型获取若干切片图像，各所述的切片图像分别具有一原始曝光边界，为每一帧切片图像动态配置打印速度v；

根据动态变化的打印速度v计算三维模型的打印轮廓的理论偏差值h_c以及实际偏差值Δh，并基于所述的实际偏差值Δh对各所述的切片图像进行修正，获得修正曝光边界，即，修正曝光边界等于原始曝光边界横向增加或减少Δh的距离；

对所述的修正曝光边界以内的像素曝光。

2.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于：所述的修正曝光边界与所述的原始曝光边界之间形成修正区域，所述的修正区域的宽度覆盖m圈像素，其中n圈像素为灰阶为0的全黑像素或灰阶为255的全白像素，其余像素为灰度像素且灰阶大于0小于255，m≥n，n为整数。

3.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于：当Δh>0时，所述的n圈像素为灰阶为0的全黑像素；当Δh<0，所述的n圈像素为灰阶为255的全白像素。

4.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于：n＝|[Δh/d]|，其中，d为3D打印设备的像素尺寸。

5.根据权利要求1或4所述的打印方法，其特征在于：Δh＝α×h_c，α为调节系数。

6.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于：所述的三维模型的打印轮廓的理论偏差值h_c满足如下关系，

其中，

P代表光强；

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；

Δd是单位厚度；

T代表曝光时间。

7.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于：0.5≤α≤1.2。

8.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于：m＝n+1，所述的修正曝光边界相对于原始曝光边界还增加或缩减1圈灰度像素，当Δh＞0时，该圈灰度像素的灰度为：Gray_n+1＝255×(1-f/d)；当Δh＜0时，该圈灰度像素的灰度为Gray_n+1＝255×f/d，其中，f＝[Δh modd]。

9.一种连续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1-8中任意一项所述的打印方法。

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