使用半色调筛选增材制造化学品递送装置的系统和方法与流程

本公开涉及增材制造的系统和方法，并且更特别地，涉及使用三维物体打印机用提供化学品的受控释放的基质制造片剂或其它物品的系统和方法。

背景技术：

三维打印也称为增材制造，是从实质上任何形状的数字模型制造三维固体物体的过程。许多三维打印技术使用增材过程，其中增材制造装置在先前沉积层的顶部上形成部件的连续层。这些技术中的一些使用喷墨打印，其中一个或多个打印头喷射连续的材料层。三维打印与主要依赖通过减材过程从工件去除材料的传统物体形成技术(如切割或钻孔)可区分。

增材制造系统可以产生具有一些拟定用途的各种各样的物品，包括将化学品包封在可溶性基质中以用于递送药剂或更广泛地用于化学品递送装置。增材制造系统将“活性化学品”沉积在化学品递送装置中，所述化学品递送装置悬浮在溶解在溶剂中的基质的辅料中。当在本文中使用时，术语“活性化学品”是指嵌入化学品递送装置内以便当化学品递送装置在溶剂中溶解时随着时间受控释放的任何化学品。当在本文中使用时，术语“辅料”是指形成化学品递送装置的结构，包封一种或多种活性化学品，并且当化学品递送装置在溶剂中溶解或在温度控制的化学品释放过程中熔化时控制化学品递送装置内的活性化学品的释放的一种或多种类型的材料。在许多实施例中，辅料与活性化学品基本上不反应，但是辅料可溶于溶解化学品递送装置的某种形式的溶剂以在化学品递送装置的使用期间排出活性化学品。辅料基质材料是本领域已知的，其溶解在各种溶剂中，包括水、酸、碱、极性和非极性溶剂，或用于不同应用的任何其它合适的溶剂。玉米淀粉和微晶纤维素是通常用作活性化学成分的辅料的材料的两个示例，但是其它材料包括用于各种化学品递送装置中的明胶、聚合物(包括uv可固化聚合物)等。一些形式的辅料通过在工作温度(如高于化学品递送装置的典型环境储存温度的高熔化温度)下熔化或以其它方式分解而溶解以递送活性化学品。

当基质溶解时，活性化学品释放到化学品递送装置周围的介质中并产生化学反应。这样的装置的应用包括但不限于人和兽医学中的药物递送，用于农业和园艺的肥料和农药递送，用于跟踪水或其它流体的流动的染料释放，以及工业过程中的活性化学品的递送。

尽管现有技术的增材制造系统可以生产化学品递送装置，但是某些形式的化学品递送装置需要用于正确操作的附加结构元件。例如，一些时间释放的化学品递送装置需要活性化学品的特定浓度梯度以递送随着时间变化的活性化学品的剂量。在一些情况下，如果活性化学品以非均匀的方式分布在片剂的体积内，则片剂不以期望的速率递送活性化学品。例如，当片剂递送比预期更大浓度的活性化学品时在片剂溶解期间的某些点从片剂释放的速率会太高。而且，当片剂在它被消化之后的特定时间点递送过低浓度的活性化学品时释放的速率会太低。另外，一些片剂包括两种或更多种类型的活性化学品，其在片剂中时不应当混合，而是一旦片剂溶解时应当混合。因此，能够以活性化学品的精确分布生产片剂的增材制造过程和系统的改进将是有益的。

技术实现要素：

在一个实施例中，已开发一种用三维物体打印机生产化学品递送装置的方法。所述方法包括用控制器接收所述化学品递送装置中的基质的第一区域中的第一活性化学品的第一浓度参数，用所述控制器使用随机半色调筛并参考所述第一浓度参数生成半色调图像数据，所述半色调图像数据包括多个激活像素，所述多个激活像素仅对应于接收所述第一活性化学品的形成于基质中的多个腔的第一部分的位置，以及参考所述半色调图像数据用至少第一喷射器将包括所述第一活性化学品的预定量的第一化学品载体喷射到所述基质中的所述腔的所述第一部分中的每个腔中以生产具有与所述第一浓度参数对应的所述第一活性化学品的浓度的化学品递送装置。

在另一实施例中，已开发一种被配置成生产化学品递送装置的三维物体打印机。所述三维物体打印机包括支撑构件，配置成朝着所述支撑构件喷射包括第一活性化学品的第一化学品载体的至少第一喷射器，以及可操作地连接到所述至少第一喷射器和存储器的控制器。所述控制器配置成接收定位在所述支撑构件上的化学品递送装置中的基质的第一区域中的第一活性化学品的第一浓度参数，使用存储在所述存储器中的随机半色调筛并参考所述第一浓度参数生成半色调图像数据，所述半色调图像数据包括多个激活像素，所述多个激活像素仅对应于接收所述第一活性化学品的形成于基质中的多个腔的第一部分的位置，以及参考所述半色调图像数据操作所述至少第一喷射器以将包括所述第一活性化学品的预定量的第一化学品载体喷射到所述基质中的所述腔的所述第一部分中的每个腔中以生产具有与所述第一浓度参数对应的所述第一活性化学品的浓度的化学品递送装置。

附图说明

在结合附图进行的以下描述中解释生产包括至少一种活性化学品的化学品递送装置的增材制造装置或打印机的前述方面和其它特征。

图1是配置成形成化学品递送装置的三维物体打印机的图。

图2是用于形成化学品递送装置的过程的框图。

图3a是形成于化学品递送装置的一个层中的腔的平面图，其中每个腔可以接收活性化学品。

图3b是图3a的化学品递送装置的第一横截面图。

图3c是图3a的化学品递送装置的第二横截面图。

图4是对应于化学品递送装置内的活性化学品的分布的半色调图像数据的浓度图形的图示。

图5是描绘半色调筛的样本和化学品递送装置的基质的区域中的两种不同活性化学品的图像数据的相应布置的图形。

具体实施方式

为了本文中公开的装置的环境以及装置的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

当在本文中使用时，术语“半色调筛”是指数字阈值的二维或三维布置，其用于控制材料的分布以形成三维打印物体，例如化学品递送装置。半色调筛中的每个条目在本文中被称为“点”。这些点针对二维半色调筛布置在二维空间中或针对三维半色调筛布置在三维空间中。术语“点中心”是指用作多个点的组的中心位置的单个点，每个点基于点中心的值被分配阈值。例如，在一些实施例中，控制器在点中心处生成特定阈值并且在点中心周围以相同的阈值“增长”点的集合。在其它配置中，与作为接收活性化学品的候选的腔对应的点中心由具有对应于包封腔的辅料的固定值的“保护”点围绕。点中心对应于基于活性化学品的浓度参数和点中心的阈值可选地接收活性化学品的半色调筛和最后图像数据中的位置。围绕点均对应于接收辅料并且不接收活性材料的位置以确保活性材料包封在化学品递送装置内。

如下面更详细地所述，打印机使用半色调筛与一种或多种活性化学品的浓度参数数据结合以生成“半色调图像数据”或更简单的“图像数据”。图像数据包括指定化学品递送装置中的材料的类型的位置的二维或三维布置，其中图像数据中的每个位置在本文中被称为“像素”。图像数据中的每个像素对应于半色调筛中的一个点的位置。然而，图像数据中的像素均包括指定打印机排出以形成具有对应于浓度参数的活性化学品的浓度水平的化学品递送装置的一种类型的辅料或活性材料的值，而不包括半色调筛中的点的阈值。当在本文中使用时术语像素也包括术语“体素”(体积像素)的普通含义，其是指形成三维打印物体的模型的形状和结构的三维体积单位。三维物体打印机使用图像数据来控制喷射器或其它材料分配器的操作以形成结构并且将活性化学品分布在化学品递送装置中。

当在本文中使用时，术语“随机半色调筛”是指点中心被均匀地确定尺寸并且伪随机分布在整个二维或三维空间中的半色调筛。传统的固定频率半色调筛通常基于晶格在固定点建立点中心的集合。常见的半色调筛可能将点中心放置在二维中的正方形或六边形网格的顶点处(或三维中的立方体的顶点或密堆球体的中心处)。固定频率半色调筛通过在现有的点中心附近增加附加点来增加“开启”的点的数量。随机筛通过增加通常不与先前的点中心相邻的附加点中心来增加对应于特定阈值或阈值范围的点的数量。

当在本文中使用时，术语“矢量半色调筛”是指半色调筛的类型，其中单个半色调筛将多种类型的活性化学品定位在不同位置以防止在化学品递送装置的制造过程中混合不同的活性化学品。矢量半色调筛不同于与打印图像关联的许多现有技术的半色调筛，其中多色打印机中的每种颜色(例如，青色，品红色，黄色，黑色)具有独立的半色调筛，并且打印机生成每种颜色的独立图像数据集，其通常被称为“分色”。在常规打印中，许多打印图像包括将两种颜色的墨打印到作为打印图像的一部分的纸的片材上的相同物理位置的多个分色中的半色调图像数据，这在打印彩色图像时有时是期望的。然而，在许多化学品递送装置实施例中，类似于不同颜色的墨的不同活性化学品不应当在单个物理位置被打印，原因是活性化学品应当仅在从化学品递送装置释放时混合。相比之下，矢量半色调筛使得能够使用防止多种活性化学品打印到单个位置的单个半色调筛形成使用多种活性化学品的化学品递送装置。

使用矢量半色调筛，控制器基于每种活性化学品的浓度参数值将不同的阈值范围分配给不同的活性化学品。阈值范围不重叠，使得矢量半色调内的每个点中心可以分配给至多一种类型的活性化学品或对于不对应于任何活性化学品的点分配给辅料。在半色调筛中的每个点位置处，控制器识别半色调筛中的阈值，并且基于一种或多种活性化学品的“堆叠”阈值水平生成对应于至多一种活性化学品的图像数据的像素。对于具有不对应于任何活性化学品的范围的阈值的半色调点，控制器生成对应于填充像素的辅料的图像数据像素。

如下面结合图5更详细地所述，半色调筛的一个实际实施例包括具有8位数值范围的阈值(0-255)的点。控制器接收浓度参数，可选地作为百分比值，并且基于浓度参数的大小将8位数值范围的非重叠或“堆叠”部分分配给每个浓度参数(例如，25％用于化学品a→0-63；16％用于化学品b→64-104；以及辅料使用剩余值105→255)。通过基于点的值和每种化学品的数值范围将每个点分配给一种化学品(例如，24的点值→化学品a的图像数据像素；134的点值→辅料的图像数据像素)，控制器使用不同位置处的矢量半色调筛的点值来确定对于图像数据中的每个相应像素打印哪种化合物。矢量半色调筛内的阈值的统计分布确保多种化学品均匀地分布在化学品递送装置的每个区域内。因此，矢量半色调筛和相应的半色调处理使得能够生成对应于一种或多种活性化学品的分布的图像数据，其防止在生产化学品递送装置的过程期间混合活性化学品。

当在本文中使用时，术语“随机半色调筛”和“矢量半色调筛”不是指半色调筛的相互排斥的性质。而是，单个半色调筛可以具有形成随机矢量半色调筛的上述随机和矢量性质两者。例如，在仅使用单一活性化学品的化学品递送装置中，随机半色调筛使得能够通过基于每个区域中的单一活性化学品的浓度参数在化学品递送装置的不同区域中分配单一活性化学品来生产化学品递送装置。尽管半色调筛在单一化学品配置中可选地是矢量半色调筛，但是不需要矢量性质，原因是只有单一活性化学品。在包括两种或更多种活性化学品的化学品递送装置的生产中，打印机使用随机矢量半色调筛进行半色调处理以控制化学品递送装置内的两种或更多种活性化学品的分布。

当在本文中使用时，术语“过程方向”是指在三维物体形成过程期间支撑构件经过一个或多个打印头的移动的方向。支撑构件在打印过程期间保持三维物体。在一些实施例中，支撑构件是诸如金属板的平面构件，而在其它实施例中，支撑构件是旋转圆柱形构件或具有另一形状的构件，其在三维物体打印过程期间支撑物体的形成。在一些实施例中，打印头保持静止而支撑构件和物体移动经过打印头。在其它实施例中，打印头移动而支撑构件保持静止。在另外的其它实施例中，打印头和支撑构件都移动。

当在本文中使用时，术语“交叉过程方向”是指垂直于过程方向并且在支撑构件的平面中的方向。两个或更多个打印头中的喷射器在交叉过程方向上对准以使打印头的阵列能够在二维平面区域上形成辅料或活性化学品材料的打印图案。在三维物体打印过程期间，打印头喷射辅料的滴以在化学品递送装置内形成结构和腔的连续层。

当在本文中使用时，术语“z轴线”是指垂直于过程方向、交叉过程方向和三维物体打印机中的支撑构件的平面的轴线。在三维物体打印过程的开始，沿着z轴线的分离是指在支撑构件和形成三维打印化学品递送装置中的辅料的层的打印头之间的分离距离。当打印头中的喷射器形成辅料的每层时，打印机调节打印头和最上层之间的z轴线分离以在打印操作期间保持打印头和物体的最上层之间的大致恒定的距离。在一些实施例中，支撑构件在打印操作期间移动远离打印头以保持z轴线分离，而在其它实施例中，打印头移动远离部分打印物体和支撑构件以保持z轴线分离。

图1描绘了体现为三维物体打印机100或更简单的打印机100的增材制造装置。打印机100配置成操作打印头以形成三维打印化学品递送装置300，其包括包封在由至少一种类型的辅料形成的结构内的一种或多种活性化学品。打印机100包括支撑构件102，打印头阵列104a-104c、108a-108c和112a-112c，紫外(uv)固化装置116，控制器128，存储器132，和整平器118。在图1的示例性实施例中，在由辅料的多个层形成的三维化学品递送装置300的形成期间描绘三维物体打印机100。化学品装置300包括腔的多个层，其接收打印头阵列104a-104c和108a-108c中的一个或多个喷射器参考化学品递送装置300的不同区域中的浓度参数喷射到腔的部分中的化学品载体滴的形式的活性化学品。

在图1的实施例中，支撑构件102是在过程方向p上移动的平面构件，例如金属板。打印头阵列104a-104c、108a-108c和112a-112c，uv固化装置116和整平器118形成打印区域110。构件102承载任何先前形成的辅料层以及已通过打印区域110在过程方向p上填充活性化学品材料的腔。在打印操作期间，支撑构件102在预定过程方向路径上移动，其经过打印头多次以在化学品递送装置300中形成辅料和活性化学品的连续层。在一些实施例中，类似于构件102的多个构件在转盘或类似配置中经过打印区域110。一个或多个致动器在过程方向p上将构件102移动通过打印区域110。在图1的实施例中，在将辅料的每层施加到支撑构件102以形成化学品递送装置300之后，致动器也使支撑构件102在方向z上远离打印区域110中的部件移动。致动器在方向z上移动支撑构件102以保持化学品递送装置300的最上层与打印区域110中的部件之间的均匀分离。

打印头阵列104a-104c、108a-108c和112a-112c中的每个打印头包括至少一个喷射器。在图1的示例性打印头实施例中，每个打印头包括使用例如压电或热换能器喷射液滴的喷射器的二维阵列。在许多实际实施例中，每个打印头包括具有使得能够打印数百或数千材料滴每线性英寸(dpi)的密度的喷射器阵列。图1中所示的打印机100用配置成喷射第一活性化学品的滴的打印头阵列104a-104c和配置成喷射第二活性化学品的滴的打印头阵列108a-108c喷射两种不同类型的活性化学品的滴。打印头阵列112a-112c喷射形成化学品递送装置300的结构的辅料(例如聚合物材料)的滴，所述结构包括接收活性化学品的化学品递送装置300内的腔。

在许多实施例中，活性化学品溶解或悬浮在化学品载体中以便作为液滴通过打印头104a-104c和108a-108c中的喷墨器喷射。在一些配置中，化学品载体在密封每个腔之前在化学品递送装置300的腔内蒸发以将活性化学品留在腔中，而在其它实施例中，化学品载体在腔内保持液态。尽管化学品载体的精确配方可以针对不同类型的化学品递送装置而变化，但是化学品载体通常是辅料的液体形式。也就是说，当化学品递送装置溶解并排放活性化学品时，化学品载体不与活性化学品相互作用或显著改变化学反应的性质。当然，一些活性化学品已经可以以与打印机100中的打印头和喷射器兼容的液体形式获得。在这些配置中，化学品载体和活性化学品是相同的材料。

尽管打印头阵列104a-104c、108a-108c和112a-112c的每一个被描绘为包括三个打印头，但是替代配置可以包括更少的打印头或更大数量的打印头以适应在交叉过程方向上具有不同尺寸的打印区域。打印机100的替代实施例包括更多或更少数量的打印头阵列以处理活性化学品的不同组合。当打印头阵列104a-104c、108a-108c和112a-112c在打印机100中的操作期间保持静止时，替代的打印机实施例包括在交叉过程方向cp、过程方向p或交叉过程方向和过程方向两者上移动的一个或多个打印头。移动的打印头形成三维化学品递送装置的结构并且将活性化学品沉积在化学品递送装置内。另外，尽管图1为了示例性目的描绘了单一化学品递送装置300，但是在许多实际实施例中，使用图1中所示的打印头阵列，打印机100同时形成多个化学品递送装置，例如，包含可以由普通人吞咽的多个片剂的辅料的片材。在完成打印机100的操作之后，然后将较大的辅料片材机械分离成单独的化学品递送装置。

在图1所示的打印机100的实施例中，打印头112a-112c用作辅料的分配器。在打印区域110的替代配置中，辅料粉末分配器包括撒布器(未示出)，其将辅料作为覆盖化学品递送装置300的上表面的粉末薄层排放。粉末分配器以与uv固化装置116类似的配置横跨打印区域110定位。打印头112a-112c中的喷射器将液体粘结剂材料的滴喷射到每个粉末层的选定位置上以将粉末粘结并硬化成化学品递送装置的耐久部分。uv固化装置116在一些实施例中可选地固化粘结剂。从化学品递送装置300去除不接收粘结剂的过量粉末以暴露从打印头阵列104a-104c和108a-108c接收包括活性化学品的化学品载体的腔。

在打印机100中，uv固化装置116是紫外光源，其在交叉过程方向cp上横跨打印区域110产生uv光。来自uv固化装置116的uv光使化学品递送装置300的最上层上的辅料硬化以形成化学品递送装置300的耐久部分。uv固化过程使辅料凝固以接受附加的辅料层并且形成腔的阵列，其可以包含具有从一个或多个打印头阵列(例如阵列104a-104c和108a-108c)中的喷射器喷射的活性化学品的液体化学品载体。

当在本文中使用时，术语“整平器”是指配置成在uv固化装置116固化辅料之前接合化学品递送装置中的辅料的每个层的最上表面的构件。在打印机100中，整平器118(也称为平面化器)施加压力并且可选地施加热以平滑化学品递送装置300中的辅料的最上层并且形成在随后通过打印区域110期间接收辅料的附加层的均匀表面。在一些实施例中，整平器118是涂覆有低表面能材料的辊以防止化学品递送装置300中的辅料粘附到整平器118的表面。尽管打印区域110中的其它部件在z方向上保持与化学品递送装置300的预定距离，但是整平器118在至少一些通过打印区域110期间接合化学品递送装置300以平滑辅料的最上层。

控制器128是数字逻辑器件，如微处理器，微控制器，现场可编程门阵列(fpga)，专用集成电路(asic)或配置成操作打印机100的任何其它数字逻辑。在打印机100中，控制器128可操作地连接到控制支撑构件102，包括打印头阵列104a-104c、108a-108c和112a-112c的打印头阵列，uv固化装置116和整平器118的运动的一个或多个致动器。控制器128也可操作地连接到存储器132。在打印机100的实施例中，存储器132包括易失性数据存储设备，如随机存取存储器(ram)设备，和非易失性数据存储设备，如固态数据存储设备，磁盘，光盘，或任何其它合适的数据存储设备。存储器132存储用于控制器128的操作以操作打印机100中的部件的编程指令136。存储器132也存储化学品递送装置结构数据138，其包括一种或多种类型的化学品递送装置的形状和结构的三维(3d)表示，包括化学品递送装置内的腔的具体布置。例如，化学品递送装置结构数据138包括与打印机100形成以生产化学品递送装置300的辅料的每层对应的多个二维图像数据模式。存储器132也存储浓度参数140，其指定化学品递送装置300的一个或多个区域内的至少一种活性化学品的浓度水平。存储器132也存储一个或多个随机或矢量半色调筛142。如下面更详细地所述，随机或矢量半色调筛使得打印机100能够控制活性化学品到形成于化学品递送装置300中的腔的不同部分的分配。控制器128执行存储的程序指令136以操作打印机100中的部件以形成化学品递送装置300中的辅料的三维结构。控制器128也执行存储的程序指令以生成半色调图像数据，并且基于化学品递送装置300的不同区域的浓度参数数据140和半色调筛142控制活性化学品的滴喷射到形成于化学品递送装置300中的腔的部分中。

图2描绘了用于形成在用一种或多种形式的辅料形成的基质中具有一种或多种活性化学品的浓度水平范围的化学品递送装置的过程200。在下面的讨论中，提及过程200执行动作或功能是指操作增材制造装置(如三维物体打印机)中的控制器以执行存储的程序指令以执行与增材制造装置中的部件关联的功能或动作。为了示例性目的结合图1的三维物体打印机描述过程200。

在过程200期间，打印机100可选地从具有多个暴露腔的辅料形成化学品递送装置中的基质层，所述腔可用于在过程200期间从打印机100接收活性化学品(框204)。在一个实施例中，打印机100使用补充打印头112a-112c的撒布器从粉状辅料形成基质。控制器128操作打印头的一组(例如打印头112a-112c)中的喷射器，从而以预定图案喷射粘结剂材料以形成辅料的硬化层。控制器128基于化学品递送装置结构数据138操作打印头112a-112c中的喷射器以形成具有预定结构和腔布置的化学品递送装置300的每一层。控制器128也在不接收粘结剂材料的位置形成基质中的腔，其中在打印机100形成腔的层之后去除不接收粘结剂的过量粉末。打印机100通常从形成每个腔的底板和侧壁的辅料的多个层形成腔的每个集合。

在另一实施例中，使用例如uv可固化聚合物或其它合适的辅料，打印机100中的一个或多个打印头阵列喷射辅料的滴，其硬化以从辅料的多个层形成基质和腔。控制器128使用化学品递送装置结构数据138来控制从打印头112a-112c喷射辅料的滴以形成具有腔的预定形状和布置的化学品递送装置的层。在又一实施例中，除了打印机100之外的装置形成基质和腔。打印机100在支撑构件102上接收具有暴露腔的基质。

图3a-图3c描绘了具有腔的多个层的化学品递送装置300的示例。图3a描绘了具有形成于化学品递送装置300的一个层中的腔(例如腔324)的阵列的化学品递送装置300中的基质的平面图。在图3的示例中，打印机100配置成生成喷射到图3a中所示的腔的一部分中的活性化学品的半色调图像数据。在图3a的示例性实施例中，打印机100接收暴露层中的三个不同区域304、308和312的不同浓度参数。而图3a描绘了化学品递送装置300的一个层中的区域304-312，在许多实施例中区域延伸通过形成于化学品递送装置300的多个层中以形成三维区域的腔。此外，尽管图3a为了示例性目的描绘了三个区域304-312，但是替代配置可以包括不同数量的区域，并且还包括整个化学品递送装置300上的变化浓度参数的梯度。

图3b和图3c描绘了沿着线340截取的化学品递送装置300的一部分的横截面图。图3b描绘了包括腔324的暴露腔的一个层，其中暴露腔在形状上近似为半球形以接收液体化学品载体和活性化学品的滴。化学品递送装置包括包括腔332的三维布置的腔的多个层。图3c描绘了另一配置，其中辅料形成包括腔324的上层，使它几乎完全形成有在每个暴露腔的顶部处的开口，其大到足以使化学品载体和活性化学品能够进入腔并且基本上填充腔。化学品递送装置300中的辅料密封腔的下层。在一些实施例中，打印机100将支撑构件102和化学品递送装置300多次移动通过打印区域110以从提供具有腔的多个层的结构的辅料形成化学品递送装置300的结构。打印机100喷射活性化学品的滴以填充化学品递送装置300的每层中的暴露腔的选定部分。在下面进一步详细地呈现操作打印机100以生成化学品递送装置300的不同区域的半色调图像数据并且使用随机半色调筛或矢量半色调筛将包括一种或多种活性化学品的化学品载体喷射到腔的不同集合中。

形成化学品递送装置300的结构的辅料将每个腔彼此隔离以防止腔之间的流体连通。特别地，辅料防止在腔之间形成流体通道，当辅料溶解以暴露流体联接的腔时，其可以使活性化学品的释放能够大于预期。另外，在包括两种或更多种活性化学品的化学品递送装置中，隔离的腔防止活性化学品在辅料溶解在化学品递送装置300中之前组合。尽管图3b和图3c描绘了球形腔，但是化学品递送装置300可以包括具有不同尺寸和形状的腔，包括用于不同类型化学品递送装置的扁球形和圆柱形腔。

如图3a中所示，化学品递送装置300包括多个区域304-312，并且打印机100处理基质的多个区域中的浓度参数数据以生成能够将不同密度的活性化学品递送到每个区域内的腔的半色调图像数据。例如，在一种化学品递送装置配置中，浓度参数从最外区域304通过中间区域308到最内区域312增加。由于每个区域的体积从外部区域304到中心区域312减小，因此浓度水平的适当选择使得当化学品递送装置300溶解时化学品递送装置300能够以大致恒定的速率排放活性化学品。当然，在替代配置中，浓度参数可以以各种各样的方式影响活性化学品的排放速率，包括梯度，其使得当化学品递送装置300溶解时化学品递送装置300能够随着时间以变化速率排放一种或多种活性化学品。

尽管化学品递送装置300形成有圆柱形中心，通常与药物片剂和其它化学品片剂关联的形状的圆柱体的每个端部处具有两个半球，但是打印机100配置成形成具有化学品递送装置和单独的腔的各种各样的形状和尺寸的基质。化学品递送装置300仅仅是具有多个层的三维装置的示例性实施例，所述层具有腔以接收各种浓度的活性化学品。

再次参考图2，过程200继续，打印机100接收指定化学品递送装置的一个或多个区域中的一种或多种活性化学品的浓度水平的浓度参数数据(框208)。浓度参数包括指定接收相应的活性化学品的化学品递送装置的给定区域中的腔的比例的数值。在打印机100中，控制器128从存储器132接收存储的浓度参数数据140。浓度参数对应于化学品递送装置300的至少一个区域内的一种或多种活性化学品。在一个实施例中，每种活性化学品的浓度参数被指定为在0％至100％的范围内的百分比，其中0％指示化学品递送装置的特定区域中不存在活性化学品，100％指示该区域中所有可用的腔将接收活性化学品，并且中间百分比对应于在该区域中接收化学品的该区域中的腔的具体数量。一些化学品递送装置包括具有两种或更多种活性化学品的浓度参数的区域。浓度参数的总和不超过100％或某个其它预定的最大参数值以确保基质具有足够的腔位置以用于化学品递送装置的区域中的所有活性化学品。

图4描绘了化学品递送装置的不同区域中的两种不同活性化学品(化学品a和化学品b)的浓度参数的图形400。在图4中，三维圆柱形体积中的总共四十个区域近似化学品递送装置的形状，例如图3的装置300。每个区域对应于从围绕圆柱体的中心的区域(x-指数1)开始并且延伸到圆柱体的外部(x-指数40)的三维同心壳体。图4的示例描绘了两种不同活性化学品的浓度梯度。当在本文中使用时，术语“浓度梯度”是指打印机100基于化学品递送装置中的多个区域的多个浓度参数生产的化学品递送装置的不同区域中分配的活性化学品的浓度水平的变化。不同浓度梯度使得当化学品装置溶解时不同配置的化学品递送装置能够以大致恒定的速率、增加或减小的速率、或甚至振荡的速率排放活性化学品。

在图4的示例中，第一活性化学品a的浓度梯度指定从化学品递送装置的中心向外朝着装置的外部的减小浓度，而第二活性化学品b的浓度梯度指定从化学品递送装置的中心向外朝着装置的外部的增加浓度。替代的浓度梯度包括多个浓度参数，其形成通过化学品递送装置的不同区域的浓度的非线性和非单调变化。尽管图4描绘了具有近似圆柱形状的化学品递送装置中的三维区域上的浓度梯度，但是类似的浓度梯度也可应用于具有宽范围的形状的化学品递送装置。图3a的化学品递送装置300的另一近似将化学品递送装置的体积建模为具有两个球体的圆柱体：v＝(4πr²+2πrl)δr。各种化学品递送装置的三维几何形状的类似近似是本领域普通技术人员已知的。

再次参考图2，过程200继续，打印机100中的控制器128参考对应于基质的图像数据的每个区域中的一个或多个浓度参数使用随机半色调筛(如果正在打印多种化合物，其也可以是矢量半色调筛)生成半色调图像数据(框212)。控制器128基于一种或多种活性化学品的浓度参数使用半色调筛中的相应点的阈值和活性化学品和辅料的阈值范围生成图像数据的像素。当在本文中使用时，术语“激活像素”是指接收活性化学品的半色调图像数据中的像素位置，而形成化学品递送装置的结构的剩余像素接收非活性材料或辅料。在形成具有两种或更多种活性化学品的化学品递送装置的过程200的实施例中，控制器128使用矢量半色调筛生成图像数据，在图像数据的任何给定像素位置仅具有一种活性化学品。如下面更详细地描述，打印机100也针对作为未激活像素的剩余像素喷射辅料的滴。半色调图像数据包括多个激活像素，其仅对应于在接收活性化学品的基质中形成的多个腔的一部分的位置。在一些配置中，区域接收一种活性化学品，而在其它配置中，单个区域接收两种或更多种活性化学品。如上所述，随机矢量半色调筛包括具有阈值的点的布置，其产生具有与化学品递送装置中的腔的物理布置对应的像素分布的半色调图像数据。

半色调处理生成具有像素的预定布置的半色调图像数据，所述像素的预定布置对应于暴露在化学品递送装置的基质中的腔的位置。如果正分配的化学品不具有与目标溶剂中的辅料相同的溶解速率，或者如果包括不能接触的多种化学品，则半色调筛也包括具有预定阈值或值的范围的“保护”点，其围绕对应于化学品递送装置中的不同腔的点。保护点具有从不对应于活性化学品的固定值。打印机100基于保护点生成半色调图像数据，其包括围绕腔的位置并且对应于不接收活性化学品的滴的基质中的壁和其它结构的位置的相应“保护”像素。在图5中，半色调筛包括对应于化学品递送装置300的一个层中的腔的布置的保护点的布置。保护点被分配预定值或值的范围(例如，在图5的示例中为255)，其确保它们仅用于打印辅料，而不是任何活性化学品。

为了产生半色调筛，控制器128使用存储在存储器132的半色调筛数据142中的预定半色调筛数据，或者控制器128针对对应于腔并且作为接收活性化学品的候选的每个点生成伪随机数值阈值。除了化学品递送装置的区域饱和至100％浓度的情况外，每个区域中的腔的仅仅一部分接收活性化学品。剩余的腔保持为空，或者打印机100用形成化学品递送装置300的辅料或非活性材料(如水，甘油，甘油三酸酯，或另一种液体)填充空腔。填充材料取决于化学品装置溶解在其中的环境的化学性质。在一些实施例中，当打印机中的喷射器喷射化学品载体而没有任何溶解的活性化学品时，将活性化学品保持在溶液中的化学品载体也用作非活性液体。控制器128使用下面描述的阈值处理以基于半色调筛点值和阈值范围来识别接收不同活性化学品的像素的部分。

图5描绘了对应于打印机100在过程200期间使用的化学品递送装置的一个区域的单个层的二维半色调筛500。半色调筛500是适合用于生产包含一种或多种活性化学品的化学品递送装置的随机矢量半色调筛的说明性示例。在打印机100中，存储器132存储半色调筛500并且可选地存储具有半色调筛数据142的附加的二维或三维半色调筛。图5也描绘了表550，其示出了分布在半色调图像数据中的两种不同活性化学品的浓度参数。半色调筛数据500在8位数值范围内编码，其中每个点取值为0至255，但是在替代配置中，其它实施例使用不同的范围并且保护点可以被分配不同的值，例如0。在图5中，具有值255的点均是对应于化学品递送装置的基质中除了腔之外的壁或特征的位置的保护点，并且打印机100不会将活性化学品的滴喷射到与保护点对应的位置。图5描绘了活性化学品的每个潜在位置周围的保护点的单个集合，但是替代实施例基于基质中的腔的尺寸和布置使用不同数量的保护点。如果特定化学品递送装置不需要分离活性化学品位置，则一些实施例省略保护点。另外，尽管半色调筛500描绘了用于每个腔的单个点，但是不同的半色调筛实施例包括用于不同尺寸和形状的腔的点布置。

尽管图5描绘了对应于较大的三维化学品递送装置的单个层的区域的二维半色调筛500，在打印机100中，半色调筛数据142典型地包括三维半色调筛，其包括多个层以在多个层上限定化学品递送装置的三维区域。半色调筛的一些层可以仅包括对应于辅料的保护点以使打印机100能够在化学品递送装置中的先前填充的腔上形成辅料的保护层。在三维半色调筛实施例中，半色调筛500表示多层半色调筛中的一个层。在操作期间，打印机100使用用于每层的较大三维半色调筛的一个选定的二维半色调筛部分形成化学品递送装置的每一层。

在一个实施例中，半色调筛在打印过程之前存储在存储器132中。如下所述，打印机在重复的过程中平铺单个半色调筛以针对宽范围的化学品装置的形状和尺寸覆盖化学品递送装置所占据的三维区域以使较小的半色调筛能够用于形成较大化学品递送装置的一个或多个区域中的图像数据。控制器128基于浓度参数数据调节接收活性化学品的阈值范围以使打印机100能够使用单个半色调筛来产生图像数据和针对化学品递送装置的不同区域中的一种或多种活性化学品具有不同化学品浓度梯度的打印化学品递送装置。在另一实施例中，控制器128在打印过程期间产生半色调筛阈值。控制器128以伪随机方式在屏幕的点中心生成数值以产生比使用完全随机数获得的更均匀的分布。例如，使用伪随机过程，控制器128生成点的阈值，其中具有相似的半色调水平的相邻腔的概率(其增加相邻腔接收相同活性化学品的可能性)小于从纯随机过程将预期的概率。在使用保护点的实施例中，控制器128仅使用伪随机过程来产生与化学品递送装置中的腔对准的点中心的阈值并且保护点(例如，图5中的255的点值)保持具有固定值。

在过程200期间，控制器128基于区域内的每种活性化学品的浓度参数并且基于分配给区域内的每个腔的点位置的半色调筛中的阈值生成半色调图像数据的部分中的一个或多个活性化学品的激活像素。如表550中所示，第一活性化学品(化学品a)的浓度参数为32％，并且控制器128使用图5的0-255的预定标度生成0至81的阈值范围(例如，256个可用值的约32％)。因此，控制器生成分配给第一活性化学品的半色调图像数据中的激活像素，其对应于具有0-81的数值的半色调筛500中点的位置。表550包括第二活性化学品(化学品b)的23％的另一浓度参数，并且控制器128生成第二活性化学品的82-140的第二数值范围(例如，256个值的约23％，具有+82的偏移以避免与第一化学品的阈值范围重叠)。第一活性化学品和第二活性化学品的数值范围“堆叠”，意味着数值范围不重叠以确保控制器128针对图像数据500中的半色调筛中的任何候选点(例如，不具有保护值255的点)选择至多一种活性化学品。与具有141至255的数值点阈值的基质中的腔对应的剩余点不接收第一或第二活性化学品中的任何一种，并且控制器128将这些像素分类为图5中的“非活性”，其指示辅料或另一非活性材料将填充不接收活性化学品的腔。

例如，半色调筛数据500包含具有数值阈值22的点504。控制器128基于第一活性化学品的阈值和阈值范围基于浓度参数生成半色调图像数据中的第一活性化学品的激活像素。类似地，控制器128生成与具有数值阈值101的点508对应的第二活性化学品的激活像素。控制器128不生成与具有数值175的点512对应的激活像素，原因是点512不属于任一活性化学品的阈值。而是，控制器128生成分配给辅料或另一非活性材料的像素以填充不接收活性化学品的腔。类似地，控制器针对具有值255的所有保护点生成对应于辅料的图像数据像素。

在多层化学品递送装置中，打印机100可选地生成或使用与化学品递送装置的多个层中的腔的三维布置对应的预定义的三维半色调筛。三维半色调筛以与图5中所示的点的二维布置类似的配置包括作为候选以接收活性材料的点位置和保护点。三维半色调筛包括类似于图5的平面筛500的点的多个平面，其对应于化学品递送装置中的腔的不同层。如果三维半色调筛小于待打印的物体，则控制器128使用空白填充平铺处理来平铺半色调筛的多个拷贝以产生完全包围化学品递送装置的三维体积的更大筛。在操作期间，打印机100针对具有腔的二维布置的单独的层喷射一种或多种活性化学品的滴，所述腔具有暴露于打印头(例如打印机100中的打印头104a-104c和108a-108c)的开口。因此，尽管打印机100在一些实施例中生成三维半色调图像数据，但是打印机100将活性材料喷射到均布置在二维层中的化学品递送装置中的腔的单独的层中。

在替代实施例中，控制器128还将三维化学品递送装置中的区域分成与在化学品递送装置中形成的腔的每个层对应的一系列二维区域。基于通过二维层的浓度参数和梯度，控制器128生成或从存储器132加载半色调筛作为化学品递送装置中的腔的每层的点的二维布置。过程200的任一实施例使打印机100能够形成具有一种或多种活性化学品的变化分布的化学品递送装置。

再次参考图2，过程200继续，打印机操作至少一个喷射器以参考半色调图像数据将预定量的活性化学品喷射到与激活像素中的一个对应的基质中的腔的部分中的每个腔中(框216)。使用打印机100作为示例，控制器128操作打印头阵列104a-104c中的喷射器以填充与半色调图像数据中的第一活性化学品的激活像素的位置对应的腔的第一部分中的每个腔。打印头104a-104c中的喷射器将预定量的化学品载体和第一活性化学品喷射到与图像数据中激活像素对应的每个腔中以确保化学品递送装置的每个区域具有对应于浓度参数的活性化学品的浓度。在打印机100中，控制器128操作打印头108a-108c中的喷射器以将包括第二活性化学品的预定量的化学品载体喷射到与第二活性化学品的激活像素对应的腔的第二部分中，类似于打印头104a-104c的操作。使用图3a和图5作为示例，控制器128使用半色调筛500生成的图像数据中的每个激活像素与化学品递送装置300的一个区域(例如区域304)中的腔的暴露层中的一个腔对准。打印头104a-104c和108a-108c中的喷射器将预定量的化学品载体和活性化学品喷射到相应地与第一和第二活性化学品对应的腔中以形成具有活性化学品的合适浓度的化学品递送装置300中的该层的每个区域。

过程200针对化学品递送装置中的任何附加层如上所述继续(框220)。打印机100施加辅料的附加层以密封化学品递送装置中的暴露腔并且将活性化学品包封在接收活性化学品的任何腔中，并且基于化学品递送装置结构数据138从辅料形成腔的另一层以在化学品递送装置中形成腔的另一层(框224)。在图2的示例性实施例中，对于针对化学品递送装置的每个层单独地生成半色调图像数据中的激活像素的过程200的实施例，控制器128重复结合框208-216描述的处理。在另一配置中，过程200使用先前生成的半色调数据(例如三维半色调数据的较大集合中的半色调数据的另一二维布置)重复框216以控制活性化学品喷射到化学品递送装置的下一层的腔中。当化学品递送装置中没有腔的附加层剩余时过程200结束(框220)，并且打印机100用辅料密封腔的最后层(框228)。

打印机100和过程200使得能够增材制造生产化学品递送装置，其以变化速率释放一种或多种活性化学品并且包含在活性化学品之间具有化学品隔离(直到化学品递送装置溶解)的多种类型的活性化学材料。本文中所述的系统和方法使得能够以三维物体打印机100的最小重新配置生产具有不同形状和尺寸的化学品递送装置。另外，打印机100可以仅通过使用浓度参数的不同集合来调节活性化学品在化学品递送装置的整个结构中的分布或通过使用替代的半色调筛产生具有不同操作特性的化学品递送装置。

应当领会，以上公开的和其它的特征和功能的变型或其替代方案可以期望地组合到许多其它不同的系统、应用或方法中。本领域技术人员随后可以进行各种目前未预见的或未预料的替代、修改、变化或改进，其也旨在由附带的权利要求涵盖。