CN116834275A - 一种多重灰度掩膜连续成型方法 - Google Patents
一种多重灰度掩膜连续成型方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116834275A CN116834275A CN202310717113.2A CN202310717113A CN116834275A CN 116834275 A CN116834275 A CN 116834275A CN 202310717113 A CN202310717113 A CN 202310717113A CN 116834275 A CN116834275 A CN 116834275A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gray
- projection
- curing
- energy
- resin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 90
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 72
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 72
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 59
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 17
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 9
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 7
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 31
- 239000002002 slurry Substances 0.000 abstract description 20
- 238000007639 printing Methods 0.000 abstract description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 9
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 27
- 238000000016 photochemical curing Methods 0.000 description 20
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 13
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000012804 iterative process Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000013441 quality evaluation Methods 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004068 calcium phosphate ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 1
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000802 evaporation-induced self-assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000001303 quality assessment method Methods 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
- B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
- B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
- B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
- B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Abstract
本申请提供一种多重灰度掩膜连续成型方法，包括：对三维模型等厚切片，然后将其按照投影设备拼接模式进行切分处理；使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝；按照固化顺序将切分后的单元掩膜图像以组合拼接投影的方式曝光至树脂表面，在每一层切片固化过程中，利用最佳灰度调制公式对投影过程中的紫外光进行控制，完成单层固化。对于流动性较好的树脂浆料，本申请的多重灰度掩膜连续成型方案能以较高的质量完成大幅面三维模型的连续成型工作，模型实体表面质量好，成型精度较高。对于流动性较差的陶瓷浆料，相对于传统CLIP制备的三维模型，模型尺寸有所提高，同时保持了CLIP成型精度高、打印速度快的优势，表明该方案具有较高的实际应用价值。
Description
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种多重灰度掩膜连续成型方法。
背景技术
在传统光固化成型的3D打印系统中，当液态树脂完全回流填充至成型平台时，成像系统以特定紫外光强将三维模型的横截面掩膜图像投影至液态树脂表面，从而形成目标固化厚度的切片薄层。CLIP 3D打印系统中液态树脂回流填充和光固化过程同时进行，随着成型平台沿着Z轴连续向上移动，已经固化的部分打印件不断从液槽中抽出，连续逐层构建三维模型实体。在大幅面三维模型连续动态成型过程中，由于液态树脂从投影区域周围回流至目标固化位置的时间有所差异，过量或不足的紫外曝光能均会导致基于CLIP的大幅面模型连续成型失败。
当使用较低的紫外曝光能确保液态光敏树脂快速流平时，目标位置的液态树脂可能无法接收到足量的曝光能发生完全固化反应，仍保持液体状态；当紫外曝光能过高时，外围液态树脂可能在未到达目标位置时提前发生完全固化反应，模型容易出现中空或气泡结构导致打印失败。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种多重灰度掩膜连续成型方法，本申请能够针对性的解决现有的问题。提出了一种多重灰度掩膜连续成型方案，该方案利用灰度掩膜图像实现光固化过程中投影面上的光强可控，平衡液态树脂光固化速度和回流填充速度之间的关系，实现基于CLIP的大幅面三维模型连续成型。
基于上述目的，本申请提出了一种多重灰度掩膜连续成型方法，包括：
对三维模型等厚切片，然后将其按照投影设备拼接模式进行切分处理；
使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝；
按照固化顺序将切分后的单元掩膜图像以组合拼接投影的方式曝光至树脂表面，在每一层切片固化过程中，利用最佳灰度调制公式对投影过程中的紫外光进行控制，完成单层固化。
进一步地，所述使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝，包括：
根据投影设备拼接模式对切片掩膜图像进行切分、像素填充，得到每个投影设备的单元掩膜图像；
通过以非线性衰减的方式生成一组对称灰度虚拟掩膜图像，所述非线性衰减的方式为采用指数衰减函数和三角衰减函数相结合的方式构造灰度虚拟掩膜图像的生成曲线。
按照投影顺序将所述灰度虚拟掩膜图像与所述单元掩膜图像相融合。
进一步地，所述最佳灰度调制公式如下：
g(δ,t)＝mδ+ginit,t∈[0,T]
其中，δ为t时刻单位树脂液体的无量纲位置；ginit为灰度调制的初始值，m是用于调整单位液体当前位置与成型平台中心位置比例的参数，T为使用单一紫外光时的单层固化时间。
进一步地，δ的计算公式如下：
δ(t)＝-0.0624g×t+0.0316g+0.4t+0.25
其中，g为灰度值，t为时刻。
进一步地，所述最佳灰度调制公式以时间增量Δt为单位，动态调整当前投影面上的紫外光强，控制在不同时间段进入投影区域的单位液态树脂接收到不同强度的紫外光曝光能。
进一步地，通过灰度调制迭代优化方法获取ginit的最佳初始值，所述灰度调制迭代优化的过程如下：
最小化单位树脂液体在流动至投影中心积累的紫外曝光能Esum与在投影中心生成目标厚度固态薄层需要的紫外曝光能E两者差距的能量迭代；
通过比较Esum和E之间的差距来确定投影区域δ处周围的液态光敏树脂是否会发生固化，并基于Esum与E的比较结果增加或减少ginit的值，当投影中心积累的总能量Esum与E之间的差距小于设定的阈值时，将此时的ginit设为灰度调制公式的最佳初始值。
进一步地，所述灰度调制迭代的循环次数取决能量迭代中Esum与E的比较结果。
进一步地，所述灰度调制迭代的能量迭代阈值σd计算公式如下：
总的来说，本申请的优势及给用户带来的体验在于：实验结果表明，对于流动性较好的树脂浆料，本申请的多重灰度掩膜连续成型方案能以较高的质量完成大幅面三维模型的连续成型工作，模型实体表面质量好，成型精度较高；对于流动性较差的陶瓷浆料，成型尺寸不如树脂浆料，但相对于传统CLIP制备的三维模型，模型尺寸有所提高，同时保持了CLIP成型精度高、打印速度快的优势，表明该方案具有较高的实际应用价值。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。
图1示出本申请的多重灰度掩膜大幅面成型过程示意图。
图2示出根据本申请实施例的多重灰度掩膜成型原理示意图。
图3示出根据本申请实施例的灰度调制迭代优化流程图。
图4示出根据本申请实施例的模型尺寸评估结果示意图。
图5示出根据本申请实施例的模型质量评估结果示意图。
图6示出根据本申请实施例的可复用性评估实验结果示意图。
图7示出了本申请一实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。
图8示出了本申请一实施例所提供的一种存储介质的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
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组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
基于CLIP的大幅面模型连续成型困难的关键原因在于液态树脂的光固化速度和流动速度之间关系难以平衡，本申请以下将从液态树脂光固化特性和CLIP打印时液态树脂回流填充速度两方面进行探索并分析基于CLIP的大幅面模型成型办法。
在本申请设计的固定拼接成型的大幅面3D打印设备上，多重灰度掩膜大幅面成型过程如图1所示。
大幅面三维模型等厚切片后，将其按照投影设备拼接模式进行切分处理，并使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝问题。接着PC端程序按照固化顺序将切分后的单元掩膜图像以组合拼接投影的方式曝光至树脂表面，在每一层切片固化过程中，利用多重灰度掩膜大幅面成型方案中设计的最佳灰度调制公式对投影过程中紫外光进行控制，完成单层固化工作。每一层切片固化时间可由公式(1)计算，其中即为单层固化时间T。
ti为单层固化时间划分成的多个曝光时间段。
所述使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝，包括：
根据投影设备拼接模式对切片掩膜图像进行切分、像素填充，得到每个投影设备的单元掩膜图像；
通过以非线性衰减的方式生成一组对称灰度虚拟掩膜图像，所述非线性衰减的方式为采用指数衰减函数和三角衰减函数相结合的方式构造灰度虚拟掩膜图像的生成曲线。
为了预测单位液态树脂暴露在不同灰度掩膜图像下，t时刻的无量纲位置δ(t)，对实验数据进行拟合，线性拟合函数可由公式(2)表达。
δ(t)＝-0.0624g×t+0.0316g+0.4t+0.25 (2)
g为灰度值，t为时刻。
1大幅面连续成型方案核心思想
基于CLIP的大幅面三维模型连续成型困难的关键问题是光固化过程中液态树脂的固化速度和回流填充速度之间的不平衡。结合不同灰度掩膜下液态树脂的光固化特性和CLIP连续成型中树脂流速的分析，本申请提出了多重灰度掩膜成型方案来平衡液态树脂光固化速度和流速的关系，其核心思想利用灰度掩膜实现光固化过程中投影面上的光强可控性，使用可变光强代替传统CLIP成型中使用单一紫外光强进行光固化的成型方式，改善液态树脂因为回流至目标固化位置的时间有所差异导致的打印缺陷。多重灰度掩膜成型方案结合液态光敏树脂的光固化特性和CLIP动态成型下的流速，设计了灰度调制公式(3)。
g(δ,t)＝mδ+ginit,t∈[0,T] (3)
其中，δ为t时刻单位树脂液体的无量纲位置，可由公式(2)计算。ginit为灰度调制的初始值，m是用于调整单位液体当前位置与成型平台中心位置比例的参数，T为使用单一紫外光时的单层固化时间。在不增加单层固化时间T的情况下，灰度调制公式以时间增量Δt为单位，动态调整当前投影面上的紫外光强，控制在不同时间段进入投影区域的单位液态树脂接收到不同强度的紫外光曝光能。以时间增量Δt＝T/3为例，每张切片掩膜图像灰度调制过程分成三个阶段，如图2所示。从图中可以看出灰度调制的初始灰度值较大，其目的为了使投影区域最外围的液态树脂能流动至投影中心发生固化反应，中心位置的成功固化方可保证其他位置的液态树脂均可移动至其目标投影区域，随着时间的增加，灰度调制将逐步降低掩膜图像的灰度值，投影面的紫外曝光能也随之增强，投影面上的液态树脂在移动过程中积累到的紫外曝光能逐渐增多，直到t＝T时刻灰度调制结束，投影区域的液态树脂均在其目标位置接收到足量的紫外曝光能并发生完全固化，获得目标厚度的大幅面固态薄层。
2多重灰度掩膜成型算法步骤
灰度调制公式是多重灰度掩膜成型方案的核心，灰度调制公式中的ginit决定了每层切片光固化过程接收到的初始紫外光强，并以该值为基准实现基于CLIP的大幅面三维模型连续成型过程，因此ginit初始值的选取是平衡树脂流速和固化速度的关键，下面给出获得最佳ginit的具体步骤。
2.1灰度调制迭代优化实现步骤
多重灰度掩膜连续成型方案利用灰度调制公式控制投影面上的紫外光强，平衡树脂流速和光固化速度之间的关系。当成型平台连续上升时，树脂从成型平台四周流向打印区域，单位液态树脂从进入打印区开始接收紫外曝光能，由光敏树脂的光学特性可知，当单位液态树脂在到达其目标位置时接受到总的紫外曝光能大于等于固化目标厚度所需的总的曝光能时，方可发生完全的光聚合反应。多重灰度掩膜成型方案在单层切片固化过程中通过不同灰度掩膜控制成像系统的紫外光强，使投影面上的紫外光强随着时间的变化逐渐增大，液态树脂从成型平台边缘处流向打印区域中心时，接收到的紫外曝光能也随时间逐渐增大。灰度调制公式中ginit的选取既要实现单位液态树脂能从成型平台边缘处移动到目标固化位置，还要保证树脂在移动到目标固化位置时积累到足量的紫外曝光能生成目标厚度的固态薄层。
基于以上目标，多重灰度掩膜成型方案提出一种灰度调制迭代优化办法获取ginit的最佳初始值。灰度调制迭代优化主要分为两个过程，第一个过程是最小化单位树脂液体在流动至投影中心积累的紫外曝光能Esum与在该处生成目标厚度固态薄层需要的紫外曝光能E两者差距的能量迭代；第二个过程通过比较Esum和E之间的差距来确定投影区域δ处周围的液态光敏树脂是否会发生固化，并基于Esum与E的比较结果增加或减少ginit的值，当投影中心积累的总能量Esum与E之间的差距小于设定的阈值时，将此时的ginit设为灰度调制公式的最佳初始值，灰度调制迭代优化流程结束。
灰度调制迭代优化流程如图3所示，左边为最小化能量差距的迭代过程，右边为最佳ginit灰度值迭代过程。
本申请实验中的使用的液态光敏树脂暴露在灰度值205到225的掩膜图像时，液态树脂可在其目标位置或附近完全固化，因此灰度调制迭代优化方法将该范围的中值设为ginit的预估初始值进入最小化能量差距迭代过程。在进行第一部分最小化能量差距迭代过程之前，首先需要确定成型平台投影中心位置δc、单层切片曝光时间T、单层切片固化厚度d、迭代优化时间隔增量Δt、灰度增量Δg和能量迭代阈值σd等初始值。在连续光固化成型中，为了使打印件层与层之间保持良好的粘合，将目标固化深度设定为单层固化厚度d的1.2倍，将1.2d代入公式(4)计算可以得到δc处需要的紫外曝光能E，随后进入最小化能量差距迭代过程。
Cd为固化深度，式(4)中的曝光能E可由公式(5)将掩膜图像灰度值转化为紫外光入射量。本申请中使用的液态光敏树脂的临界曝光能Ec为0.83mJ/cm2。
E＝(0.84g-0.14)t (5)
最小化能量差距迭代以时间增量Δt为单位，累加单位液态树脂在tn-1至tn时间段暴露在灰度值为g(δn,tn)的灰度掩膜下接收到的紫外曝光能E(gn,tn)，E(gn,tn)可由公式(5)的变式(6)计算。
E(g,t)＝(0.026g-0.14)(tn-tn-1) (6)
以第一次迭代过程为例，将ginit的预估值代入公式(2)计算出单位液态树脂在t1时刻的无量纲位置δ1，然后根据公式(3)可以计算出在t1时刻，投影系统当前灰度掩膜图像的灰度值g(δ1,t1)，接着通过公式(6)计算出单位液态树脂从t0至t1时刻接收的紫外光暴露能。不断重复上述过程，直到δn的值等于δc。最后利用公式(7)计算出单位液体在到达目标位置δc时接收到总的曝光能Esum。
为了保证打印件不出现中空结构，能量迭代优化的目标是在初始值为gmin的灰度调制投影过程中，当一个单位液体树脂在T时刻到达成型平台中心处并发生完全固化反应，打印区域其他位置的树脂也均能流动至其目标固化位置时积累到足量的紫外曝光能。为此，灰度分布优化迭代方案在第一部分能量迭代过程设置一个能量迭代阈值，最小化单位液态树脂在投影中心位置上接收到的总曝光能Esum与目标能量E之间的误差。灰度分布优化迭代的第二个部分最佳ginit值的迭代通过公式(8)计算Esum和E的差距，进而对ginit的值进行调整，调整的结果与设定的阈值相关(本申请实验中阈值设定为3％)。当|σd|大于阈值且σd大于0，说明当前的ginit过小，液态树脂在到达投影中心时，未能接收到足量的曝光能，因此将当前的ginit增加Δg；当|σd|大于阈值且σd小于0，说明当前的ginit过大，液态树脂在到达投影中心之前就发生了完全固化反应，导致模型中间出现空洞，因此需将当前的ginit减少Δg，提高树脂的流动性。接着将调整后的ginit值代入第一部分的能量迭代过程中进行能量迭代，不断重复上述过程直到|σd|的值小于设定的阈值。将最后得到的最优ginit代入到灰度调制公式中，得到具有同一物理特性的液态光敏树脂的多重灰度掩膜大幅面成型方案。
根据上述流程，灰度分布优化过程分成两个阶段，第一阶段的能量迭代的结果作为第二阶段灰度值迭代的初始条件，使用两层嵌套循环来完成这个工作。能量迭代过程基于时间增量Δt计算树脂在移动过程中积累的紫外曝光能，因此该循环的时间复杂度为O(N)，灰度值迭代的循环次数取决能量迭代中总曝光能Esum与目标能量E的比较结果，因此灰度值迭代的时间复杂度为O(1)，所以灰度调制迭代优化过程的时间复杂度为O(N)，伪代码如算法1所示。
3实验验证与评估
在本申请设计的拼接型CLIP 3D打印实验机上对多重灰度掩膜大幅面成型方案进行实验评估，主要包括可行性评估和可复用性评估，可行性评估包括模型尺寸评估和模型质量评估。
3.1可行性评估
可行性评估实验选择三个横截面尺寸不同的三维立体网格模型作为打印模型，模型横截面长宽尺寸分别为10.05cm×10.00cm、13.50cm×10.00cm和16.35cm×10.00cm，满足本申请设计的组合拼接投影的3D打印实验机最大可投影尺寸275mm×480mm，液态光敏树脂选取透明度较高的聚碳酸酯液态光敏树脂作为光固化原材料，方便查看模型内部打印结构，模型实体如图4所示。三维立体网格模型切片掩膜图像经过拼接组合投影至树脂液槽底部，拼接处采用边缘能量均匀化方案进行接缝处理，并将多重灰度掩膜成型方案应用至连续成型过程中，由模型实体可以看出，模型表面质量良好，细节完整，模型内部未出现明显中空结构的打印缺陷。
模型质量评估打印了多组不同尺寸的三维模型进行实验评估，如图5(a)和5(b)，其中狼头模型的三维模型文件原始尺寸长宽高分别为26.37mm、20.49mm、9.50mm，涡轮模型的原始尺寸为25.00mm，25.00mm，10.44mm，采用多重灰度掩膜大幅面成型方案分别打印3个将长宽高均放大2倍的大尺寸模型。将放大后的模型实体与原始尺寸的模型进行细节对比，可以观察到多重灰度掩膜大幅面成型方案下的模型实体细节完整、模型质量和模型精度保持了CLIP连续面曝光成型的优势。
由模型尺寸评估实验和模型质量评估实验可知，结合边缘能量均匀化畸变消除方案和多重灰度掩膜大幅面连续成型方案，本申请设计的组合拼接投影的CLIP型3D打印实验机能以较高的质量完成大幅面三维模型的连续成型工作。
3.2可复用性评估
由可行性评估实验可知，针对流动性相对较好的液态光敏树脂作为光固化原材料，多重掩膜连续成型方案具有良好打印效果。为进一步验证该方案对不同物理特性的光固化浆料具有可复用性，沈阳金属所调配了四种粘度较高、流动性较低的陶瓷浆料作为光固化材料。光固化陶瓷粉体分别选择氧化铝、氧化钇、氧化锆以及磷酸钙与光敏树脂等比例混合形成四种不同体系的陶瓷浆料，使用这四种陶瓷浆料打印出的模型实体如图6所示。
其中氧化铝陶瓷浆料和氧化锆陶瓷浆料相对氧化钇陶瓷浆料和磷酸钙陶瓷浆料流动性较好，由这两种浆料打印出的涡轮模型横截面相对较大，且模型质量较好，且氧化铝陶瓷浆料可以打印出实心的涡轮模型；而流动性较差的氧化钇陶瓷浆料和磷酸钙陶瓷浆料打印的蜂窝模型横截面相对较小，但与传统CLIP成型尺寸相比有一定的提升。上述实验表明，针对具有不同粘度和流动性的光固化打印材料，多重灰度掩膜成型方案具有一定的可复用性。
4总结
在组合拼接投影扩大成型幅面的CLIP型3D打印系统中，针对大幅面三维模型连续成型困难的问题，提出了多重灰度连续成型方案。该方案对传统CLIP光固化成型流程进行改进，通过灰度掩膜调制成像系统光强实现投影面上的紫外曝光能可控，并设计了灰度调制迭代优化办法降低液态树脂聚合过程中粘度增加对流动速度的影响，进而平衡液态树脂面曝光成型时光固化速度和回流速度之间的关系，实现基于CLIP的大幅面三维模型连续成型方案。
方案评估设计了模型尺寸评估、模型质量评估和材料对比评估实验，验证了基于CLIP的多重灰度掩膜连续成型方案的可行性和可复用性。由于实验结果表明，对于流动性较好的树脂浆料，多重灰度掩膜连续成型方案能以较高的质量完成大幅面三维模型的连续成型工作，模型实体表面质量好，成型精度较高；对于流动性较差的陶瓷浆料，成型尺寸不如树脂浆料，但相对于传统CLIP制备的三维模型，模型尺寸有所提高，同时保持了CLIP成型精度高、打印速度快的优势，表明该方案具有较高的实际应用价值。
本申请实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的多重灰度掩膜连续成型方法对应的电子设备，以执行上多重灰度掩膜连续成型方法。本申请实施例不做限定。
请参考图7，其示出了本申请的一些实施方式所提供的一种电子设备的示意图。如图7所示，所述电子设备20包括：处理器200，存储器201，总线202和通信接口203，所述处理器200、通信接口203和存储器201通过总线202连接；所述存储器201中存储有可在所述处理器200上运行的计算机程序，所述处理器200运行所述计算机程序时执行本申请前述任一实施方式所提供的多重灰度掩膜连续成型方法。
其中，存储器201可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口203(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网、广域网、本地网、城域网等。
总线202可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。其中，存储器201用于存储程序，所述处理器200在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本申请实施例任一实施方式揭示的所述多重灰度掩膜连续成型方法可以应用于处理器200中，或者由处理器200实现。
处理器200可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器200中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器200可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器201，处理器200读取存储器201中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本申请实施例提供的电子设备与本申请实施例提供的多重灰度掩膜连续成型方法出于相同的发明构思，具有与其采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
本申请实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的多重灰度掩膜连续成型方法对应的计算机可读存储介质，请参考图8，其示出的计算机可读存储介质为光盘30，其上存储有计算机程序(即程序产品)，所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的多重灰度掩膜连续成型方法。
需要说明的是，所述计算机可读存储介质的例子还可以包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他光学、磁性存储介质，在此不再一一赘述。
本申请的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本申请实施例提供的多重灰度掩膜连续成型方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
需要说明的是：
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备有固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的虚拟机的创建系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多重灰度掩膜连续成型方法，其特征在于，包括：
对三维模型等厚切片，然后将其按照投影设备拼接模式进行切分处理；
使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝；
按照固化顺序将切分后的单元掩膜图像以组合拼接投影的方式曝光至树脂表面，在每一层切片固化过程中，利用最佳灰度调制公式对投影过程中的紫外光进行控制，完成单层固化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述使用边缘能量均匀化方法消除拼接处的接缝，包括：
根据投影设备拼接模式对切片掩膜图像进行切分、像素填充，得到每个投影设备的单元掩膜图像；
通过以非线性衰减的方式生成一组对称灰度虚拟掩膜图像，所述非线性衰减的方式为采用指数衰减函数和三角衰减函数相结合的方式构造灰度虚拟掩膜图像的生成曲线。
按照投影顺序将所述灰度虚拟掩膜图像与所述单元掩膜图像相融合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述最佳灰度调制公式如下：
g(δ,t)＝mδ+ginit,t∈[0,T]
其中，δ为t时刻单位树脂液体的无量纲位置；ginit为灰度调制的初始值，m是用于调整单位液体当前位置与成型平台中心位置比例的参数，T为使用单一紫外光时的单层固化时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
δ的计算公式如下：
δ(t)＝-0.0624g×t+0.0316g+0.4t+0.25
其中，g为灰度值，t为时刻。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，
所述最佳灰度调制公式以时间增量Δt为单位，动态调整当前投影面上的紫外光强，控制在不同时间段进入投影区域的单位液态树脂接收到不同强度的紫外光曝光能。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
通过灰度调制迭代优化方法获取ginit的最佳初始值，所述灰度调制迭代优化的过程如下：
最小化单位树脂液体在流动至投影中心积累的紫外曝光能Esum与在投影中心生成目标厚度固态薄层需要的紫外曝光能E两者差距的能量迭代；
通过比较Esum和E之间的差距来确定投影区域δ处周围的液态光敏树脂是否会发生固化，并基于Esum与E的比较结果增加或减少ginit的值，当投影中心积累的总能量Esum与E之间的差距小于设定的阈值时，将此时的ginit设为灰度调制公式的最佳初始值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述灰度调制迭代的循环次数取决能量迭代中Esum与E的比较结果。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述灰度调制迭代的能量迭代阈值σd计算公式如下：
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序以实现如权利要求1-8任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310717113.2A CN116834275A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种多重灰度掩膜连续成型方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310717113.2A CN116834275A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种多重灰度掩膜连续成型方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116834275A true CN116834275A (zh) | 2023-10-03 |
Family
ID=88169783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310717113.2A Pending CN116834275A (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种多重灰度掩膜连续成型方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116834275A (zh) |
-
2023
- 2023-06-16 CN CN202310717113.2A patent/CN116834275A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11440243B1 (en) | Domain-based variable exposure for additive manufacturing devices | |
| JP4937044B2 (ja) | １層ずつ三次元物体を成形する方法 | |
| US9205599B2 (en) | System and method for producing a tangible object | |
| US10232553B2 (en) | Method for generating a three-dimensional (3D) object | |
| JP7169270B2 (ja) | 三次元付加製造生産時間を削減するためのシステムおよび方法 | |
| CN104956672B (zh) | 三维对象构造 | |
| JP2000141499A (ja) | 三次元物体を形成するための層デ―タを作成する方法および３次元物体の形成装置 | |
| US20200376775A1 (en) | Casting techniques, casts, and three-dimensional printing systems and methods | |
| JP2006285261A (ja) | 低解像度投影画像を用いたソリッド・イメージングにおける不均一エッジの改善 | |
| JP7118988B2 (ja) | 平滑な曲面を有する眼内レンズの３ｄプリンティング | |
| JP7132927B2 (ja) | 光硬化型三次元印刷方法及び装置 | |
| Valentinčič et al. | Low cost printer for DLP stereolithography | |
| WO2018187709A1 (en) | Method of compensating for inhibitor permeable film deformation in the manufacture of three-dimensional objects | |
| WO2021253769A1 (zh) | 一种 stl 模型切片方法和装置 | |
| CN110370625B (zh) | 一种提升dlp光固化增材制造效率的方法 | |
| CN116834275A (zh) | 一种多重灰度掩膜连续成型方法 | |
| CN114474732A (zh) | 数据处理方法、系统、3d打印方法、设备及存储介质 | |
| CN109732909A (zh) | 打印方法及结构 | |
| KR102045213B1 (ko) | 3d 프린트 장치 및 이의 프린트 방법 | |
| WO2022003661A1 (en) | A system and method for three-dimensional (3d) printing | |
| JP2005123549A (ja) | ダイナミックマスクモジュール | |
| CN115592943A (zh) | 一种基于动态光强的连续3d打印控制方法及打印设备 | |
| JP6796572B2 (ja) | 三次元オブジェクト形成装置およびその方法 | |
| CN116728785A (zh) | 一种基于eehm的三维模型成型方法 | |
| Suresh | Development of a Projection-Based SLA System for Assessment of Printing Applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |