WO2023221332A1 - 陶瓷器件 3d 动态成型优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，通过对3D陶瓷模型进行分层切片处理，和利用3D陶瓷模型切片图像集包含的切片图像为投影图像源，进行曝光固化脱模成型处理，其不需要对陶瓷浆料进行3D打印，也可进行陶瓷胚体的逐层固化成型，这样能够实现陶瓷胚体的批量化生产，提高陶瓷胚体的生产效率和降低陶瓷胚体的生产成本。
Description
本发明涉及陶瓷器件制作领域，尤其涉及一种陶瓷器件3D动态成型优化设计方法。
陶瓷器件3D成型技术通常是利用打印设备在成型台面上形成陶瓷胚体，再对陶瓷胚体进行烧结得到相应的陶瓷器件。现有的打印设备都是根据预先设计好的3D陶瓷模型，在成型台面上利用打印喷嘴喷出陶瓷浆料，而形成陶瓷胚体的。上述方式虽然能够保证形成的陶瓷胚体与3D陶瓷模型在外形结构上高度匹配，但是打印设备的打印时间较长，这无疑增大了陶瓷胚体的生产时间，无法实现陶瓷胚体的批量化生产，降低陶瓷胚体的生产效率和增大陶瓷胚体的生产成本。
本发明的目的在于提供一种陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其通过获取预定格式的3D陶瓷模型，并对3D陶瓷模型进行预处理；对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集；利用3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，得到3D陶瓷生胚件；对3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理，得到陶瓷器件。上述设计方法通过对3D陶瓷模型进行分层切片处理，和利用3D陶瓷模型切片图像集包含的切片图像为投影图像源，进行曝光固化脱模成型处理，其不需要对陶瓷浆料进行3D打印，也可进行陶瓷胚体的逐层固化成型，这样能够实现陶瓷胚体的批量化生产，提高陶瓷胚体的生产效率和降低陶瓷胚体的生产成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，包括如下步骤：
步骤S1，获取预定格式的3D陶瓷模型，并对所述3D陶瓷模型进行预处理；
步骤S2，对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集；
步骤S3，利用所述3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，得到3D陶瓷生胚件；
步骤S4，对所述3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理，得到陶瓷器件。
在其中一实施例中，在所述步骤S1中，获取预定格式的3D陶瓷模型具体包括：
通过CAD制图的方式，获取STL格式的3D陶瓷模型。
在其中一实施例中，在所述步骤S1中，对所述3D陶瓷模型进行预处理具体包括：
在预设三维坐标空间内，对所述3D陶瓷模型进行平移处理、缩放处理和旋转处理中的至少一者，从而使得所述3D陶瓷模型转换具有预定尺寸和/或姿态朝向。
在其中一实施例中，在所述步骤S2中，对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集具体包括：
步骤S201，对经过处理的STL格式3D陶瓷模型进行解析，得到3D陶瓷模型的每个三角面片的法向量坐标以及顶点坐标，并且将上述坐标显示在预设三维坐标空间中；
步骤S202，以预设三维坐标空间的坐标原点为起始观察点，沿预设三维坐标空间的Z轴正方向移动，并且每次移动相应的切片厚度距离；
步骤S203，当每次完成移动后，记录当前观察视角位置与Z轴垂直的平面与3D陶瓷模型形成的横截面，并将横截面对应的图像数据写入到切片文件；
步骤S204，重复上述步骤S203，直到移动距离累计值等于3D陶瓷模型的高度为止，从而得到包括与所有横截面对应的切片文件的3D陶瓷模型切片图像集。
在其中一实施例中，在所述步骤S202中，沿预设三维坐标空间的Z轴正方向每次移动的切片厚度距离均相同。
在其中一实施例中，在所述步骤S203中，将横截面对应的图像写入到切片文件具体包括：
将形成的横截面大小作为当前切片分辨率，以及获取当前横截面的灰度像素数据，再将灰度像素数据写入到切片文件。
在其中一实施例中，在所述步骤S3中，利用所述3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理具体包括：
将所述3D陶瓷模型切片图像集的所有横截面的灰度像素数据作为投影图像源数据输入到DLP光机中，使得DLP光机投射出相匹配的曝光图案；
利用所述曝光图案对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件。
在其中一实施例中，在所述步骤S3中，利用所述曝光图案对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件具体包括：
按照自下而上的顺序，在成型台面上利用所述曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件。
在其中一实施例中，在所述步骤S3中，在成型台面上利用所述曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理中，当每次完成曝光固化处理后，根据当前曝光固化处理得到的切片固化层的面积，调整对切片固化层进行脱模处理的脱模速度；其中，脱模速度与切片固化层的面积之间为负相关关系。
在其中一实施例中，在所述步骤S4中，对所述3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理之前，还包括：
将所述3D陶瓷生胚件从成型天面上取下后，使用酒精对所述3D陶瓷生胚件表面残留的陶瓷浆料进行清洗。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本申请提供的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，通过对3D陶瓷模型进行分层切片处理，和利用3D陶瓷模型切片图像集包含的切片图像为投影图像源，进行曝光固化脱模成型处理，其不需要对陶瓷浆料进行3D打印，也可进行陶瓷胚体的逐层固化成型，这样能够实现陶瓷胚体的批量化生产，提高陶瓷胚体的生产效率和降低陶瓷胚体的生产成本。
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法的流程示意图。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1所示，本申请一实施例提供的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，陶瓷器件3D动态成型优化设计方法包括如下步骤：
步骤S1，获取预定格式的3D陶瓷模型，并对3D陶瓷模型进行预处理；
步骤S2，对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集；
步骤S3，利用3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，得到3D陶瓷生胚件；
步骤S4，对3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理，得到陶瓷器件。
上述设计方法通过对3D陶瓷模型进行分层切片处理，和利用3D陶瓷模型切片图像集包含的切片图像为投影图像源，进行曝光固化脱模成型处理，其不需要对陶瓷浆料进行3D打印，也可进行陶瓷胚体的逐层固化成型，这样能够实现陶瓷胚体的批量化生产，提高陶瓷胚体的生产效率和降低陶瓷胚体的生产成本。
可选地，在步骤S1中，获取预定格式的3D陶瓷模型具体包括：
通过CAD制图的方式，获取STL格式的3D陶瓷模型。
利用CAD制图软件预先设计所需形状和尺寸的陶瓷模型，并将设计好的陶瓷模型转换为STL格式（STereoLighography 立体光刻）的3D陶瓷模型；由于STL格式时三维实体造型系统的一个接口标准，其采用三角形面片的方式离散的近视表示三维模型，对应的SYL模型仅表示三维物体的几何形状，无颜色、材质贴图或者其他属性，这样能够保证3D陶瓷模型全面反映陶瓷的3D形状结构和提高3D陶瓷模型的数据标准通用性。
可选地，在步骤S1中，对3D陶瓷模型进行预处理具体包括：
在预设三维坐标空间内，对3D陶瓷模型进行平移处理、缩放处理和旋转处理中的至少一者，从而使得3D陶瓷模型转换具有预定尺寸和/或姿态朝向。
对3D陶瓷模型进行平移处理、缩放处理和旋转处理中的至少一者，从而使得3D陶瓷模型转换具有预定尺寸和/或姿态朝向，这样能够保证3D陶瓷模型满足不同设计需求。
可选地，在步骤S2中，对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集具体包括：
步骤S201，对经过处理的STL格式3D陶瓷模型进行解析，得到3D陶瓷模型的每个三角面片的法向量坐标以及顶点坐标，并且将上述坐标显示在预设三维坐标空间中；
步骤S202，以预设三维坐标空间的坐标原点为起始观察点，沿预设三维坐标空间的Z轴正方向移动，并且每次移动相应的切片厚度距离；
步骤S203，当每次完成移动后，记录当前观察视角位置与Z轴垂直的平面与3D陶瓷模型形成的横截面，并将横截面对应的图像数据写入到切片文件；
步骤S204，重复上述步骤S203，直到移动距离累计值等于3D陶瓷模型的高度为止，从而得到包括与所有横截面对应的切片文件的3D陶瓷模型切片图像集。
通过上述过程，对STL格式3D陶瓷模型进行标准化的切片分层处理，保证切片分层得到的横截面对应的切片文件最大限度反映3D陶瓷模型的横截面形状结构。
可选地，在步骤S202中，沿预设三维坐标空间的Z轴正方向每次移动的切片厚度距离均相同。
将每次移动的切片厚度距离设成相同，不仅能够提高切片分层的效率，并且还能够保证切片分层得到的切片文件在最小数据量的情况下，真实反映3D陶瓷模型的形状结构。
可选地，在步骤S203中，将横截面对应的图像写入到切片文件具体包括：
将形成的横截面大小作为当前切片分辨率，以及获取当前横截面的灰度像素数据，再将灰度像素数据写入到切片文件。
获取当前横截面的灰度像素数据，再将灰度像素数据写入到切片文件，能够有效压缩切片文件的数据量，保证后续DLP光机准确投影出曝光图案。
可选地，在步骤S3中，利用3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理具体包括：
将3D陶瓷模型切片图像集的所有横截面的灰度像素数据作为投影图像源数据输入到DLP光机中，使得DLP光机投射出相匹配的曝光图案；
利用曝光图案对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件。
利用DLP光机（Digital Light
Process光机）投射出曝光图案，以此将陶瓷浆料进行逐层固化成型，其相比于利用打印设备进行陶瓷浆料的喷涂打印，具有更高的生产效率。
可选地，在步骤S3中，利用曝光图案对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件具体包括：
按照自下而上的顺序，在成型台面上利用曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件。
以成型台面作为成型基底，按照自下而上的顺序，在成型台面上利用曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理，这样能够逐层固化成型得到与3D陶瓷模型向一致的切片，从而组件形成3D陶瓷生胚件。
可选地，在步骤S3中，在成型台面上利用曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理中，当每次完成曝光固化处理后，根据当前曝光固化处理得到的切片固化层的面积，调整对切片固化层进行脱模处理的脱模速度；其中，脱模速度与切片固化层的面积之间为负相关关系。
在成型台面上利用曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化处理，得到切片固化层，接着需要将切片固化层从成型台面脱离出来，以此进行下一次曝光固化脱模成型处理。当切片固化层的面积的越大，对切片固化层进行脱模处理的脱模速度越小，这样能够避免在脱模过程中对切片固化层发生破裂。
可选地，在步骤S4中，对3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理之前，还包括：
将3D陶瓷生胚件从成型天面上取下后，使用酒精对3D陶瓷生胚件表面残留的陶瓷浆料进行清洗。
使用酒精对3D陶瓷生胚件表面残留的陶瓷浆料进行清洗，能够提高3D陶瓷生胚件表面的洁净度，避免后续脱脂烧结处理后陶瓷器件表面存在结块或颗粒。
上述仅为本发明的一个具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。
Claims (10)
- 一种陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，获取预定格式的3D陶瓷模型，并对所述3D陶瓷模型进行预处理；步骤S2，对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集；步骤S3，利用所述3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，得到3D陶瓷生胚件；步骤S4，对所述3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理，得到陶瓷器件。
- 根据权利要求1所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，获取预定格式的3D陶瓷模型具体包括：通过CAD制图的方式，获取STL格式的3D陶瓷模型。
- 根据权利要求2所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，对所述3D陶瓷模型进行预处理具体包括：在预设三维坐标空间内，对所述3D陶瓷模型进行平移处理、缩放处理和旋转处理中的至少一者，从而使得所述3D陶瓷模型转换具有预定尺寸和/或姿态朝向。
- 根据权利要求3所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对经过预处理的3D陶瓷模型进行分层切片处理，得到相应的3D陶瓷模型切片图像集具体包括：步骤S201，对经过处理的STL格式3D陶瓷模型进行解析，得到3D陶瓷模型的每个三角面片的法向量坐标以及顶点坐标，并且将上述坐标显示在预设三维坐标空间中；步骤S202，以预设三维坐标空间的坐标原点为起始观察点，沿预设三维坐标空间的Z轴正方向移动，并且每次移动相应的切片厚度距离；步骤S203，当每次完成移动后，记录当前观察视角位置与Z轴垂直的平面与3D陶瓷模型形成的横截面，并将横截面对应的图像数据写入到切片文件；步骤S204，重复上述步骤S203，直到移动距离累计值等于3D陶瓷模型的高度为止，从而得到包括与所有横截面对应的切片文件的3D陶瓷模型切片图像集。
- 根据权利要求4所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S202中，沿预设三维坐标空间的Z轴正方向每次移动的切片厚度距离均相同。
- 根据权利要求4所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S203中，将横截面对应的图像写入到切片文件具体包括：将形成的横截面大小作为当前切片分辨率，以及获取当前横截面的灰度像素数据，再将灰度像素数据写入到切片文件。
- 根据权利要求6所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用所述3D陶瓷模型切片图像集，指示DLP光机对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理具体包括：将所述3D陶瓷模型切片图像集的所有横截面的灰度像素数据作为投影图像源数据输入到DLP光机中，使得DLP光机投射出相匹配的曝光图案；利用所述曝光图案对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件。
- 根据权利要求7所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用所述曝光图案对陶瓷浆料进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件具体包括：按照自下而上的顺序，在成型台面上利用所述曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理，从而得到3D陶瓷生胚件。
- 根据权利要求8所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在成型台面上利用所述曝光图案对陶瓷浆料依次进行曝光固化脱模成型处理中，当每次完成曝光固化处理后，根据当前曝光固化处理得到的切片固化层的面积，调整对切片固化层进行脱模处理的脱模速度；其中，脱模速度与切片固化层的面积之间为负相关关系。
- 根据权利要求9所述的陶瓷器件3D动态成型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对所述3D陶瓷生胚件进行脱脂烧结处理之前，还包括：将所述3D陶瓷生胚件从成型天面上取下后，使用酒精对所述3D陶瓷生胚件表面残留的陶瓷浆料进行清洗。
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