CN114407349A - 一种多分辨率光固化3d打印系统及边缘优化打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法,将三维模型初步划分成H/h层,H为三维模型的高度,h为每层的打印高度,确定当前层的轮廓;选取当前层的下一层轮廓,将当前层与下一层轮廓差集运算得到正区域、零区域和负区域结果;将正区域和负区域的结果标记,累加到三维模型的边缘结构中;得到若干个实体,标记为高分辨率打印区域;当启用手动指定高分辨率打印区域时,手动选取实体或表面,并标记为高分率打印区域;当不指定高分辨率打印区域时,将整个三维模型与高分辨率区域的差集标记为低分辨率打印区域;同时进行光固化,逐层打印得到最终实体模型。本发明通过多个不同分辨率光源的同时固化成型,优化边缘的连续性和光滑性。
Description
技术领域
本发明属于光固化3D打印技术领域,具体涉及一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法。
背景技术
3D打印技术属于增材制造,通过层层累积不断堆叠出设计的几何结构,能够加工出结构复杂、传统工艺难以加工的几何模型,具有很高的灵活性。
光固化3D打印技术是3D打印的一个重要分支。具体而言,光固化3D打印技术是指利用一定波长范围(通常为365~405nm)的紫外光源,对液体状的树脂进行照射从而使得树脂固化成型,最终加工得到所设计的模型。光固化技术根据光源的类型可大致分为两类,一类是使用点光源的打印方案,即光固化立体成型(SLA,Stereolithography Appearance),在此基础上,另一类打印技术将点光源更换成面光源,增加打印速率,即数字光处理技术(DLP,Digital Light Processing)。
打印分辨率是光固化3D打印技术的发展最重要的一部分,然而,打印分辨率的提高与打印速度、所能打印的幅面大小是相互矛盾的。纵然3D打印技术的分辨率已经愈发精密,但传统使用单一分辨率的打印方法无法有效地平衡打印速度和打印精度的关系。此外,分层增材制造所带来的阶梯效应破坏了结构边缘(特别是曲面或斜面)的连续性和光滑性,制约着一些对结构边缘光滑性要求严格的器件成型。本专利拟通过使用多个分辨率不同的光源(为方便讲解,此专利仅展示两个光源的情形)构成多分辨打印系统,通过低分辨率光源固化主要的大面积结构,保证打印速度;通过高分辨率光源固化边缘以及细节结构,保证打印效果,优化边缘的光滑性。
现有技术1:为了解决传统光固化打印方案中采用单一分辨率光源,无法有效兼顾打印精度和打印速度的问题,美国伊利诺伊大学的科研人员通过改变聚焦镜头与光源的距离,以改变焦距,如图1所示,从而使得投影光源的分辨率可被调整。根据打印所需的分辨率要求,动态地调整分辨率,在保证精度的同时快速高效地完成了打印工作。
对于上述通过改变焦距来改变打印分辨率的方法,虽然在一定程度上通过降低打印分辨率的方法提高了打印速度,但由于它会改变器件内部的相对距离,使得结构不紧凑,打印精度也会受到光源移动平台的影响、不够稳定。
现有技术2:为了优化结构边界的阶梯效应问题,还有一种通过比较层与层之间的面积大小,找到面积变小的地方,也即边界的位置,通过对边界位置的光照强度进行灰度化(也即在最亮和最暗两个极限之间取值),从而使得边界上的斜面有较好的加工质量,如图2所示。
对于上述通过灰度化打印结构边缘的光源亮度来优化斜面成型质量的方法,首先是其通过面积的改变来判断是否存在斜面的方法不合理,存在误判、漏判的情况;其次,灰度化的细密程度受到打印分辨率的影响,灰度化后的亮度不会比原来的正常亮度有太大差距,因而能提高的加工质量有限,不能有效优化曲面或斜面的光滑性,特别是对一些比较陡峭的斜面就更难保证优化质量;此外,这需要光源亮度更加细微地、连续地调节,对打印设备提出了更高的要求,相应地会增加整个设备成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法,通过多个不同分辨率光源的同时固化成型,可实现快速、精密地打印,并能优化边缘的连续性和光滑性。
本发明采用以下技术方案:
一种多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,包括以下步骤:
S1、从STL格式的三维模型文件中获取三维模型的高度H,设定每层的打印高度h,将三维模型初步划分成H/h层,设置当前层为三维模型的第一层,确定当前层的轮廓;
S2、选取步骤S1确定的当前层的下一层轮廓,将当前层的轮廓与下一层轮廓做差集,得到正区域、零区域和负区域的结果;
S3、将步骤S2得到的正区域和负区域的结果标记,并累加到三维模型的边缘结构中;如果当前层不是倒数第二层,将当前层下移一层,重复步骤S2和步骤S3;如果当前层是倒数第二层,对标记的边缘结构的相邻区域进行合并,得到若干个实体,将若干个实体进一步标记为高分辨率打印区域;
S4、当手动指定高分辨率打印区域时,手动选取实体或表面,并标记为高分率打印区域;当不指定高分辨率打印区域时,将整个三维模型与高分辨率区域的差集标记为低分辨率打印区域;
S5、将高分辨率区域分配给高分辨率光源系统,将低分辨率区域分配给低分辨率光源系统,高分辨率光源系统和低分辨率光源系统同时进行光固化,逐层打印得到最终的实体模型。
具体的,步骤S1中,通过当前层确定一个平面,将平面上的几何区域的边界作为当前层的轮廓。
具体的,步骤S2中,将当前层与下一层轮廓进行差集运算时,将上一层有而下一层没有的区域结果作为正区域,将上一层没有,下一层有的区域结果作为负区域,将上一层和下一层都有的区域结果作为零区域。
具体的,步骤S3中,如果当前层不是倒数第二层;将当前层下移一层,重复步骤S2。
具体的,步骤S4中,高分辨率打印区域和低分辨率打印区域互为补集,高分辨率打印区域和低分辨率打印区域的连接处顺滑过渡。
具体的,步骤S5中,高分辨率光源系统包括第二光源,第二光源发出的光源依次经第二镜头组和抛物面镜后反射到树脂溶液。
具体的,步骤S5中,低分辨率光源系统包括第一光源,第一光源发出的光束依次通过数字微镜器件和第一镜头组后到达树脂溶液。
本发明的另一个技术方案是,一种多分辨率光固化3D打印系统,利用所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,包括移动平台,移动平台设置在装有树脂溶液的树脂槽内,高分辨率光源系统和低分辨率光源系统分别设置在树脂溶液的上方,低分辨率光源系统用于在移动平台上完成样品的主体部分打印,高分辨率光源系统用于在移动平台上完成样品的边缘部分和精密结构部分打印,通过控制移动平台的位移实现对样品的逐层打印。
具体的,低分辨率光源系统包括第一光源,第一光源发出的光束依次通过数字微镜器件和第一镜头组后到达树脂槽内的树脂溶液上;高分辨率光源系统包括第二光源,第二光源发出的光源依次经第二镜头组和抛物面镜后反射到树脂槽内的树脂溶液上。
进一步的,数字微镜器件的分辨率为1920×1200,第一光源和第二光源的光斑大小为50~200μm。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,将模型逐层读取,自动划分为高分辨率和低分辨率两种打印区域,并通过不同的镜头组进行光固化,能够对打印精度要求不高的结构采用低分辨率镜头组打印,保证主体的打印速度;对打印精度有一定要求,如边缘结构、微小结构以及人工指定的区域采用高分辨率镜头组打印,保证这部分区域的打印精度。
进一步的,确定当前层的轮廓可确定该层所需打印的几何形状,为下一步的与下一层轮廓作差做准备。
进一步的,当前层与下一层的图形轮廓存在差异、零区域为此两层共同存在的区域,应当属于结构变化不大的部分,而正区域和负区域分别属于当前层有下层没有和下层有当前层没有的区域,也即轮廓区域;通过做差集,能够确定边缘的位置,以及边缘从下到上是变大(正区域)或者变小(负区域),边缘区域确定之后,后续步骤中标记为高精度打印区域,以保证这部分结构的打印精度。
进一步的,对模型读入划分成H/h层后,需要对所有的每相邻两层进行差集运算,以找到所有的边缘区域,而当当前层为倒数第二层时,此时下一层为所有分层的最后一层,也即对所有相邻层的遍历差集运算应当结束。
进一步的,高分辨率打印区域将采用打印精度更高的光源和镜头组,以达到更高的打印分辨率和打印精度,然而其打印速度也将更低,地分辨率打印区域则相反;对于整个模型而言,大部分区域应当属于低分辨率区域,除了边缘区域、一些微小结构所要求的精度并不太高,如果整个模型都采用低分辨率系统打印,则打印精度无法满足要求,如整个模型都采用高分辨率打印,则相当耗费时间;因而,通过将不同精度需求的结构采用不同精度的打印系统进行成型,能够有效解决打印精度和打印速度的矛盾。
进一步的,高分辨率光源系统为独立的系统,能够根据实际需要进行增删以及升级,而不与低分辨率光源系统产生干扰、不影响其工作,能够准确地将光源投影到树脂溶液表面的所需位置。
进一步的,低分辨率光源系统为独立的系统,能够根据实际需要进行增删以及升级,而不与高分辨率光源系统产生干扰、不影响其工作,能够准确地将图形投影到树脂溶液表面。
一种多分辨率光固化3D打印系统,使用多个分辨率不同的光源共同进行光固化,对主要的结构或分辨率要求不高的结构采用低分辨率光源进行固化,保证了打印的速度;对一些细节结构或变化剧烈的结构如斜面、曲面等采用高分辨率光源进行固化,保证了成型质量,改善了光固化打印中存在的阶梯效应问题。
进一步的,在低分辨率光源系统中,光源发出的光经过数字微镜器件后,将得到打印形状的图案,最终经过第一镜头组聚焦在树脂表面,以此进行光固化操作;在高分辨率光源系统中,(以这里的SLA为例),光源用以发出365-405纳米波长范围的光束,准直镜头组可通过调整镜头之间的距离来使得光束之间的光线平行,实现光束准直的目的,可移动抛物面镜可以将光束反射到树脂溶液表面,并由于可移动抛物面镜可在水平面内移动,从而可以控制光束反射到溶液表面的具体位置。
进一步的,微镜器件的分辨率越高、光斑的直径越小都意味着进行光固化时所得的精度越高;在高分辨率光源系统中,通过更换、升级不同光斑大小的光源,或在低分辨率光源系统中更换不同分辨率的DMD(数字微镜器件)可分别对光源系统的精度进行调整。
综上所述,本发明通过采用分辨率不同的光源系统,分别对高分辨率打印区域和低分辨率打印区域进行光固化打印,能够同时保证高分率打印区域的打印精度和低分辨率打印区域的速度,在整体上优化了打印精度和打印速度的矛盾;各个光源系统之间是独立存在的,可单独调整其打印精度,并可根据实际需要增删光源系统;在打印过程中,能自动识别标记数字模型的边缘区域,并运用高分辨率光源系统打印,具有很高的自动化程度。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为现有一种多分辨打印系统示意图;
图2为现有优化方法示意图;
图3为本发明打印系统示意图;
图4为本发明打印方法流程示意图。
其中:1.样品;2.树脂槽;3.树脂溶液;4.移动平台;5.第一光源;6.数字微镜器件;7.第一镜头组;8.抛物面镜;9.第二镜头组;10.第二光源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解,在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法,通过多个分辨率不同的光源同时进行固化,不改变光源与液面的相对距离,打印精度更加稳定,结构也可更紧凑;通过使用高分辨率的光源对局部细节、斜面或曲面边缘固化可有效弥补打印结构的阶梯效应,同时,使用低分辨率对加工质量要求不高、或本身结构简单的部分进行固化,保证了整个模型的打印速度。
本发明不限定打印技术是立体光固化成型法(Stereo lithography AppearanceSLA)还是数字光处理(Digital Light Procession DLP),因而对于高低分辨率光源的具体形式可以都为或分别为SLA或DLP所采用的光源。一般而言,SLA采用的是激光点光源,而DLP采用的光源经由DMD(数字微镜器件)后由光学透镜投影成像,无论采用何种方案,本发明均可适应。
请参阅图3,本发明一种多分辨率光固化3D打印系统,包括低分辨率光源系统、高分辨率光源系统、树脂溶液3和移动平台4。
移动平台4设置在树脂溶液3内,低分辨率光源系统用于在移动平台4上完成样品1的主体部分打印,高分辨率光源系统用于在移动平台4上完成样品1的边缘部分和精密结构部分打印,通过控制移动平台4的位移,实现对样品1的逐层打印。
高分辨率光源系统用来固化需要使用高分辨率打印的边缘和某些精密结构,包括抛物面镜8、第二镜头组9和第二光源10,第二光源10发出的光源依次经过第二镜头组9和抛物面镜8后反射到树脂槽2内的树脂溶液3上液面。
以SLA打印方法为例,采用紫外光源作为第二光源10,紫外光源发出的光束通过第二镜头组9准直聚焦后,再经过可移动的抛物面镜8反射到树脂溶液3的上液面。
低分辨率光源系统用来固化不需太高打印分辨率的主体结构,保证打印速度,包括第一光源5、数字微镜器件6和第一镜头组7,第一光源5发出的光束依次通过数字微镜器件6和第一镜头组7后到达树脂槽2内的树脂溶液3。
以DLP打印方法为例,光源发出的面光束通过数字微镜器件的控制,形成需要打印结构的图案,再经过第一镜头组7,最终到达树脂溶液3的液面进行固化。
固化过程中,高分辨率光源系统和低分辨率光源系统可协调、同时进行固化打印;控制移动平台4的位移,实现对样品1的逐层打印。
高分辨率光源系统和低分辨率光源系统并不与所使用的方法固定,两种系统从DLP或SLA两种打印方法中选取,满足整个系统中的光源系统存在分辨率差异即可。本发明演示的高分辨率光源系统和低分辨率光源系统仅为示意方便,实际上并不限制光源系统地具体数量。
高分辨:光斑的直径为50~200μm,打印精度为10~30μm;
低分辨:若数字微镜器件的分辨率为1920×1200,打印精度为100μm。
本发明中高分辨系统采用SLA,低分辨率系统采用DLP,并不代表SLA打印机的精度高于DLP打印机的精度。
高分辨率对于DLP方法主要体现在数字微镜器件的分辨率上,而对于SLA方法,主要体现在光源光斑的大小上。
请参阅图4,本发明一种多分辨率光固化3D边缘优化打印方法,在逐层读取数字模型轮廓时,边缘区域将被归于正区域和负区域中,当整个模型读取完成后,所有边缘区域都将被标记为高分辨率打印区域。而这部分区域将采用高分辨率光源系统进行固化成型,因而边缘区域的打印精度相较于其他区域精度得到了提升,光滑性也得到了改善。为进一步提高边缘区域的成型质量,可从以下两方面改善:一、进一步提高高分辨率光源系统的打印精度;二、降低数字模型的层厚,减小打印时每层的厚度h,增加分层的数量。包括以下步骤:
S1、通过SolidWorks、UGNX等三维建模软件完成模型的建模过程,导出为STL通用文件格式的三维模型文件;将STL格式的三维模型文件导入切片软件,获取三维模型的高度,记作H,设定每层的打印高度,记作h,将三维模型初步划分成(H/h)层,设置当前层为三维模型的第一层,确定当前层的轮廓;
S2、选取当前层的下一层轮廓,将步骤S1确定的当前层轮廓与下一层的轮廓做差集,得到正、零、负三部分区域的结果;
S3、将步骤S2得到的正、负部分区域的结果标记并累加到三维模型的边缘结构中,判断当前层是否为倒数第二层;若不是,则将当前层下移一层(这里的下移不是指的空间上的下移,而是逻辑上的下移),重复步骤S2;若是,则对标记的边缘结构的相邻区域进行合并,得到若干个实体,将若干个实体进一步标记为高分辨率打印区域;
S4、判断是否启用手动指定高分辨率打印区域,若是,则手动选取实体或表面,并标记为高分率打印区域;若否,则将整个模型与高分辨率区域的差集标记为低分辨率打印区域;
S5、将高分辨率区域分配给高分辨率光源系统,将低分辨率区域分配给低分辨率光源系统,多个光源同时进行光固化,逐层进行打印,得到最终的实体模型。
综上所述,本发明一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法,具有以下特点:
一、通过采用分辨率不同的光源系统,分别对高分辨率打印区域和低分辨率打印区域进行光固化打印,能够同时保证高分率打印区域的打印精度和低分辨率打印区域的速度,在整体上优化了打印精度和打印速度的矛盾;
二、各个光源系统之间是独立存在的,可单独调整其打印精度,并可根据实际需要增删光源系统;
三、在打印过程中,能自动识别标记数字模型的边缘区域,并运用高分辨率光源系统打印,具有很高的自动化程度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、从STL格式的三维模型文件中获取三维模型的高度H,设定每层的打印高度h,将三维模型初步划分成H/h层,设置当前层为三维模型的第一层,确定当前层的轮廓;
S2、选取步骤S1确定的当前层的下一层轮廓,将当前层的轮廓与下一层轮廓做差集,得到正区域、零区域和负区域的结果;
S3、将步骤S2得到的正区域和负区域的结果标记,并累加到三维模型的边缘结构中;如果当前层不是倒数第二层,将当前层下移一层,重复步骤S2和步骤S3;如果当前层是倒数第二层,对标记的边缘结构的相邻区域进行合并,得到若干个实体,将若干个实体进一步标记为高分辨率打印区域;
S4、当手动指定高分辨率打印区域时,手动选取实体或表面,并标记为高分率打印区域;当不指定高分辨率打印区域时,将整个三维模型与高分辨率区域的差集标记为低分辨率打印区域;
S5、将高分辨率区域分配给高分辨率光源系统,将低分辨率区域分配给低分辨率光源系统,高分辨率光源系统和低分辨率光源系统同时进行光固化,逐层打印得到最终的实体模型。
2.根据权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,步骤S1中,通过当前层确定一个平面,将平面上的几何区域的边界作为当前层的轮廓。
3.根据权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,步骤S2中,将当前层与下一层轮廓进行差集运算时,将上一层有而下一层没有的区域结果作为正区域,将上一层没有,下一层有的区域结果作为负区域,将上一层和下一层都有的区域结果作为零区域。
4.根据权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,步骤S3中,如果当前层不是倒数第二层;将当前层下移一层,重复步骤S2。
5.根据权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,步骤S4中,高分辨率打印区域和低分辨率打印区域互为补集,高分辨率打印区域和低分辨率打印区域的连接处顺滑过渡。
6.根据权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,步骤S5中,高分辨率光源系统包括第二光源,第二光源发出的光源依次经第二镜头组和抛物面镜后反射到树脂溶液。
7.根据权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,其特征在于,步骤S5中,低分辨率光源系统包括第一光源,第一光源发出的光束依次通过数字微镜器件和第一镜头组后到达树脂溶液。
8.一种多分辨率光固化3D打印系统,其特征在于,利用权利要求1所述的多分辨率光固化3D打印系统的边缘优化打印方法,包括移动平台(4),移动平台(4)设置在装有树脂溶液(3)的树脂槽(2)内,高分辨率光源系统和低分辨率光源系统分别设置在树脂溶液(3)的上方,低分辨率光源系统用于在移动平台(4)上完成样品(1)的主体部分打印,高分辨率光源系统用于在移动平台(4)上完成样品(1)的边缘部分和精密结构部分打印,通过控制移动平台(4)的位移实现对样品(1)的逐层打印。
9.根据权利要求8所述的多分辨率光固化3D打印系统,其特征在于,低分辨率光源系统包括第一光源(5),第一光源(5)发出的光束依次通过数字微镜器件(6)和第一镜头组(7)后到达树脂槽(2)内的树脂溶液(3)上;高分辨率光源系统包括第二光源(10),第二光源(10)发出的光源依次经第二镜头组(9)和抛物面镜(8)后反射到树脂槽(2)内的树脂溶液(3)上。
10.根据权利要求9所述的多分辨率光固化3D打印系统,其特征在于,数字微镜器件(6)的分辨率为1920×1200,第一光源(5)和第二光源(10)的光斑大小为50~200μm。
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| CN202210067031.3A Pending CN114407349A (zh) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 一种多分辨率光固化3d打印系统及边缘优化打印方法 |
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