一种3D打印方法及3D打印设备与流程

本申请涉及3d打印技术领域，尤其涉及一种3d打印方法及3d打印设备。

背景技术：

3d打印技术是一种快速成型技术，在航空航天、医学、建筑等领域有重要应用价值，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。

sla(stereolithographyappearance，立体固化成型法)采用液态光敏树脂为原料，在打印过程中将先将三维立体模型切片，然后使用特定波长与强度的紫外光逐层照射到切片上，使切片完成固化。当完成一个切片的固化作业后，升降台在垂直方向移动一个切片的高度，再固化另一个切片，如此层层叠加构成一个三维实体。

然而，这种技术存在如下缺陷：由于光的方向和切片不完全垂直、光在树脂中存在折射、散射、漫反射等原因，光会向切片边界外扩散，使得切片边缘外侧固化尺寸增加，切片内部尺寸减小。

技术实现要素：

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种3d打印切片曝光方法、装置及设备，该3d打印切片曝光方法能够减少打印过程对切片边缘外侧的影响，提高打印精度。

一种3d打印方法，包括：识别模型切片图像的轮廓，将所述图像划分为第一类区域以及第二类区域；其中，所述第一类区域为延所述轮廓向图像内侧预置宽度的区域；所述第二类区域为图像中第一类区域以外的区域；按照预置的曝光参数对所述第一类区域以及所述第二类区域进行曝光，所述第一类区域的曝光量小于所述第二类区域的曝光量。

上述方法中，对于曝光动作可以采用以下方式：所述第一类区域和第二类区域同时开始曝光；或者，开始第一类区域曝光后再开始第二类区域的曝光；或者，开始第二类区域曝光后再开始第一类区域的曝光或者，完成第一类区域的曝光后开始第二类区域的曝光；或者，完成第二类区域的曝光后开始第一类区域的曝光。

上述方法中，获得完成切片厚度的树脂光固化所需的必要曝光强度，以及利用该必要曝光强度完成树脂固化的必要曝光时长；所述第二类区域的曝光强度不小于所述必要曝光强度；第二类区域的曝光时长不小于所述必要曝光时长；所述第一类区域的曝光强度不大于所述第二类区域的曝光强度，且大于能够引发树脂光固化的临界曝光强度。

本发明实施例中，所述第一类区域的曝光时长不大于第二类区域的曝光时长，且不小于所述必要时长的一半。

本发明实施例中，根据所述必要曝光强度以及必要曝光时长即是必要曝光量；所述第一类区域的曝光量小于所述必要曝光量，且不小于所述必要曝光量的一半。

一种3d打印设备，包括：图像处理单元，识别模型切片图像的轮廓，将所述图像划分为第一类区域以及第二类区域；所述第一类区域为延所述轮廓向图像内侧预置宽度的区域；所述第二类区域为图像中第一类区域以外的区域；曝光控制单元，控制曝光单元，按照预置的曝光参数分别对所述第一类区域以及所述第二类区域进行曝光，所述第一类区域的曝光量小于所述第二类区域的曝光量；曝光单元；通过曝光使树脂完成光固化。

上述设备中，所述曝光控制单元在执行曝光动作时可以采用以下方法：同时对所述第一类区域和第二类区域开始曝光；或者，按照预置的顺序分别完成第一类区域和第二类区域的曝光。

上述设备中，图像处理单元，还用于对模型进行切片；曝光控制单元，获取当前待曝光图像的切片的厚度，获得完成切片厚度的树脂光固化所需的必要曝光强度，以及利用该必要曝光强度完成树脂固化的必要曝光时长；以及，控制所述曝光单元，对所述第二类区域的曝光强度不小于所述必要曝光强度，第二类区域的曝光时长不小于所述必要曝光时长；控制所述曝光单元，对所述第一类区域的曝光强度不大于所述第二类区域的曝光强度，且大于能够引发树脂光固化的临界曝光强度。

上述设备中，曝光控制单元，控制所述曝光单元按照第一类区域的曝光强度以及第一类区域的曝光时长曝光得到的曝光量，小于所述必要曝光强度和必要曝光时长所确定的必要曝光量，以及不小于所述必要曝光量的一半。

本发明实施例还提供一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，其特征在于，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如上的方法。

本申请实施例将图像的边缘区域和中心区域分别进行光固化曝光，并且边缘区域采用较低的曝光量。在激发树脂进行光固化的光线无法完全垂直照射到打印平面时，虽然存在光在树脂中存在折射、散射、漫反射的情况而导致光线会向切片边界外扩散，但本实施例在切片边缘区域采用较低曝光量的情况下，使得向切片图像外扩散的光线不足以引发图像范围外的树脂固化，保证了图像打印的精确度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1a是理想情况下的光固化侧面示意图；

图1b是实际情况下的光固化侧面示意图；

图2是本申请示出的切片图像区域的第一示意图；

图3是本申请示出的切片图像区域的另一示意图；

图4是本申请示出的3d打印设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

基于sla(stereolithographyappearance)的3d打印技术以液态光敏树脂为原料，利用紫外光辐照下光敏树脂的快速聚合，通过控制光照范围，逐层固化，有序成型，最终生成三维立体构件。

sla打印过程是将先将三维立体模型进行切片，获得每个切片的截面图像，使用紫外光按照切片的截面图像对树脂进行固化，完成一个切片的固化后，升降台在垂直方向移动一个切片的高度，再按照下一个切片的图像对这个将树脂固化，完成所述下一个切片的固化，如此层层叠加构成一个三维实体。

在此过程中，精确控制光是3d打印精度的关键。

现有技术采用多种方法努力使得光线相互平行且垂直的照射到树脂。例如，利用反射碗、透镜等将焦点位置光源的出射光变为平行光，以及利用发光矩阵代替点光源的方式将光源变为面光源等等。但在实际中，无法做到全部光的方向与打印平面完全垂直，客观上依然存在部分光线无法与打印平面垂直。此外，由于光在树脂中存在折射、散射、漫反射等原因，因而光线会向切片边界外扩散，将切片边缘外侧固化。

图1a和图1b光固化侧面示意图。图1a所示，理想情况下，光线垂直照射到液态树脂上，液态树脂仅在光照范围内被固化，其尺寸与光照范围的尺寸相一致。图1b所示为实际情况下，光线无法完全垂直于液态树脂的情况下，导致模型在xy方向的表面上偏离理论尺寸，具体表现为外轮廓尺寸增加，内轮廓尺寸减小。如图1b所示，模型实际打印的尺寸将略大于模型的设计尺寸，其原因在于在光照边界上，切片图像边缘外的树脂在折射光、散射光等外溢出图像范围光线的作用下也被固化。

为改善上述边缘透射固化效应带来的影响，本发明实施例提供一种切片分区曝光处理方法，将切片图像分成中心区域和边缘区域两部分，通过减小边缘曝光时长、曝光强度，来减少切片边缘外树脂固化，从而提高sla技术打印精度。

本申请实施例提供一种3d打印曝光方法具体如下。

首先，识别模型切片图像的轮廓，将所述图像划分为第一类区域以及第二类区域；

其中，所述第一类区域为所述图像中距离所述轮廓预置范围内的区域；；所述第二类区域为图像中第一类区域以外的区域。

图2是本申请实施例示出的切片图像区域的第一示意图。

参见图2，在该示例中，处理器首先识别出切片图像中边缘的闭合轮廓201，闭合轮廓201所围成的区域即为所述图像区域。

处理器可以为闭合轮廓201匹配与其对应的预设延伸方式，获取闭合轮廓201按照与其对应的预设延伸方式向图像区域的内侧方向延伸生成的闭合延伸轮廓203。

该预设延伸方式可以是按照预设延伸距离进行延伸。处理器可以将图像区域划分为闭合轮廓201与闭合延伸轮廓203围成的边缘曝光区域202，即本申请所述的第一类区域，以及位于边缘曝光区域202内侧方向的中心曝光区域204，即本申请所述的第二类区域。

图3是本申请实施例示出的切片图像区域的另一示意图。

参见图3所示，待打印物体截面为环形，与第一示意图所示图像不同，本示例所示的图像同时具有外轮廓和内轮廓。

处理器切片图像区域边缘的闭合轮廓301、闭合轮廓307，闭合轮廓301与闭合轮廓307所围成的区域即为图像区域。

处理器为闭合轮廓301匹配对应的预设延伸方式，为闭合轮廓307匹配对应的预设延伸方式，获取闭合轮廓301按照与其对应的预设延伸方式向切片区域的内侧方向延伸生成的闭合延伸轮廓303，获取闭合轮廓307按照与其对应的预设延伸方式向切片区域的内侧方向延伸生成的闭合延伸轮廓305。

闭合轮廓301与闭合轮廓307所围成的图像区域划分为：由闭合轮廓301与闭合延伸轮廓303围成的第一边缘曝光区域302、由闭合轮廓307与闭合延伸轮廓305围成的第二边缘曝光区域306，以及位于边缘曝光区域302与边缘曝光区域306内侧方向的中心曝光区域304。其中所述第一边缘曝光区域302和第二边缘曝光区域306即为本申请所述第一类区域，所述中心曝光区域304即为本申请所述第二类区域。

除图2及图3所示的图像形态外，本申请并不限制待打印图像的形状，例如，图像轮廓为不规则曲线，或者模型内部因具有多个镂空而使得切片图像具有多个内轮廓等。

本申请中，第一类区域为按照图形轮廓线向内侧预置宽度的区域，所述宽度可以根据打印需要进行设置，例如单位为像素。

并且，本申请不限制将图像划分为多个区域的方法。以上实施例中基于图像轮廓获得与图像轮廓延伸一定距离的延伸轮廓，进而得到图像轮廓与延伸轮廓合围成的第一类曝光区域。

在另一种方式中，处理器无需按照上述实施例根据图像轮廓计算延伸轮廓位置，而是根据图像轮廓，处理器获得距离图像轮廓上像素点预置距离范围内的像素点作为第一类曝光区域。在距离的计算上，可以根据图像像素坐标系的x轴及y轴进行距离计算，也可以采用现有的其他方法实现，本发明不进行限定。

其次，按照预置的曝光参数对所述第一类区域以及所述第二类区域进行曝光，所述第一类区域的曝光量小于所述第二类区域的曝光量。

以图2所示的图像为例，对边缘曝光区域202和中心曝光区域204进行曝光，使得相应区域的光敏树脂进行固化。所述边缘曝光区域202的曝光量小于中心曝光区域204的曝光量。

以图3所示的图像为例，对边缘曝光区域302、边缘曝光区域306以及中心曝光区域304进行曝光。

其中，边缘曝光区域302的曝光量和边缘曝光区域306的曝光量均分别小于中心曝光区域304的曝光量。

边缘曝光区域302与边缘曝光区域306的曝光量可以相等，也可以不相等。并且边缘曝光区域302与边缘曝光区域306的曝光量的大小关系可以根据需要进行设置，本申请对此不作限定。

曝光参数包括曝光强度和曝光时长两参数。曝光量为曝光强度和曝光时长的乘积。为实现图2和图3所示边缘曝光区域(即第一类曝光区域)的曝光量小于中心曝光区域(及第二类曝光区域)的曝光量。曝光参数可以进行如下的设置。

定义如下临界光强、必要光强、必要时长、必要曝光量的概念。

临界光强：光固化反应必须在高于特定光强下才能引发，低于此特定光强则不会固化，定义该特定光强为临界光强。

必要光强：3d模型切片具有厚度，光穿过树脂时会发生衰减，要让切片最深处的树脂发生光固化反应，需要提高光强，定义该光强为必要光强。

必要时长：切片具有厚度，因而基于必要光强完全固化需要一定的时长，该时长即为必要时长。

基于以上定义，完全固化一层切片的所需曝光量为必要曝光量。

必要曝光量＝必要光强×必要时长。

用ic表示图2、图3所示的中心曝光区域的曝光强度，tc表示中心曝光区域的曝光时长。ie表示边缘曝光区域的曝光强度，te表示边缘曝光区域的曝光时长。进而曝光参数的设置可以有如下方式：

第一种实现方式，中心曝光区域和边缘曝光区域采用相同的曝光强度，且采用不同的曝光时长。

即ic与ie相同，并且大于等于必要光强。

tc大于等于必要时长，te小于必要时长，但大于必要时长的1/2。中心曝光区域的曝光量比较大，会部分固化边缘曝光区域的树脂，因而通过降低边缘曝光区域的曝光时长，使得辐射到图像外的光线的光照时长不足以完成树脂固化。

第二种方式，中心曝光区域和边缘曝光区域采用不同曝光强度，并且采用相同曝光时长。

ic大于等于必要光强，ie小于必要光强，但大于临界光强。

tc与te相同，均大于等于必要时长。

中心曝光区域的曝光量比较大，会部分固化边缘曝光区域的树脂。通过降低边缘曝光强度，来降低透射光对边缘外树脂的固化程度。

第三种方式，中心曝光区域和边缘曝光区域采用不同曝光强度，并且采用不同曝光时长。

具体的，ic大于等于必要光强；ie小于必要光强，但大于临界光强。

tc大于等于必要时长。

te小于必要时长，且大于必要时长的1/2，边缘曝光区域的曝光量(ie×te)应当大于必要曝光量的1/2。

中心曝光区域的曝光量比较大，会部分固化边缘曝光区域的树脂。通过降低边缘曝光强度、曝光时长，来降低透射光对边缘外树脂的固化。

除以上实现方式外，边缘曝光区域的曝光量小于中心曝光区域的曝光量的实现方式均能够实现本发明目的。基于曝光量为曝光强度和曝光时长的乘积的关系，可以具体设定不同曝光区域的曝光强度和曝光时长。以图2所示为例，边缘曝光区域曝光参数和中心曝光区域曝光参数的关系可以有如下方式。

边缘曝光区域202的曝光时长小于中心曝光区域204的曝光时长；边缘曝光区域202的曝光强度小于中心曝光区域204的曝光强度；

或者，边缘曝光区域202的曝光时长等于中心曝光区域204的曝光时长，边缘曝光区域202的曝光强度小于中心曝光区域204的曝光强度；

或者，边缘曝光区域202的曝光时长小于中心曝光区域204的曝光时长，边缘曝光区域202的曝光强度等于中心曝光区域204的曝光强度；

或者，边缘曝光区域202的曝光时长小于中心曝光区域204的曝光时长，边缘曝光区域202的曝光强度小于中心曝光区域204的曝光强度。

满足以上关系时，边缘曝光区域的曝光光强应大于临界光强；以及，中心曝光区域的曝光强度大于等于必要光强，中心曝光区域的曝光时长大于等于必要时长。

另外，作为本发明的较佳实施例，边缘曝光区域的曝光量应大于必要曝光量的一半。

除以上曝光参数的选取方式外，在满足边缘曝光区域曝光量小于中心曝光区域曝光量的前提下，本发明也不排除边缘曝光区域的曝光强度或曝光时长的其中一项参数大于中心曝光区域相应参数的实现方式。

根据以上曝光强度和曝光时长参数的选择，可以执行对3d模型每层切片的曝光，重复执行对每层3d模型切片的光固化操作，至完成3d模型的打印。

以上记载可知，在采用一定的光敏树脂的情况下，曝光参数与切片厚度具有一定对应关系。在一些3d打印方法中，根据打印速度和精度要求的不同，在对一个3d模型进行切片时，存在采用不同厚度对模型的不同部位进行切片的情况。在此种情况下，基于上文记载的方法，处理器能够对应于不同厚度的切片确定其所需要的曝光的必要强度、必要时长等参数，并随着3d模型切片的逐层打印，动态的调整参数范围。

以及，上文记载了曝光参数的选择范围和不同曝光区域参数的相互关系，本领域技术人员可根据不同打印件的形状特点在采用上述实施例的方法确定具体的参数，本申请并不限制具体的数值。

在以上确定曝光参数的基础上，依据边缘曝光区域和中心曝光区域的曝光强度和曝光时长，边缘曝光区域和中心曝光区域具有多种执行曝光的顺序，具体如下。

第一种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。边缘曝光区域以及中心曝光区域采用相同的曝光强度i，其大于等于必要光强。中心曝光区域的曝光时长tc，大于等于必要时长；边缘曝光区域的曝光时长te，小于必要时长，大于必要时长的1/2。

所述切片图像的边缘曝光区域以及中心曝光区域同时开始采用曝光强度i进行树脂固化，由于te小于tc，切片边缘曝光区域先于中心曝光区域结束曝光。

第二种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。采用与第一种方式参数相同的情况下。

先开始采用光强i曝光切片的中心曝光区域，在经过tc-te时长后采用相同光强i开始曝光切片边缘曝光区域。边缘曝光区域以及中心曝光区域同时结束曝光。

第三种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。采用与第一种方式参数相同的情况下。

先开始采用光强i曝光切片中心曝光区域，在经过t时长后采用相同光强开始曝光固化切片边缘，其中，t<(tc-te)。边缘曝光区域完成曝光tc-te-t后，中心曝光区域曝光结束。

第四种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。

边缘曝光区域以及中心曝光区域采用相同的曝光时长，该曝光时长大于等于必要时长。中心曝光区域采用曝光强度ic、边缘曝光区域采用曝光强度ie同时开始曝光，并同时结束曝光。

第五种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。

中心曝光区域的曝光强度采用ic，大于等于必要光强；边缘曝光区域的曝光强度采用ie，小于必要光强，大于临界光强。中心曝光区域曝光时长采用tc，大于等于必要时长；边缘曝光区域的曝光时长采用te，小于必要时长，大于必要时长的1/2。

边缘曝光区域的曝光量ie×te大于必要曝光量的1/2、切片中心曝光区域采用光强ic，切片边缘使用光强ie，同时开始曝光。由于te小于tc，切片边缘曝光区域先结束曝光。

第六种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。

中心曝光区域采用曝光强度ic开始曝光，在经过tc-te时长后，切片边缘曝光区域采用曝光强度ie曝光。中心曝光区域和边缘曝光区域同时结束曝光。

第七种方式，获取2d矢量多边形切片，并分别获得边缘曝光区域以及中心曝光区域。采用上述第六中方式中的参数设置。

切片中心曝光区域使用曝光强度ic开始曝光，在经过时长t之后，切片边缘曝光区域使用曝光强度ie进行曝光，所述t<(tc-te。边缘曝光区域曝光完成tc-te-t后，中心曝光区域曝光结束。

除以上实施方式外，还可以逐个区域的完成曝光。

例如，以图2所示为例，可以在完成区域204曝光之后再进行区域202的曝光。或者，在完成区域202的曝光之后再进行区域204的曝光。

例如，以图3所示为例，可以先对同属于第一类曝光区域的边缘曝光区域的302以及边缘曝光区域306进行曝光，待完成曝光后，再执行对所述中心曝光区域304的曝光。或者，在完成中心曝光区域304的曝光后再执行两个边缘曝光区域302和304的曝光。

同样参照图3，处理器还可以按照一定顺序逐个完成三个区域302、304、306的曝光，三个区域具体的曝光顺序本发明并不限定。

根据上文记载可知，光通过液晶屏后的折射、光在树脂中的折射、散射、反射等原因，导致光辐射到图像区域外，引发图像边缘的树脂发生固化现象。在现有技术中，使用的曝光量大于等于必要曝光量，辐射到图像区域外的光强大于临界光强时，导致切片边缘外侧树脂的固化。为减少透射光强对切片外区域的影响，本申请提供了一种分区曝光的模式，将切片图像分为处于边缘区域的第一类曝光区域和第一类区域外的第二类曝光区域两部分。并且分别采用不同的曝光参数进行曝光固化，切片中心采用的曝光量大于等于必要曝光量，切片边缘通过降低曝光强度或曝光时长来减小曝光量，即使在存在辐射到图像外的光，也较难引起切片外树脂的固化，从而提高了3d打印的精度。

本发明实施例还提供了一种3d打印设备，实现以上记载的3d打印方法。所述3d打印设备包括：

图像处理单元41，识别模型切片图像的轮廓，将所述图像划分为第一类区域以及第二类区域；所述第一类区域为延所述轮廓向图像内侧预置宽度的区域；所述第二类区域为图像中第一类区域以外的区域；

曝光控制单元42，控制曝光单元，按照预置的曝光参数分别对所述第一类区域以及所述第二类区域进行曝光，所述第一类区域的曝光量小于所述第二类区域的曝光量；

曝光单元43，通过曝光使树脂完成光固化。

上述设备中，所述曝光控制单元42，同时对所述第一类区域和第二类区域开始曝光；或者，按照预置的顺序分别完成第一类区域和第二类区域的曝光。

上述设备中，图像处理单元，还用于对模型进行切片；

曝光控制单元，获取当前待曝光图像的切片的厚度，获得完成切片厚度的树脂光固化所需的必要曝光强度，以及利用该必要曝光强度完成树脂固化的必要曝光时长；以及，

控制所述曝光单元，对所述第二类区域的曝光强度不小于所述必要曝光强度，第二类区域的曝光时长不小于所述必要曝光时长；

控制所述曝光单元，对所述第一类区域的曝光强度不大于所述第二类区域的曝光强度，且大于能够引发树脂光固化的临界曝光强度。

上述设备中，曝光控制单元，控制所述曝光单元按照第一类区域的曝光强度以及第一类区域的曝光时长曝光得到的曝光量，小于所述必要曝光强度和必要曝光时长所确定的必要曝光量，以及不小于所述必要曝光量的一半。

本发明实施例还提供一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，其特征在于，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行上文记载的方法。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的申请所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。