立体打印设备以及立体打印方法与流程

本发明涉及一种立体打印技术，尤其涉及一种立体打印设备以及立体打印方法。

背景技术：

随着电脑辅助制造(computer-aidedmanufacturing，cam)的进步，制造业发展了立体打印技术，能很迅速的将设计原始构想制造出来。立体打印技术实际上是一系列快速原型成型(rapidprototyping，rp)技术的统称，其基本原理都是于打印平台上叠层制造，由快速原型机在x-y平面内经由扫描形式于打印平台上依序多层切层物件，以使这些切层物件堆叠形成立体物件。

由于目前的立体打印技术已被尝试利用在例如打印飞机元件或人体骨骼等特殊应用上。然而，传统的立体物件的挖空方式是通过判断立体模型的多个三角网格之间的配置关系来决定立体模型的可挖空区域或不可挖空区域。但是，传统的挖空方式将会造成立体模型外壳的内侧立体轮廓具有不平滑面，并且也无法精确调整外壳的厚度。因此，如何打印具有挖空结构的立体物件，是本领域目前重要的课题之一。

技术实现要素：

本发明提供一种立体打印设备以及立体打印方法，可取得平滑的立体模型外壳，并且针对立体模型外壳执行打印操作，以打印具有高品质挖空结构的立体物件。

本发明的一种立体打印方法适用于立体打印设备。所述立体打印设备用以水平切层立体模型，以取得多个切层图像。所述立体打印设备编辑所述多个切层图像，以依据编辑后的所述多个切层图像执行立体打印操作。所述立体打印方法包括：分析所述多个切层图像的多个切层物件，以依据所述多个切层物件各别的轮廓来分别绘制多个切层物件外壳，其中所述多个切层物件外壳分别包括所述多个切层物件的一部分；以及分别删除在所述多个切层物件外壳以外的所述多个切层物件的另一部分，并且整合所述多个切层图像的所述多个切层物件外壳，以取得立体模型外壳。

在本发明的一实施例中，上述的所述多个切层物件外壳各别具有相同的一预设厚度。

在本发明的一实施例中，上述的立体打印方法还包括：分析所述立体模型外壳的外侧立体轮廓，以取得所述外侧立体轮廓于参考平面上的多个座标位置所对应的多个切层数量；以及基于所述多个座标位置所对应的所述多个切层数量来决定所述立体模型外壳在垂直方向上由所述外侧立体轮廓至内侧立体轮廓的距离，并且分别修改所述多个切层图像的所述多个切层物件外壳。

在本发明的一实施例中，上述的基于所述多个座标位置所对应的所述多个切层数量来决定所述立体模型外壳在所述垂直方向上由所述外侧立体轮廓至所述内侧立体轮廓的距离的步骤包括：依据预设层数来决定所述立体模型外壳的可打印区域，以修饰所述立体模型外壳的所述内侧立体轮廓。

在本发明的一实施例中，上述的分析所述多个切层图像的所述多个切层物件，以依据所述多个切层物件各别的所述轮廓来分别绘制所述多个切层物件外壳的步骤包括：沿着所述多个切层物件各别的所述轮廓的外侧分别绘制多个参考轮廓；以及沿着所述多个参考轮廓的内侧分别绘制所述多个切层物件外壳。

在本发明的一实施例中，上述的所述轮廓为外层轮廓或孔洞轮廓。

在本发明的一实施例中，上述的立体打印方法还包括：在所述多个切层物件外壳所围的区域中分别绘制一支撑结构。

本发明的一种立体打印设备包括立体打印装置、处理装置以及存储装置。所述处理装置耦接所述立体打印装置。所述处理装置用以水平切层立体模型，以取得多个切层图像，并且编辑所述多个切层图像。所述处理装置依据编辑后的所述多个切层图像操作所述立体打印装置来执行立体打印操作。所述存储装置耦接所述处理装置。所述存储装置用以存储所述立体模型以及多个模块。所述处理装置用以执行所述多个模块以进行操作包括：分析所述多个切层图像的多个切层物件，以依据所述多个切层物件各别的轮廓来分别绘制多个切层物件外壳，其中所述多个切层物件外壳分别包括所述多个切层物件的一部分；以及分别删除在所述多个切层物件外壳以外的所述多个切层物件的另一部分，并且整合所述多个切层图像的所述多个切层物件外壳，以取得立体模型外壳。

在本发明的一实施例中，上述的所述多个切层物件外壳各别具有相同的预设厚度。

在本发明的一实施例中，上述的所述处理装置用以执行所述多个模块以进行操作还包括：分析所述立体模型外壳的外侧立体轮廓，以取得所述外侧立体轮廓于参考平面上的多个座标位置所对应的多个切层数量；以及基于所述多个座标位置所对应的所述多个切层数量来决定所述立体模型外壳在垂直方向上由所述外侧立体轮廓至内侧立体轮廓的距离，并且分别修改所述多个切层图像的所述多个切层物件外壳。

在本发明的一实施例中，上述的基于所述多个座标位置所对应的所述多个切层数量来决定所述立体模型外壳在所述垂直方向上由所述外侧立体轮廓至所述内侧立体轮廓的距离的操作包括：依据预设层数来决定所述立体模型外壳的可打印区域，以修饰所述立体模型外壳的所述内侧立体轮廓。

在本发明的一实施例中，上述的分析所述多个切层图像的所述多个切层物件，以依据所述多个切层物件各别的所述轮廓来分别绘制所述多个切层物件外壳的操作包括：沿着所述多个切层物件各别的所述轮廓的外侧分别绘制多个参考轮廓；以及沿着所述多个参考轮廓的内侧分别绘制所述多个切层物件外壳。

在本发明的一实施例中，上述的所述轮廓为外层轮廓或孔洞轮廓。

在本发明的一实施例中，上述的所述处理装置用以执行所述多个模块以进行操作还包括：在所述多个切层物件外壳所围的区域中分别绘制支撑结构。

基于上述，本发明的立体打印设备以及立体打印方法可平滑地挖空立体模型，以取得立体模型外壳，并且在水平方向上以及垂直方向上分别修饰立体模型外壳的厚度，以有效降低立体模型的内侧立体轮廓不平整的情况。因此，本发明的立体打印设备以及立体打印方法可打印具有高品质挖空效果的立体物件。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1显示本发明一实施例的立体打印设备的示意图；

图2显示本发明一实施例的编辑切层图像的示意图；

图3显示本发明另一实施例的编辑切层图像的示意图；

图4显示本发明一实施例的立体模型的示意图；

图5显示本发明的图4实施例的切层数量矩阵的示意图；

图6显示本发明的图4实施例的立体模型的侧视图；

图7a～图7c分别显示本发明的图4实施例的编辑切层图像的示意图；

图8显示本发明一实施例的立体打印方法的流程图。

附图标号说明：

100：立体打印设备

110：处理装置

120：立体打印装置

130：存储装置

200a、200b、200c、200d、200e、300a、300b、401、402、403：切层图像

210、220、230、240、310、320、330、340、410、420、430、410a、410b、410c、420b、420c、430a、430b、430c：轮廓

400：立体模型外壳

x、y、z：座标轴

s1：参考平面

h：预设距离

s810、s820、s830、s840：步骤

具体实施方式

为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。

图1显示本发明一实施例的立体打印设备的示意图，参考图1。立体打印设备100包括处理装置110、立体打印装置120以及存储装置130。处理装置110耦接立体打印装置120以及存储装置130。在本实施例中，处理装置110用以操作立体打印装置120，以执行立体打印操作。在本实施例中，立体打印装置120可包括打印头、打印平台以及驱动装置等。举例来说，打印头用以熔融成型材料，并且将熔融后的成型材料馈出于打印平台上，以进行立体打印操作。并且，立体打印装置120还可例如包括其他用以与打印头、打印平台以及驱动装置共同完成立体打印操作的构件(例如，控制器、加热模块、供料管线、打印头的连动机构等)，并且其相关构件可依据所属技术领域的通常知识可获致足够的教示、建议以及实施方式，因此不加以赘述。

在本实施例中，处理装置110可包括处理芯片、图像处理芯片，或者例如是中央处理单元(centralprocessingunit,cpu)，或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(microprocessor)、数码信号处理器(digitalsignalprocessor,dsp)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits,asic)、可程序化逻辑装置(programmablelogicdevice,pld)、其他类似处理电路或这些装置的组合。

在本实施例中，立体打印操作是指立体打印装置120依据立体模型的多个切层图档控制打印头的移动路径，并且操作打印头于打印平台的承载面上打印出切层物件，其中这些切层图档可为二维图像档案。在本实施例中，立体打印装置120依序打印多层切层物件，以使这些切层物件堆叠而于打印平台的承载面上成型为立体物件。在本实施例中，处理装置110可读取立体图像档案而于编辑界面中呈现立体模型。并且，立体模型可例如由电脑主机通过电脑辅助设计(computer-aideddesign，cad)或动画建模软件等建构而成。

在本实施例中，存储装置130可例如是动态随机存取存储器(dynamicrandomaccessmemory,dram)、快闪存储器(flashmemory)或非易失性随机存取存储器(non-volatilerandomaccessmemory,nvram)等。存储装置130用于存储本发明各实施例所述的模块以及数据，以使处理装置110可读取或执行这些模块以及数据，以实现本发明各实施例所述的模型编辑操作或立体打印操作等。此外，本发明各实施例所述的模块可例如是以软件形式或硬件电路形式实现的，本发明并不加以限制。

图2显示本发明一实施例的编辑切层图像的示意图，参考图1以及图2。在本实施例中，处理装置110用以水平切层立体模型，以取得多个切层图像，并且编辑这些切层图像。以一个切层图像为例，在本实施例中，处理装置110可分析初始的切层图像200a的切层物件，以依据切层物件的轮廓210来绘制切层物件外壳。轮廓210所围区域为切层物件(斜线区域)。详细的说，首先，处理装置110可沿着切层物件的轮廓210的外侧绘制参考轮廓220。如切层图像200b所示，轮廓210以及参考轮廓220所围区域为一参考区域。接着，处理装置110沿着此参考区域的内侧绘制另一参考轮廓230。如切层图像200c所示，处理装置110将轮廓210以及参考轮廓230所围区域设定为切层物件外壳，并且此切层物件外壳包括切层物件的一部分。再接着，处理装置110删除在此切层物件外壳以外的切层物件的另一部分。如切层图像200d所示，此切层物件外壳可具有等距的壁厚。也就是说，本实施例的立体打印设备100可获得平滑的切层物件外壳。值得注意的是，本实施例所述的外侧以及内侧是指相对于切层物件来说。在本实施例中，内侧是指包括切层物件本体的一侧，而外侧是指不包括切层物件本体的另一侧。

此外，在一实施例中，处理装置100进一步编辑切层物件外壳。如切层图像200e所示，处理装置100可在切层物件外壳所围的区域中绘制支撑结构240，以使立体打印装置120所打印的立体物件可具有足够的支撑性及良好的坚固程度。然而，本发明的支撑结构240并不限于图2的切层图像200e所示的结构型状，支撑结构240可依据不同打印需求或立体物件的类型来决定的，本发明并不加以限制。另外，本实施例的切层图像200a～200e仅用于说明切层图像的编辑过程，而本发明的切层物件的形状也不限于图2的切层图像200a～200e所示。

图3显示本发明另一实施例的编辑切层图像的示意图，参考图1以及图3。在本实施例中，初始的切层图像300a的切层物件可具有两个轮廓。如切层图像300a所示，切层物件可为轮廓310以及轮廓330的所围区域。在本实施例中，轮廓310为切层物件的外层轮廓，并且轮廓330为切层物件的孔洞轮廓。在本实施例中，处理装置110可针对具有外层轮廓以及孔洞轮廓的切层物件执行如上述图2实施例所述的编辑方式，以取得参考轮廓320以及参考轮廓340。如切层图像300b所示，处理装置110可将轮廓310以及参考轮廓320所围区域设定为一切层物件外壳，并且可将轮廓310以及参考轮廓320所围区域设定为另一切层物件外壳。并且，本实施例的处理装置110同样可在此两个切层物件外壳所围的区域中绘制支撑结构(例如参考轮廓320与轮廓330之间的区域)，以使立体打印装置120所打印的立体物件可具有足够的支撑性及良好的坚固程度。

然而，本实施例的相关切层物件的分析方式以及切层图像的编辑方式可参考上述图2实施例，而获致足够的教示、建议以及实施说明，在此不再赘述。

图4显示本发明一实施例的立体模型的示意图，参考图1以及图4。在本实施例中，处理装置110可整合多个具有经由类似于上述图2实施例所绘制的切层物件外壳的多个切层图像，以取得立体模型外壳400。在本实施例中，立体模型外壳400可例如是处于座标轴x、座标轴y以及座标轴z所形成的立体空间。并且，立体模型外壳400可由多个切层图像的多个切层物件外壳自参考平面s1朝座标轴z方向堆叠而成。参考平面s1为座标轴x以及座标轴y形成的平面，并且参考平面s1可例如是打印平台的承载面。立体模型外壳400可包括外侧立体轮廓410以及外侧立体轮廓420。在本实施例中，处理装置110可在垂直方向上分别修饰立体模型外壳400的壁厚，以下结合图5～图7c来说明的。

图5显示本发明的图4实施例的切层数量矩阵的示意图。在本实施例中，处理装置110分析立体模型外壳400的外侧立体轮廓410，以取得外侧立体轮廓410于参考平面s1上的多个座标位置所对应的多个切层数量。如图5所示的切层数量矩阵，在本实施例中，切层数量矩阵可例如是11×11矩阵。切层数量矩阵可具有分别对应于座标(0,0)到座标(x,y)的多个切层数量资讯。并且，切层数量矩阵的这些切层数量资讯可分别对应于立体模型外壳400的外侧立体轮廓410的多个最高点位置的切层数量。

具体来说，在本实施例中，立体模型外壳400可例如是由99层的切层图像所堆叠而成，因此立体模型外壳400的最高点位置即为99层的切层物件外壳厚度。以此类推，立体模型外壳400在其他座标位置所对应的最高点位置可分别由不同数量的切层物件外壳所堆叠而成。

图6显示本发明的图4实施例的立体模型的侧视图。在本实施例中，处理装置110可基于图5所示的切层数量矩阵的多个座标位置所对应的多个切层数量来决定立体模型外壳400在垂直方向上由外侧立体轮廓410至内侧立体轮廓420的距离，并且分别修改多个切层图像的多个切层物件外壳。以切层图像401、402、403为例，切层图像401、402、403可分别用以代表位于立体模型外壳400的不同切层位置。在本实施例中，处理装置110依据预设距离h来决定立体模型外壳400的立体参考轮廓430，并且预设距离h可以切层数量为单位。也就是说，为了使立体模型外壳400在垂直方向上(座标轴z的方向)可具有相同的距离h，因此处理装置110可将外侧立体轮廓410至立体参考轮廓430之间的立体模型外壳设定为可打印区域，而将立体参考轮廓430至内侧立体轮廓420之间的立体模型外壳设定为非打印区域。也就是说，立体打印装置120不会依据立体参考轮廓430至内侧立体轮廓420之间的立体模型外壳进行打印操作。

以下藉由图7a～图7c来具体说明切层图像的编辑方式。图7a～图7c分别显示本发明的图4实施例的编辑切层图像的示意图。并且，以下范例以假设预设距离h为5层切层图像的切层物件所叠合而成的厚度来说明的，但本发明并不限于此。

在本实施例中，图7a的切层图像401可例如是立体模型外壳400的第88层的切层图像。在本实施例中，对应于外侧立体轮廓410的轮廓410a所围区域(斜线区域)为切层物件外壳。处理装置110将判断在切层图像401当中的切层物件外壳于各座标位置所对应的区域是否可打印区域或不可打印区域。也就是说，切层图像401的切层物件外壳的一部分在各座标位置所对应的切层数量(88)若未于切层数量矩阵中对应的最高点位置的切层数量至预设距离h的范围内，则判断切层物件外壳的此部分为不可打印区域。例如，立体模型外壳400在座标位置(6,6)的最高点位置的切层数量为99，但是切层图像401的切层物件外壳在座标位置(6,6)的切层数量为88(88<99-5)。因此，处理装置110判断切层图像401的切层物件外壳在座标位置(6,6)为非打印区域。以此类推，切层图像401的切层物件外壳在座标位置(5,5)、(6,5)、(7,5)、(5,6)、(7,6)、(5,7)、(6,7)、(7,7)同样为非打印区域(88<97-5)。并且，在切层图像401的切层物件外壳在最高点位置的切层数量小于93的其他座标轴的位置为可打印区域(例如88≥93-5)。因此，如切层图像401所示，处理装置110将轮廓410a至轮廓430a所围区域(斜线区域)设定可打印区域，而将轮廓430a所围区域(非斜线区域)设定为非打印区域。

在本实施例中，图7b的切层图像402可例如是立体模型外壳400的第83层的切层图像。在本实施例中，对应于外侧立体轮廓410的轮廓410b以及对应于外侧立体轮廓420的轮廓420b所围区域(斜线区域)为切层物件外壳。处理装置110将判断在切层图像402当中的切层物件外壳于各座标位置所对应的区域是否可打印区域或不可打印区域。也就是说，切层图像401的切层物件外壳的一部分在各座标位置所对应的切层数量(83)若未于切层数量矩阵中对应的最高点位置的切层数量至预设距离h的范围内，则判断切层物件外壳的此部分为不可打印区域。例如，立体模型外壳400在座标位置(4,4)、(5,4)、(6,4)、(7,4)、(8,4)、(4,5)、(8,5)、(4,6)、(8,6)、(4,7)、(8,7)、(4,8)、(5,8)、(6,8)、(7,8)、(8,8)分别的最高点位置的切层数量为90，但是切层图像402的切层物件外壳在这些座标位置的切层数量为83(83<90-5)。因此，处理装置110判断切层图像402的切层物件外壳在这些座标位置为非打印区域。以此类推，在切层图像402的切层物件外壳在最高点位置的切层数量小于88的其他座标轴的位置为可打印区域(例如83≥88-5)。因此，如切层图像402所示，处理装置110将轮廓410b至轮廓430b所围区域(斜线区域)设定可打印区域，而将轮廓430b至轮廓420b所围区域(非斜线区域)设定为非打印区域。

在本实施例中，图7c的切层图像403可例如是立体模型外壳400的第72层的切层图像。在本实施例中，对应于外侧立体轮廓410的轮廓410c以及对应于外侧立体轮廓420的轮廓420c所围区域(斜线区域)为切层物件外壳。处理装置110将判断在切层图像403当中的切层物件外壳于各座标位置所对应的区域是否可打印区域或不可打印区域。也就是说，切层图像403的切层物件外壳的一部分在各座标位置所对应的切层数量(72)若未于切层数量矩阵中对应的最高点位置的切层数量至预设距离h的范围内，则判断切层物件外壳的此部分为不可打印区域。例如，立体模型外壳400在座标位置(3,3)、(4,3)、(5,3)、(6,3)、(7,3)、(8,3)、(9,3)、(3,4)、(9,4)、(3,5)、(9,5)、(3,6)、(9,6)、(3,7)、(9,7)、(3,8)、(9,8)、(3,9)、(4,9)、(5,9)、(6,9)、(7,9)、(8,9)、(9,9)分别的最高点位置的切层数量为85，但是切层图像403的切层物件外壳在这些座标位置的切层数量为72(72<85-5)。因此，处理装置110判断切层图像403的切层物件外壳在这些座标位置为非打印区域。以此类推，在切层图像403的切层物件外壳在最高点位置的切层数量小于77的其他座标轴的位置为可打印区域(例如72≥77-5)。因此，如切层图像403所示，处理装置110将轮廓410c至轮廓430c所围区域(斜线区域)设定可打印区域，而将轮廓430c至轮廓420c所围区域(非斜线区域)设定为非打印区域。

因此，参考图6，如上述实施例所述编辑立体模型外壳的方式，本实施例的处理装置110可针对外侧立体轮廓410至立体参考轮廓430之间的立体模型外壳的可打印区域进行立体打印操作，而针对立体参考轮廓430至内侧立体轮廓420之间的立体模型外壳的非打印区域不进行立体打印操作。

图8显示本发明一实施例的立体打印方法的流程图。参考图1以及图8。本实施例的立体打印方法可至少适用于图1的立体打印设备100。在步骤s810中，处理装置110分析多个切层图像的多个切层物件，以依据多个切层物件各别的轮廓来分别绘制多个切层物件外壳，其中多个切层物件外壳分别包括多个切层物件的一部分。在步骤s820中，处理装置110分别删除在多个切层物件外壳以外的多个切层物件的另一部分，并且整合在多个切层图像中的多个切层物件外壳，以取得立体模型外壳。在步骤s830中，处理装置110分析立体模型外壳的外侧立体轮廓，以取得外侧立体轮廓于参考平面上的多个座标位置所对应的多个切层数量。在步骤s840中，处理装置110基于多个座标位置所对应的多个切层数量来决定立体模型外壳在垂直方向上由外侧立体轮廓至内侧立体轮廓的距离，并且分别修改多个切层图像的多个切层物件外壳。因此，本实施例的立体打印方法可取得平滑的立体模型外壳，并且针对编辑后的立体模型外壳执行打印操作，以打印具有高品质挖空效果的立体物件。

另外，本实施例的相关切层物件的分析、编辑方式以及相关装置特征可参考上述图1～图7c实施例，而获致足够的教示、建议以及实施说明，在此不再赘述。

综上所述，本发明的立体打印设备以及立体打印方法可分别在水平方向上以及垂直方向上精确的修饰立体模型外壳的厚度，并且可有效降低立体模型的内侧立体轮廓不平整的情况。据此，本发明的立体打印设备以及立体打印方法可取得平滑的立体模型外壳，并且打印具有高品质挖空结构的立体物件。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视申请专利范围所界定的为准。