IT202000003677A1

IT202000003677A1 - Applicazione software per la compensazione del fenomeno dell’aliasing nella stampa tridimensionale stereolitografica a randomizzazione degli effetti di compressione e filtraggio immagini

Info

Publication number: IT202000003677A1
Application number: IT102020000003677A
Authority: IT
Inventors: Gianni Zitelli
Original assignee: Axtra3D Inc
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-21

Description

APPLICAZIONE SOFTWARE PER LA COMPENSAZIONE DEL FENOMENO

DELL?ALIASING NELLA STAMPA TRIDIMENSIONALE

STEREOLITOGRAFICA A RANDOMIZZAZIONE DEGLI EFFETTI DI

COMPRESSIONE E FILTRAGGIO IMMAGINI

La presente invenzione concerne un?applicazione software per la compensazione del fenomeno dell?aliasing nella stampa tridimensionale stereolitografica a randomizzazione degli effetti di compressione e filtraggio immagini.

Pi? in particolare, l?invenzione riguarda un?innovativa metodologia di produzione di oggetti tridimensionali, tramite un processo di fotoindurimento di materiali fotosensibili, che consente di realizzare oggetti tridimensionali secondo un processo sequenziale di formazione, aumentando considerevolmente la velocit?, la precisione e le qualit? meccaniche del prodotto finale, rispetto a quanto ottenibile mediante le metodologie di tipo noto.

L?invenzione si riferisce al campo della stampa tridimensionale, comunemente chiamata stampa 3D, e in particolare alla tecnologia di stampa 3D mediante fotoindurimento, ovvero indurimento di un particolare tipo di polimero per effetto dell?esposizione ad una radiazione luminosa.

? noto che nel campo della tecnologia di stampa 3D mediante foto-indurimento possono essere comprese due tecnologie di base, la stampa stereolitografica, nella quale si usa un laser emettente nell?intorno dei 400nm, per solidificare mediante il fascio emesso un polimero foto-indurente allo stato liquido che si trova in una apposita vasca; e la stampa DLP (acronimo dell?espressione inglese Digital Light Processing), secondo la quale un polimero foto-indurente (o resina liquida foto-indurente) sempre allo stato liquido in una vasca, viene esposto alla radiazione luminosa emessa da un dispositivo simile ad un proiettore.

Secondo entrambe queste tecnologie, il procedimento di stampa procede realizzando uno strato dopo l?altro, ovvero solidificando un primo strato aderente ad una piastra di supporto (o piastra di estrazione) e successivamente un secondo strato aderente a detto primo strato e cos? via fino alla formazione dell?oggetto completo. Secondo questa tecnologia, quindi, i dati che rappresentano l?oggetto tridimensionale da realizzare vengono organizzati come una serie di strati bidimensionali che rappresentano sezioni trasversali dell?oggetto.

A titolo esemplificativo, il processo Bottom-Up, applicato alle macchine sia di tipo laser che DLP, prevede che la piastra di estrazione dell?oggetto si muova dal basso verso l?alto, con un movimento basculante layer-by-layer (strato su strato).

In buona sostanza, il processo di formazione dell?oggetto tridimensionale ? cos? costituito:

- un software suddivide il modello 3D, fornito in input per la stampa, in una successione ordinata di strati, dello spessore determinato in funzione della tecnologia adottata, della opacit? del polimero, della quantit? di catalizzatore, del grado di precisione che si vuole ottenere e delle caratteristiche della macchina in dotazione, solitamente tra 50 e 200 micron, ma, in ogni caso, una successione di un numero discreto e finito di strati;

- una piastra di supporto, anche detta piastra di estrazione, costituita da un materiale in grado di facilitare l?incollaggio su se stessa del primo strato di polimero, si porta ad una distanza prefissata dal primo strato e attende che il fascio luminoso (laser o DLP) solidifichi il primo strato; poi si alza di una distanza sufficiente a fare in modo che lo strato appena formato si stacchi dal fondo della vasca (solitamente circa 1mm) e quindi si riabbassa della stessa distanza, meno la distanza prefissata per la formazione del secondo strato, e cos? via fino alla formazione dell?intero oggetto.

Il movimento di va e vieni che ne risulta, detto anche movimento basculante, ha due scopi principali: consente allo strato appena formato di staccarsi dal fondo della vasca, e allo stesso tempo permette ad una nuova quantit? di resina liquida non polimerizzata di interporsi tra lo strato appena formato e il fondo del recipiente, per consentire il rinnovo di materiale ancora allo stato liquido sotto allo strato gi? solidificato, per l?indurimento e la formazione dello strato successivo.

Un tema non meno importante riguarda le caratteristiche del sistema di raccolta della resina, la cosiddetta vasca, che ha il compito non solo di contenere il polimero liquido dal quale si ottiene per foto-indurimento l?oggetto tridimensionale stampato, ma anche quello di agevolare la formazione e il distacco dello strato appena costituito, e di prediligere l?incollaggio dello stesso verso la piastra d?estrazione, senza che la resistenza meccanica ne comprometta l?integrit?.

Analizzando le caratteristiche delle soluzioni secondo la tecnica nota, ? possibile schematizzare i sistemi di raccolta bottom-up, siano questi per tecnologia DLP che laser, come segue:

- contenitore della resina, con fondo cavo;

- materiale trasparente alla radiazione luminosa, per copertura del fondo;

- membrana di materiale antiaderente a copertura del materiale trasparente.

Viene effettuato un foro, solitamente al centro del sistema di raccolta, per consentire il transito del fascio luminoso che dovr? innescare il fenomeno di foto-indurimento, il foro viene quindi coperto da un vetro che abbia caratteristiche di eccellente trasparenza alla radiazione luminosa (al fine di non perdere potenza luminosa incidente), quali ad esempio quarzo e borosilicato.

Nell?ultimo periodo, non solo nel settore della stampa 3D di tipo bottom-up, ma pi? in generale nel campo della stampa 3D stereolitografica, si ? cominciato a percepire come rilevante un problema, che in precedenza non risultava essere sentito, perch? le imprecisioni intrinseche dei sistemi di stampa 3D non permettevano di raggiungere una risoluzione di polimerizzazione tale da mostrare tale fenomeno sulle superfici, e che recentemente ? emerso in virt? dell?elevata accuratezza tecnologica e chimica e dell?estrema precisione di caratterizzazione del processo di stampa che sono state raggiunte.

Questo fenomeno ? denominato aliasing e consiste nel fatto che gli oggetti generati da sistemi digitali sono rappresentanti da una pluralit? di unit? minime, tanto pi? piccole tanto maggiore ? la risoluzione, che sulla superficie degli oggetti possono risultare percepibili, a scapito della levigatura della superficie stessa. Questo fenomeno ? noto anche nel campo della stampa digitale 2D (e pi? in generale della riproduzione digitale in due dimensioni di testo o immagini), in cui le corrispondenti unit? minime sono denominate pixel e in cui la risoluzione di stampa dipende dalla dimensione del pixel, e dove ? generata una scontornatura (ovvero una approssimazione del contorno delle immagini), di dimensioni pari alla dimensione dei pixel.

Infatti, come ? noto, per procedere con l?indurimento della resina fotopolimerizzante, i sistemi di stampa 3D utilizzano delle sorgenti luminose, generalmente laser, proiettori DLP o LCD (dall?acronimo inglese Liquid Crystal Display) a lunghezza d?onda predefinita. Utilizzando dei sistemi laser, la produzione di oggetti risulta essere particolarmente accurata in termini di qualit? della superficie prodotta, ma gli stessi risultano essere per definizione non isotropici (in termini di comportamento meccanico), estremamente lenti nella produzione e tempo varianti, non solo in funzione dell?altezza dell?oggetto ma anche della quantit? di oggetti stampati contemporaneamente dalla stessa macchina. Per ovviare a questi problemi, secondo la tecnica nota sono stati introdotti dei sistemi di proiezione di tipo DLP e LCD, che consentono l?indurimento istantaneo di un intero strato dell?oggetto da stampare, e conseguentemente garantendo maggiori performance meccaniche, maggiore velocit? e tempo invarianza.

Di fatto, utilizzando dei sistemi di tipo DLP o LCD, ha senso parlare di una sorta di risoluzione XY dell?oggetto stampato, pari appunto alla dimensione del pixel effettivamente proiettato. In particolare, nei sistemi DLP, maggiore ? la distanza di proiezione (e quindi l?area di stampa), maggiore sar? la dimensione dei pixel proiettati, e conseguentemente minore sar? la risoluzione dell?oggetto stampato.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di ridurre l?effetto di aliasing applicando randomicamente un filtro diverso su ogni immagine proiettata.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione proponendo un apparato per la stampa 3D di tipo a foto-indurimento in cui il software di elaborazione delle immagini proiettate viene predisposto in maniera tale da consentire anche una notevole riduzione del fenomeno dell?aliasing.

In particolare, secondo la presente invenzione, viene proposto di modificare il procedimento di elaborazione delle immagini che, data un?immagine originale f(x,y) ne genera una nuova g(x,y) i cui pixel sono stati trasformati secondo un determinato algoritmo, queste elaborazioni consistendo per lo pi? in cambiamenti di scala dei livelli di luminanza, in particolare sfruttando tali cambiamenti di scala dei livelli di luminanza per ottenere una sfocatura delle zone delle immagini in cui l?elevata risoluzione risulta negativa per il prodotto finale. Per fare questo, nel procedimento di elaborazione delle immagini si ? introdotta una ?sfocatura? tramite l?applicazione in particolare di due filtri: un filtro di smoothing e un filtro gaussiano.

Scopo della presente invenzione ? quindi quello di fornire un?applicazione software per la compensazione del fenomeno dell?aliasing nella stampa tridimensionale stereolitografica a randomizzazione degli effetti di compressione e filtraggio immagini che permetta di superare i limiti degli apparati di stampa 3D stereolitografici secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un procedimento implementato da un elaboratore elettronico per la realizzazione di un oggetto mediante stampa 3D stereolitografica, comprendente le seguenti fasi:

- acquisire un?immagine 3D dell?oggetto da stampare;

- elaborare l?immagine 3D dell?oggetto da stampare in una pluralit? di immagini risultanti rappresentative di una successione ordinata di strati, di spessore determinato in funzione della tecnologia adottata, della opacit? del polimero, della quantit? di catalizzatore e delle caratteristiche dell?apparato di stampa in dotazione;

- fornire dette immagini risultanti al sistema di controllo di una sorgente di radiazioni utili al fotoindurimento di un materiale liquido foto-indurente, in cui, durante la fase di elaborazione dell?immagine 3D dell?oggetto da stampare in una pluralit? di immagini risultanti, a ciascuna immagine risultante viene applicato in maniera randomica un filtro di smoothing oppure un filtro gaussiano.

Preferibilmente, secondo la presente invenzione, per ciascuna immagine risultante viene variato anche il peso applicato alla maschera del filtro.

Inoltre, sempre secondo l?invenzione, lo spessore di ciascuno di detti strati ? compreso tra 1 e 300 micron.

La presente invenzione verr? ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo un esempio preferita di realizzazione.

Alla base della soluzione secondo la presente invenzione c?? il concetto di sfruttare l?elaborazione delle immagini proiettate a livello software. Per elaborazione delle immagini si intende un procedimento che, data un?immagine originale f(x,y), genera un?immagine risultante g(x,y) i cui pixel siano stati trasformati secondo un determinato algoritmo. Queste elaborazioni consistono per lo pi? in cambiamenti di scala dei livelli di luminanza che, secondo la presente invenzione, vengono sfruttati per ottenere una sfocatura delle zone delle immagini risultanti in cui l?elevata risoluzione risulterebbe negativa per il prodotto finale. Per ottenere questo risultato, viene proposto secondo la presente invenzione di introdurre una ?sfocatura? nell?immagine risultante, tramite l?applicazione in particolare di due filtri: un filtro di smoothing e un filtro gaussiano.

I filtri di smoothing sono filtri passa-basso solitamente usati per sfocare (effetto di blur) l?immagine e per ridurre il rumore. Tali filtri sono detti di media, in quanto sostituiscono il valore di ogni pixel dell?immagine con la media dei pixel nell?intorno. Questo processo riduce le variazioni brusche (sharp), siano esse dovute al rumore o ai dettagli ?utili? (ma negativi ai fini della generazione del fenomeno dell?aliasing) dei contorni.

I filtri gaussiani, invece, sono filtri utili a rimuovere il rumore gaussiano con una maschera circolare costruita con una funzione gaussiana bidimensionale di valore medio nullo e deviazione standard unitaria. L?utilit? di questo tipo di filtro per la compensazione del fenomeno dell?aliasing ? che oltre a rimuovere il rumore, esso rimuove i dettagli di piccola dimensione che contengono variazioni di livello di grigio ad alta frequenza spaziale.

Come si pu? intuire, l?applicazione in maniera costante di uno di questi due filtri per ogni immagine risultante (mantenendo invariata la maschera di filtraggio) comporterebbe una sistematica perdita di informazione dell?immagine, che oltre a rimuovere l?aliasing potrebbe introdurre un effetto rumoroso.

Per questo motivo, secondo la presente invenzione viene proposto di rendere randomica l?applicazione del filtro per ogni immagine risultante. Ovvero ad ogni immagine risultante sar? applicato un filtro diverso (smoothing o gaussiano) in maniera totalmente randomica.

Inoltre, sempre secondo l?invenzione, viene proposto che per ciascuna immagine risultante possa essere variato anche il peso applicato alla maschera del filtro in modo da rendere ancora pi? differente l?effetto su ogni immagine risultante.

L?applicazione software per la compensazione del fenomeno dell?aliasing nella stampa tridimensionale stereolitografica a randomizzazione degli effetti di compressione e filtraggio immagini secondo la presente invenzione comporta i seguenti vantaggi.

In primo luogo una riduzione dell?effetto di aliasing. Infatti, lavorando in maniera casuale con i filtri descritti ? possibile ottenere un ?ammorbidimento? dei contorni curvi delle immagini proiettare, dove una risoluzione estremamente elevata comporterebbe che le linee curve vengano approssimate eccessivamente con delle linee spezzate.

Inoltre, l?applicazione software per la compensazione del fenomeno dell?aliasing nella stampa tridimensionale stereolitografica a randomizzazione degli effetti di compressione e filtraggio immagini secondo la presente invenzione permette di ottenere l?eliminazione del rumore negativo. Infatti, la randomizzazione del filtro applicato permette di conseguire il risultato di non introdurre un rumore negativo per l?effetto finale dell?applicazione.

La presente invenzione ? stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma ? da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Procedimento implementato da un elaboratore elettronico per la realizzazione di un oggetto mediante stampa 3D stereolitografica, comprendente le seguenti fasi: - acquisire un?immagine 3D dell?oggetto da stampare; - elaborare l?immagine 3D dell?oggetto da stampare in una pluralit? di immagini risultanti rappresentative di una successione ordinata di strati, di spessore determinato in funzione della tecnologia adottata, della opacit? del polimero, della quantit? di catalizzatore e delle caratteristiche dell?apparato di stampa in dotazione; - fornire dette immagini risultanti al sistema di controllo di una sorgente di radiazioni utili al fotoindurimento di un materiale liquido foto-indurente, in cui, durante la fase di elaborazione dell?immagine 3D dell?oggetto da stampare in una pluralit? di immagini risultanti, a ciascuna immagine risultante viene applicato in maniera randomica un filtro di smoothing oppure un filtro gaussiano.
2) Procedimento implementato da un elaboratore elettronico per la realizzazione di un oggetto mediante stampa 3D stereolitografica secondo la rivendicazione 1, in cui per ciascuna immagine risultante viene variato anche il peso applicato alla maschera del filtro.
3) Procedimento implementato da un elaboratore elettronico per la realizzazione di un oggetto mediante stampa 3D stereolitografica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo spessore di ciascuno di detti strati ? compreso tra 1 e 300 micron.