TWI385076B - 適用於立體成型機構之切層方法 - Google Patents

Description

適用於立體成型機構之切層方法

本案係關於一種切層方法，尤指一種適用於立體成型機構之切層方法。

智慧型不連續切層法係應用於三維快速成型系統（3DRP）的切層方法，主要目的在於大幅提升切層處理時的速度以及解決切層處理存在不連續面物件時所造成的切層輪廓連接錯誤的情形，使得不連續面物件經過切層處理後，也能產生正確無誤的切層輪廓。

請參閱第一圖A，其係為習知網格排列的狀態示意圖，第一圖A係顯示編號A～H共8個網格，每一網格與切層平面11相切時會產生兩個切點12，且每一網格以逆時針方向來判斷切點為起點切點還是終點切點，且定義產生於路徑往下方向的切點設為起點切點，而產生於路徑往上方向的切點設為終點切點，且由起點切點連接至終點切點，兩切點所連接的線段就是網格A～H在切層平面11中代表的切層輪廓，因此所有被切層平面11切到的網格A～H的切線之集合就是物件在切層平面11下的切層輪廓（如第一圖B所示）。

習知的切層方法係利用拓撲關係(topology)建立出網格間的連接關係，請參閱第二圖並請配合第一圖A，其中第二圖係為習知三維快速成型系統（3DRP）的切層流程圖，如圖所示，習知的切層方法係先存取網格A～H與切層平面11相切時所產生的切點資訊（步驟S21），接著，以拓撲關係判斷後會建立出以下關係（步驟S22）：
A的下個網格為B，B的下個網格為C，
C的下個網格為D，D的下個網格為E，
E的下個網格為F，F的下個網格為G，
G的下個網格為H，H的下個網格為A，
最後，由A網格的切線開始進行連接，所連接的網格切線為B網格切線，而後為C，D，…，至H，而H的下一個網格為起始網格A，則輪廓僅會連到H網格的切線為止，而截至目前為止所連接到的所有切線，即可生成第一圖B所示之切層輪廓（步驟S23）。

然而，習知的切層方法使用拓撲關係，依賴網格間的連接關係達成切層輪廓的生成，但是輸入三維快速成型系統的檔案中並沒有規範網格的輸入順序，所以網格的排列並不會有順序性，導致網格的切點與切線也不具備順序性，因此在構成網格的連接關係以及輪廓連接的尋找的過程中必須花費龐大的運算量計算，造成切層速度的低落，嚴重影響切層軟體的執行效率。

另外，習知使用拓撲關係的切層方法於連接輪廓時是以切點間的連接而生成切層輪廓，主要依照拓撲關係尋找目前網格所連接的下一個網格，直到下一個網格為起始網格為止，期間所有網格的起點切點的連線就是切層輪廓，如此的連接方式在生成切層輪廓時隱含了一個問題，即當切點資訊連接結束時，會自行將最末點連接至起始點。

請參閱第三圖A、B及C，其中第三圖A係為習知不連續面物件使用拓撲關係判斷的切點連接狀態，第三圖B係為第三圖A實際的切層輪廓示意圖，第三圖C係為使用拓撲關係而錯誤生成的切層輪廓示意圖，如第三圖A所示，其係顯示一不連續面物件的切點連接狀態且切點I所存在的網格並沒有下一個網格，其實際的切層輪廓係如第三圖B所示。

然根據習知使用拓撲關係判斷的切點連接方式，其切層輪廓的連接處理主要分成三輪，第一輪由切點I開始，但是切點I所存在的網格並沒有下一個網格，所以第一輪結束。第二輪由切點J開始，並依照拓撲關係陸續找到切點K，切點L，切點M，切點I，也相繼的連接起來，由於切點I所存在的網格並沒有下一個網格，便將終點切點I與起點切點J相連，第二輪結束。第三輪由切點N開始，並依照拓撲關係陸續找到切點O、切點J、切點K、切點L、切點M、切點I，相繼的連接起來，由於切點I所存在的網格並沒有下一個網格，便將終點切點I與起點切點N相連，第三輪結束，由於習知的連接方式在生成切層輪廓時，當切點資訊連接結束時，會自行將最末切點連接至起始切點，因此與第三圖B相較，採用習知的切層方法會造成生成第三圖C所示之切層輪廓的錯誤連接，即自行將終點切點I與起點切點J相連以及將終點切點I與起點切點N相連。

習知的切層方法所使用的拓撲關係事實上是一個不完整的網格連接關係，即網格A只與網格B相連，網格B只與網格C相連，導致尋找切層輪廓線的過程中必須以一個網格接著一個網格的方式尋找，A找到B，B才會找到C，所以當出現面的不連續情形時，拓撲關係便不再適用，因為面與面之間根本無法順利的銜接下去，使得習知的切層方法不能處理不連續面物件，由於，輸入三維快速成型系統的檔案並沒有辦法保證究竟有沒有不連續面，因此，習知所採用的切層方法並不周全。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之切層效率差以及不能處理不連續面物件切層之適用於立體成型機構之切層方法，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種適用於立體成型機構之切層方法，俾解決習知切層方法的切層效率差以及不能處理不連續面物件切層等缺點。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種適用於立體成型機構之切層方法，該立體成型機構係具有一列印模組，至少包含步驟：（a）存取一物件之一切層平面與複數個網格相切所產生之複數個切點資訊；（b）判斷一列印模組是否進行非彩色液體噴印；（c）判斷結果為是時，藉由該複數個切點資訊將每一網格與該切層平面相切時所產生之兩切點進行連接，以形成一第一切層輪廓；（d）判斷該第一切層輪廓是否存在不連續面，於判斷結果為是時，以極座標進行配對且選擇夾角較小之連接路徑，以將該第一切層輪廓連接成一封閉切層輪廓，以於該封閉切層輪廓內進行非彩色液體噴印。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

立體成型機構，例如：粉末式三維快速成型系統（3DRP），噴印的方式為非彩色(即物件的輪廓內部，一般使用例如透明膠進行噴印)搭配彩色(即物件的外圍輪廓，一般使用例如彩色膠進行噴印)噴印，立體成型機構之列印模組(未圖示)噴印時各自噴出液體膠將物件的輪廓內部以及物件的外圍輪廓黏合，而物件之每一切層平面的切層輪廓來自於網格與切層平面相交的切點連線，一般物件切層後的非彩色切層輪廓與彩色切層輪廓皆為封閉狀態，但若物件存在不連續面，則表示切層輪廓也不為封閉狀態，就無法確認非彩色噴印的範圍。

由於非彩色切層輪廓係對物件的輪廓內部進行噴印，而彩色切層輪廓僅對物件的外圍輪廓進行噴印，若物件存在不連續面，就無法確認非彩色噴印的範圍，因此彩色切層輪廓與黑色切層輪廓必須分別處理。

而切層輪廓係按照網格與切層平面間的關係而生成，每處理一個網格，便將網格被切層平面所切到的兩切點相連而構成線段，直到每一個網格都處理過為止，便可以取得切層輪廓，請參閱第四圖A其係顯示一連續面物件於一切層平面下連續的切點連接示意圖，如圖所示，複數個網格41彼此之間係相互連接，因此每一網格41與切層平面42相切所產生之切點43，將進行連接，以產生一需求切層輪廓，而第四圖B則顯示一不連續面物件於一切層平面下切點的連接示意圖，如圖所示，不連續網格44因為不存在而導致沒有切點而無法與相鄰網格41之切點43進行連接，進而產生了具有不連續面的切層輪廓。

非彩色切層輪廓必須封閉，才能確認噴印範圍，無論彩色切層輪廓為封閉或是非封閉，都與非彩色切層輪廓無關，非彩色切層輪廓生成若能夠持有封閉性，就等同於解決了不連續面導致的輪廓錯誤問題。請參閱第五圖，其係為本案較佳實施例之適用於立體成型機構之切層方法，本案係提出可將具有不連續面之非彩色切層輪廓連接成為一實際之封閉切層輪廓，解決了不連續面導致的輪廓錯誤問題，如圖所示，首先，存取一物件之一切層平面與複數個網格相切所產生之複數個切點資訊（步驟S501），例如：第六圖A所揭露於物件6之切層平面61與複數個網格（未圖示）相切所產生之複數個切點P～V的資訊，其中每一該切點資訊係包含每一該切點之座標、顏色以及貼圖資訊，且每一切點都會有自己的代表指數（index），以及每一該網格係以逆時針方向來判斷切點為一起點切點還是一終點切點，且定義產生於路徑往下方向的該切點設為該起點切點，而產生於路徑往上方向的該切點設為該終點切點，其中起點切點的指數可被定義為0或偶數，而終點切點的指數可定義為奇數，指數並不重複，但是切點資訊會重複，切點會重複就表示該切點所存在的那兩個網格是相鄰的，因此當某一切點只佔有一個指數時，表示它只存在於一個網格中，由此切點開始不連續面，而且兩切點連接的規則為：（1）起點切點僅與終點切點連接，不能以〝起點切點與起點切點〞或是〝終點切點與終點切點〞的方式連接；（2）若一切點自身為一連續面的終點切點且為一不連續面的起點切點時，進行該不連續面連接時其不得再與該連續面的起點切點連接。

接著，判斷目前立體成型機構之列印模組是否要進行非彩色液體噴印（步驟S502），若判斷結果為否時，則執行步驟S503，即藉由該複數個切點資訊將每一網格與該切層平面相切時所產生之兩切點進行連接，以形成一彩色切層輪廓（步驟S503），例如：第六圖B所述之切層輪廓，並使該列印模組根據該彩色切層輪廓進行彩色液體噴印（步驟S506）。反之，判斷結果為是時，藉由該複數個切點資訊將每一網格與該切層平面相切時所產生之兩切點進行連接，以形成一第一切層輪廓（步驟S504），其中第一切層輪廓與第六圖B所示之輪廓的形狀係相同，差異點在於步驟S503所形成之彩色切層輪廓係包含噴印的彩色資訊。

之後，則判斷該第一切層輪廓是否存在不連續面（步驟S505），於判斷結果為是時，以極座標進行配對且選擇夾角較小之連接路徑，即非封閉切層輪廓連接成封閉切層輪廓的方法係以極座標配對的方式達成，並利用角度大小判斷出較適合的連接端，以將該第一切層輪廓連接成一封閉切層輪廓（步驟S507）。

接著，以於該封閉切層輪廓內進行非彩色液體噴印（步驟S506），待噴印完成後則判斷是否完成該切層平面的所有噴印（步驟S508），即彩色噴印及/或非彩色噴印，若結果為否，則重新執行步驟S502，反之，若結果為是，則進一步判斷是否完成該物件之所有切層平面的噴印（步驟S509），若步驟S509判斷結果為否，則重新執行步驟S501，反之，若結果為是，完成該物件的切層處理（步驟S510）。

以下將說明，本案以極座標進行配對以判斷較適合連接路徑的方式，請參閱第七圖A-D，其係為極座標之極軸擺放位置示意圖，如圖所示，極座標可分為四個相位，分別為第一相位（0°～90°）、第二相位（90°～180°）、第三相位（180°～270°）及第四相位（270°～360°），且極軸（0°）的擺放位置係依據“先前的路徑方向”決定，如第七圖A所示，當“先前的路徑方向”處於第四相位時，極軸（0°）的擺放位置為Y軸負向方向；如第七圖B所示，當“先前的路徑方向”處於第一相位時，極軸（0°）的擺放位置為X軸正向方向；如第七圖C所示，當“先前的路徑方向”處於第二相位時，極軸（0°）的擺放位置為Y軸正向方向；如第七圖D所示，當“先前的路徑方向”處於第三相位時，極軸（0°）的擺放位置為X軸負向方向。

本案以極座標進行配對以判斷較適合連接路徑的方式係先根據“先前的路徑方向”於極座標中的位置來決定極軸（0°）的擺放位置，待極軸（0°）的擺放位置確定後再選擇與極軸（0°）間夾角較小之連接路徑，選擇適當的切點進行連接，請參閱第八圖A～F，其係顯示將非封閉切層輪廓連接為封閉切層輪廓之連接流程示意圖，其中第八圖A係為第六圖B所示之未封閉切層輪廓之示意圖，以下將說明將第八圖A所示之非封閉切層輪廓連接成第八圖E所示之封閉切層輪廓之連接流程，首先，切點Q為PQ連線之終點切點，可能連接之切點為RS連線之起點切點R或是UV連線之起點切點U，請同時參閱第九圖，根據“先前的路徑方向”P→Q選擇極軸（0°）的擺放位置為X軸正向方向（如第七圖B所示），其中夾角Θ1為始於極軸（0°）而停止於QR連線的角度，而夾角Θ2為始於極軸而停止於QU連線的角度，在選擇適合路徑時，會選擇角度小的連接路徑，以此例而言Θ1 <Θ2，故選擇Q→R為較適合的連接路徑（如第八圖B所示）。

接著，請參閱第八圖C，切點T為ST連線之終點切點，可能連接之切點為UV連線之起點切點U或是PQ連線之起點切點P，請同時參閱第十圖，根據“先前的路徑方向”S→T選擇極軸（0°）的擺放位置為X軸負向方向（如第七圖D所示），其中夾角Θ3為始於極軸（0°）而停止於TU連線的角度，而夾角Θ4為始於極軸而停止於TP連線的角度，在選擇適合路徑時，會選擇角度小的連接路徑，以此例而言Θ3 <Θ4，故選擇T→U為較適合的連接路徑（如第八圖D所示）。

後續，請參閱第八圖E並請同時參閱第十一圖，切點V為UV連線之終點切點，根據“先前的路徑方向”U→V選擇極軸（0°）的擺放位置為Y軸負向方向（如第七圖A所示），其中夾角Θ5為始於極軸（0°）而停止於VP連線的角度，且為最小的夾角，故選擇V→P為較適合的連接路徑（如第八圖F所示），如此一來即可將第八圖A所示之具有三個不連續面之非封閉切層輪廓連接成封閉切層輪廓（如第八圖F及第六圖C所示），以便確認非彩色噴印的範圍，而使得立體成型機構之列印模組可根據第六圖B所示之非彩色切層輪廓範圍內部噴射非彩色液體（如第六圖D所示）。

綜上所述，本案之適用於立體成型機構之切層方法藉由極座標進行配對且選擇夾角較小之連接路徑，可將該第一切層輪廓連接成一封閉切層輪廓，以於該封閉切層輪廓內進行非彩色液體噴印，不使用拓撲關係連接，除了可達到解決習用切層方法效率過差的問題，並可節省網格處理時的運算，執行速度可獲得大量改善，另外，對於物件之非彩色切層輪廓存在不連續面時更以極座標進行配對且選擇夾角較小之連接路徑的方式來進行連接，以形成封閉切層輪廓，正確進行可以正常進行物件存在不連續面時的切層處理，以確認非彩色噴印的範圍。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

41、A、B、C、D、E、F、G、H‧‧‧網格
12、43、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U、V‧‧‧切點
11、42、61‧‧‧切層平面
44‧‧‧不連續網格
6‧‧‧物件
0°‧‧‧極軸
Θ1、Θ2、Θ3、Θ4、Θ5‧‧‧夾角
習知三維快速成型系統的切層步驟流程‧‧‧S21-23
本案適用於立體成型機構之切層步驟流程‧‧‧S501-S510

第一圖A:其係為習知網格排列的狀態示意圖。
第一圖B：其係為第一圖A之切層輪廓示意圖。
第二圖：其係為習知三維快速成型系統（3DRP）的切層流程圖。
第三圖A：其係為習知不連續面物件使用拓撲關係判斷的切點連接狀態。第三圖B：其係為第三圖A實際的切層輪廓示意圖。
第三圖C：其係為使用拓撲關係而錯誤生成的切層輪廓示意圖。
第四圖A：其係顯示一連續面物件於一切層平面下連續的切點連接示意圖。
第四圖B：其係顯示一不連續面物件於一切層平面下切點的連接示意圖。
第五圖：其係為本案較佳實施例之適用於立體成型機構之切層方法。
第六圖A：其係為具不連續面物件之結構示意圖。
第六圖B：其係為於第六圖A之一切層平面之非封閉切層輪廓示意圖。
第六圖C：其係為將第六圖B之非封閉切層輪廓連接成封閉切層輪廓之示意圖。
第六圖D：其係於第六圖C所示之封閉切層輪廓內部噴印非彩色液體之示意圖。
第七圖A-D：其係為極座標之極軸擺放位置示意圖。
第八圖A～F：其係顯示將非封閉切層輪廓連接為封閉切層輪廓之連接流程示意圖。
第九圖：其係為第八圖A所示之切點Q之連接路徑選擇示意圖。
第十圖：其係為第八圖C所示之切點T之連接路徑選擇示意圖。
第十一圖：其係為第八圖E所示之切點V之連接路徑選擇示意圖。

S501-S510‧‧‧本案適用於立體成型機構之切層步驟流程

Claims (10)

1. 一種適用於立體成型機構之切層方法，該立體成型機構係具有一列印模組，至少包含步驟：
      （a）存取一物件之一切層平面與複數個網格相切所產生之複數個切點資訊；
   　 （b）判斷一列印模組是否進行非彩色液體噴印；
   　 （c）判斷結果為是時，藉由該複數個切點資訊將每一網格與該切層平面相切時所產生之兩切點進行連接，以形成一第一切層輪廓；
   　 （d）判斷該第一切層輪廓是否存在不連續面，於判斷結果為是時，以極座標進行配對且選擇夾角較小之連接路徑，以將該第一切層輪廓連接成一封閉切層輪廓，以於該封閉切層輪廓內進行非彩色液體噴印。
2. 如申請專利範圍第1項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中於步驟（c）中更包含步驟（c1）: 判斷結果為否時，藉由該複數個切點資訊將每一網格與該切層平面相切時所產生之兩切點進行連接，以形成一彩色切層輪廓，並使該列印模組根據該彩色切層輪廓進行彩色液體噴印。
3. 如申請專利範圍第1項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中該切點資訊係包含每一該切點之座標、顏色以及貼圖資訊。
4. 如申請專利範圍第1項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中每一該網格係以逆時針方向來判斷該切點為一起點切點還是一終點切點，且定義產生於路徑往下方向的該切點設為該起點切點，而產生於路徑往上方向的該切點設為該終點切點。
5. 如申請專利範圍第4項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中該兩切點間進行連接係以該起點切點與該終點切點連接，不能以該起點切點與該起點切點，或是終點切點與終點切點的方式連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中步驟（d）中以極座標進行配對且選擇夾角較小之連接路徑係先根據一先前的路徑方向於一極座標中的位置來決定一極軸的擺放位置，待該極軸的擺放位置確定後再選擇與該極軸間夾角較小之連接路徑。
7. 如申請專利範圍第6項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中該極軸的擺放位置係為X軸正向方向、X軸負向方向、Y軸正向方向或Y軸負向方向。
8. 如申請專利範圍第1項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中步驟（d）後更包含步驟（e）判斷是否完成該切層平面的所有噴印。
9. 如申請專利範圍第8項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中若步驟（e）的判斷結果為否時，則重新執行步驟（b）。
10. 如申請專利範圍第9項所述之適用於立體成型機構之切層方法，其中若步驟（e）判斷結果為是，則執行步驟（f）判斷是否完成該物件之所有切層平面的噴印步驟，若判斷結果為否，則重新執行步驟(a)，反之，若結果為是，完成該物件的切層處理。