用于实体模型的增材制造的支撑结构的制作方法

本申请要求2014年6月13日提交的美国临时专利申请62/011,932号的优先权，在此通过引用的方式将其并入本文。

技术领域

本公开内容一般涉及计算机辅助设计、虚拟化以及制造系统（“CAD/CAM系统”），产品生命周期管理（“PLM”）系统，以及管理用于产品和其他项目的数据的类似系统（统称为“产品数据管理”系统或PDM系统）。

背景技术：

支撑结构是确保使用诸如熔融沉积成型（FDM）或立体光刻的技术而成功地增材制造零件所需的额外的支架（scaffold）型结构。该零件通常在计算机辅助设计（CAD）系统中使用实体模型而限定并且使用计算机辅助制造（CAM）系统而准备用于制造。当前的商业CAD/CAM系统不具有足够的功能以用于创建用于实体模型的增材制造的支撑结构。改进的系统是期望的。

技术实现要素：

各种公开的实施例包括用于使得商业CAD/CAM系统的用户能够在用于限定零件几何结构并产生制造操作的相同系统内创建并修改支撑结构的方法和系统。可以直接地在实体模型上形成支撑件，由此避免对数据或几何结构的转换的需要。可以使用NX CAD/CAM系统（诸如可从德克萨斯洲普莱诺的西门子产品生命周期管理软件有限公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. , Plano, Texas）获得）的用户定义特征功能来创建支撑件，由此能够实现在CAD/CAM系统自身内的容易的修改和存档。

其他实施例包括用于实体模型的增材制造的支撑结构的系统和方法。该方法包括接收用于待制造的实物目标的实体模型，该实体模型包括多个边界表示（b-rep）的表面。该方法包括分析b-rep表面以形成用于潜在的支撑位置的点样本。该方法包括对应于点样本的至少一些而聚类实体模型上的点以创建支撑位置。该方法包括在实体模型中形成柱体支撑件，该主体支撑件在支撑位置处连接至原始实体模型。该方法包括存储实体模型，包括存储柱体支撑件。

前述已经相当广泛地概述了本公开内容的特征和技术优点，使得本领域技术人员可以更好地理解以下详细描述。将在下文中描述本公开内容的构成权利要求主题的另外的特征和优点。本领域技术人员应当意识到的是，他们可以容易地使用所公开的概念和具体的实施例作为对用于实现本公开内容相同目的的其他结构进行修改或设计的基础。本领域技术人员还应当意识到的是，这样的等同构造没有脱离本公开内容的最广泛形式的精神和范围。

在开始下面的具体实施方式之前，阐述贯穿本专利文献使用的某些单词或短语的定义可以是有利的:术语“包括(include)”和“包括(comprise)”及其派生词语意指没有限制的包括；术语“或”是包括性的，意指和/或；短语“与…相关联”和“与其相关联”及其派生短语可以意指包括、被包括在内、与…互连、包含、被包含在内、连接至或与…连接、耦接至或与…耦接、能够与…通信、与…协作、交错、并列、与…接近、绑定至或与…绑定、具有、或具有…的性质等；以及术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分，而不论这样的设备是通过硬件、固件、软件或以上中的至少两者的组合来实现。应当注意的是，与任何特定的控制器相关联的功能，无论本地或远程，可以是集中式的或分布式的。贯穿本专利文献提供某些单词和短语的定义，并且本领域技术人员应当理解的是，这样的定义即使不是在大多数实例中但仍在许多实例中适用于这样被定义的单词和短语的现有及未来使用。尽管一些词语可能包括各种各样的实施方式，但是所附权利要求可以明确地将这些词语限制到具体的实施方式。

附图说明

为了更完整地理解本公开内容及其优点，现结合附图参考下列描述，其中相同的附图标记表示相同的目标，以及其中：

图1示出数据处理系统的框图，实施例能够在该数据处理系统中被实现；

图2A示出根据公开的实施例的待增材制造的原始几何结构的示例；

图2B示出待增材制造的原始几何结构的示例，该示例包括如在本文中公开的支撑结构；

图3示出根据公开的实施例的工艺的流程图；

图4示出根据公开的实施例的由柱体支撑件支撑的小的测试板，每个柱体支撑件在单个点处接触该板；

图5A－图5C示出根据公开的实施例的不同支撑结构的形状；

图6示出根据公开的实施例的避免碰撞的示例；

图7示出根据公开的实施例的搜寻避免碰撞投影图形的示例；以及

图8A和图8B根据公开的实施例示出外侧支撑位置能够向外成角度以避开实体模型的几何结构。

具体实施方式

下面讨论的图1至图8B以及用于在本专利文献中描述本公开内容的原理的各种实施例仅是通过示例的方式来说明，并且不应以任何方式被解释成限制本公开内容的范围。本领域技术人员将理解的是，可以以任意适当设置的装置来实现本公开内容的原理。将参照示例性非限制性实施例来描述本申请的多种创新性教导。

增材制造（在本文中也被称作“AM”或“3D打印”）是一种制造技术，在该制造技术中通常从构建板开始向上分层增材地构建实体的实物目标。“构建板”在本文中也被称作打印机基部、床体或接触构建板。同样地，这些系统理想地具有用于支撑面向构建方向的反向的独立的区域的机构。这些结构还被要求在制造工艺期间保持零件的所有特征就位以避免任何结构扭曲。这通过使用“支撑结构”而实现，该支撑结构是支撑这些区域并且确保使用诸如FDM或立体光刻技术成功地增材制造零件的附加的支架型结构。该零件通常在CAD系统中使用实体模型而限定并且使用CAM系统而准备用于制造。当前的商业CAD/CAM系统不具有足够的功能以用于创建用于实体模型的增材制造的支撑结构。

在大多数情形中，实体模型被导出至独立的软件包中以用于创建支撑件几何结构。在导出期间或者在独立软件包内，实体首先能够被转换成多边形网格，从而导致精度损失，导致数据转换问题，并且导致对于增材制造技术的终端用户的增加的工作流复杂性。除了其他的以外，在本文中图示了下述实施例：其使得商业CAD/CAM系统的用户能够在用于限定零件几何结构并产生制造操作的相同系统内创建并修改支撑结构。支撑件被直接形成在实体模型上，由此避免对于数据或几何结构转换的需要。

在一个说明性实施例中，使用CAD/CAM系统的“用户定义特征”功能来创建支撑件，由此能够实现在CAD/CAM系统自身内的容易的修改和存档。用户定义特征是CAD应用程序内的实体对象（entity），其允许创建标准特征，该标准特征能够被容易地参数化并且能够在设计中被重复使用且能够由库中的组织而管理。图示的实施例创建实现双重（并且有时是矛盾的）目的的支撑结构：该支撑结构在制造期间适当地支撑零件的重量并且在制造完成之后易于移除。额外地，除了其他益处以外，当用户要使用它们的CAD/CAM环境中的任意其他几何结构时，这个方法允许用户在支撑件结构形成之后通过支撑件几何结构的参数化而改进并编辑这些支撑件结构。另外，使用用户定义特征允许以这样的方式利用规则创建支撑件几何结构：如果零件的几何结构被修改，那么该支撑件几何结构能够基于它们的规则和参数化而适用于这些修改，这是该方法的独特特征。

图1示出数据处理系统的框图，其中实施例能够被实现为例如特别地由软件或其他方式配置成执行如在本文中描述的工艺的PDM系统，并且特别地实现为如在本文中描述的多个互联且通信的系统的每一个。所描绘的数据处理系统包括连接至二级高速缓存/桥接器104的处理器102，二级高速缓存/桥接器104进而连接至本地系统总线106。本地系统总线106可以是例如外围部件互连（PCI）架构总线。在所描绘的示例中，主存储器108和图形适配器110也连接至本地系统总线。图形适配器110可以连接至显示器111。

其他外围装置，诸如局域网（LAN）/广域网/无线（例如，WiFI）适配器112，也可以连接至本地系统总线106。扩展总线接口114将本地系统总线106连接至输入/输出（I/O）总线116。I/O总线116连接至键盘/鼠标适配器118、盘控制器120以及I/O适配器122。盘控制器120能够连接至存储装置126，该存储装置能够是任意适合的机器可用或机器可读的存储介质，包括但不限于：非易失性、硬件编码型介质，诸如，只读存储器（ROMs）或可擦除电可编程只读存储器（EEPROMs），磁带存储装置以及用户可记录型介质，诸如软盘、硬盘驱动器以及紧凑型光盘只读存储器（CD-ROMs）或数字通用光盘（DVDs），以及其他已知的光、电或磁存储装置。

在所示的示例中，音频适配器124也连接至I/O总线116，扬声器（未示出）可以连接至音频适配器以播放声音。键盘/鼠标适配器118提供连接以用于指向装置（未示出），诸如鼠标、轨迹球、轨迹指向器（trackpointer）、触摸屏等。

本领域技术人员将了解的是，图1中所描绘的硬件可以因特定实施方式而不同。例如，其他外围装置（诸如光盘驱动器等）也可以被额外地使用或者替代所描绘的硬件。所描绘的示例仅为了解释说明的目的而提供，并且不意指暗示关于本公开内容的架构限制。

根据本公开内容的实施例的数据处理系统包括采用图形用户界面的操作系统。该操作系统允许在图形用户界面中同时展示多个显示窗口，其中每个显示窗口对于不同的应用程序或者对于相同的应用程序的不同实例提供接口。用户可以通过指向装置而操纵图形用户界面中的光标。光标的位置可以改变和/或生成诸如点击鼠标按钮的事件以执行期望的响应。

可以采用被适当修改的各种商业操作系统之一，诸如Microsoft Windows^TM的版本（位于华盛顿州雷蒙德的微软公司的产品）。根据如所述的本公开内容而修改或创建该操作系统。

LAN/WAN/无线适配器112能够连接至网络130（非数据处理系统100的一部分），网络130能够是如本领域技术人员已知的任何公共或私有数据处理系统网络或者这些网络的组合，包括因特网。数据处理系统100能够通过网络130与服务器系统140通信，该服务器系统也不是数据处理系统100的一部分，但是可以被实现为例如单独的数据处理系统100。

在制造工艺期间，旨在被理想地增材制造的几何结构的零件被支撑或以其他方式被固定就位。初始地，由材料所附接的床体或构建板来支撑增材制造的设计。后来各层附接至之前的层。

对于一些几何结构，可能无法将其附接至床体或者附接至之前创建的几何结构的层，因此需要构造一些类型的支撑件。在完成最终设计之后移除该支撑件。

图2A示出待增材制造的原始几何结构200的示例。要注意的是，如果使用典型的技术从底部至顶部打印该几何结构的话，则原始几何结构200没有用于最底部的部分的支撑件，并且因此该几何结构无法被成功地制造。

图2B示出包括如在本文中公开的支撑结构202的待增材制造的原始几何结构200的示例。支撑结构202也从底部至顶部打印并且为待打印的几何结构200提供支撑。要注意的是，在支撑结构接触原始几何结构200的位置处，支撑结构202的每一个缩窄至一点，以允许它们被容易地分离并且对几何结构200的底部表面引起尽可能小的修改。

各种公开的实施例使用多种多样的实体模型几何结构以限定并构造支撑件，当支撑件被添加或沉积至最终设计上时能够将材料保持就位。在制造完成之后，这些支撑件能够作为后处理步骤而被容易地移除。如在本文中公开的支撑件能够最小化与零件的接触以避免零件的损坏或其他损伤，能够最小化在支撑件中使用的材料，并且能够最小化零件的构造时间。

几何结构表示和几何结构计算能够使用诸如在Siemens Parasolid 几何结构内核中发现的高精度边界表示（b-rep）的实体几何结构，其可从德克萨斯洲普莱诺的西门子产品生命周期管理软件有限公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. , Plano, Texas）获得。

图3示出根据所公开的实施例的工艺的流程图。该流程示出方法300，该方法能够由诸如数据处理系统100（下面通称为“系统”）的数据处理系统执行。

该系统接收用于待制造的目标的实体模型，该实体模型包括多个b-rep表面（305）。当在本文中使用时，“接收”能够包括从存储装置加载，从另一个装置接收，经由与用户的相互作用而接收，或者以其他方式接收。

该系统分析B－Rep表面以形成用于潜在的支撑位置的点样本（310）。作为这个分析过程的一部分，该系统检查B-Rep表面的曲率和角度以确定放置支撑点或多个支撑点的最佳位置。

该系统对应于点样本的至少一些而聚类（cluster）实体模型上的点，以创建支撑位置（315）。当在本文中使用时，“聚类”意指一个或多个点被标识用于每一个支撑位置；在一些情形中，在发现多个点样本彼此邻近的情况下，使用单个支撑位置用于这些点的这个“聚类”。

该系统在实体模型中形成在支撑位置处连接至原始实体模型的柱体支撑件（320）。根据各个实施例，该系统能够根据实体模型的变化而自动地调节柱体支撑件。在各个实施例中，所产生的柱体支撑件被成形成在支撑位置处与实体模型具有最小的接触，使得能够由柱体支撑件来支撑所要求的重量并且能够在不损坏或损伤待制造的目标的表面的情况下容易地移除该主体支撑件。该系统能够在被设计成最小化与实体模型和接触构建板的碰撞的位置和角度处形成柱体支撑件。该系统能够形成支撑柱体使得用于支撑柱体的实体模型的应力集中被最大化和最小化，以控制支撑柱体的弯曲和折断。

该系统能够与用户相互作用以便编辑并改进支撑件（325）。

该系统存储包括柱体支撑件的实体模型（330）。

该系统能够打印实体模型以创建实物目标（335）。这能够例如由与3D打印机通信以打印实体模型的系统来执行。

所公开的实施例尝试最小化在实体模型和支撑结构之间的接触，同时考虑在接触点处的侧向、直接和扭转的应力集中。

增材制造工具用户可以期望在制造之后的支撑材料的容易的移除。所公开的实施例能够形成应力集中，该应力集中使得在支撑件接触零件的位置处发生任何弯曲或断裂。在每个支撑结构的单个点处的支撑件提供最大的应力集中，并且允许在任何方向上的扭转和弯曲。线性接触提供大得多的支撑程度，但是仅能够在一个方向上弯曲，并且仅能够用在几何结构提供“平坦的”位置的情况中。

图4示出由九个“柱体支撑件”410支撑的小的测试板402，每个柱体支撑件在单个点412处接触板。在模型和每个支撑件之间的单个接触点对于移除该支撑件是理想的。然而，如果支撑件几何结构跨过多个点的话，则旋转自由度减少并且还影响在任意方向上形成应力集中的能力。为此原因，用其自身的柱体支撑每个点提供最优的方案，而两个点要好于额外添加的点（不成一条线的点）。

该系统能够平衡对于单个的、单点支撑柱体的需求与对于最优方案的其他需求。可以存在对柱体的物理尺寸的限制，或者存在对减小柱体的数目以减少总的材料使用的需求。当需要时，由这个系统创建的柱体可以被合并或被“布尔计算”。

可以在经受增材制造硬件的限制的任意方向上构建柱体。理想地，该柱体将笔直向下（或者在一些机器的情况中向上）至机器的床体。然而，有事取决于AM机器的最大角度而需要不同的方向。例如，FDM机器通常能够在不需要支撑件的情况下创建具有高达45度外伸的几何结构。随后，支撑柱体自身能够被构建至45度角。

所公开的实施例能够支持任何形状的柱体。例如，柱体支撑件410被成形为锥体、圆柱体、和另一个锥体的柱体；可以想到满足以上标准的多种不同形状的柱体。

根据所公开的实施例，在待支撑的点处初始锥体接触零件的表面。随后圆柱体从锥体的基部突出至打印机的基部或构建板。为了最大化至基部的粘附，创建第二锥体并且使其与柱体进行“布尔运算”，该第二锥体具有与突出部和床体共面的基部。这个第二锥体的基部半径大于圆柱体的半径，如由柱体支撑件410所示。

图5A－图5C示出不同的支撑结构形状。图5A示出在基部处附接的柱体510，该基部由半球512表示。

图5B示出具有较小的基部522的柱体520。这在基部处产生应力集中，使该柱体非常容易从打印机平台折断。这个示例最可能变成从打印机平台“脱开（unstuck）”。

图5C示出支撑柱体530，支撑柱体530具有与圆柱体基部布尔运算的锥体形状件（诸如在底部上的“垫”532）。这样的形状件在垫接触打印机基部的位置处产生较小的应力。这存在两个例外。在一些情形中，第一锥体的高度实际上大于从支撑点到床体的距离。在该情形中，仅使用所需要的锥体的部分并且不创建圆柱体或第二锥体。第二例外是当支撑件基部附接至模型并且不附接至打印机床体时。在该情形中，不使用第二锥体并且可以替换更小（或更大）的基部。这是为了创建应力集中以允许容易地移除支撑件。

所公开的实施例还能够在创建支撑结构时执行碰撞避免。在某些情形中,构建在现有几何结构之上的支撑件能够是个问题。例如，支撑结构要求至模型的连接足够结实而不会在制造工艺期间断开连接。然而，这个更结实的连接也使得支撑件在完成模型之后更难被移除。另外，与模型的接触能够损坏或以其他方式损伤模型表面，从而导致缺乏吸引力的模型以及更大的后期处理时间。

为了这些原因，通常期望创建这样的支撑件：其最大化至打印机平台的连接并且最小化至待打印的真实几何结构的连接。

图6示出碰撞避免的示例，其中杯子实体模型600的手柄602需要支撑件。用于手柄的底部的柱体支撑件604能够直接延伸至打印机平台或接触构建板610。然而，在手柄的顶部部分上的柱体支撑件606向外成角度以便避免与手柄底部碰撞。因此，顶部手柄支撑件606避免与杯子手柄602的底部碰撞。这个示例还被用于示出b-rep表面620以及b-rep表面620上的点样本624（示出为夸张的圆形），点样本624能够被聚类并用作支撑位置622。

能够通过穿过空间投影柱体2D轮廓以确定该轮廓是否与其他几何结构相交而完成理想方向的识别。一个公开的技术开始将柱体从支撑位置“笔直向下”投影至打印机基部，并且测试与实体模型或其他支撑结构的碰撞。然后，系统从该位置“螺旋式”向外，在每个方向上投影该柱体，并且测试与实体模型或其他支撑结构的碰撞。

图7示出根据公开的实施例的搜索碰撞避免投影图形700的示例。中心702是第一尝试，所有其他尝试例如在投影图形700中从该中心螺旋式向外。当发现非碰撞支撑柱体投影时，该支撑柱体投影导致不碰撞几何结构的最小柱体角（从笔直向下起始）。由于当发现非碰撞支撑柱体投影时能够停止图形搜索，所以典型的情形实际上将不会在示例图形中在所有可能的点处进行投影。

图8A和图8B示出的是，外侧支撑位置能够向外成角度以避开实体模型800的几何结构。在该示例中，外侧支撑件802向外成角度以到达打印机基部820而不与实体模型的基部804碰撞。

图8B更详细地示出图8A的区域830。图8B示出的是，因为内侧支撑件808无法到达打印机基部820，因为其角度太大，所以系统能够代替地将内侧支撑件808附接至实体模型800的“柄部（stem）”810。

该系统分析实体模型的b-rep几何结构以确定支撑点位置。用于创建支撑件的在几何结构上的位置依赖于对构成待打印的几何结构的B-rep表面的分析。对应于几何结构的所有面的表面都被分析。其中表面法线落于由构建方向所限定的某个角度范围内的那些区域被提取。在提取的区域上计算许多代表性的点位置。支撑柱体结构的顶部锥体将在这些位置处接触表面。

基于许多因素而优化点位置，诸如点之间的间距，表面的曲率，表面斜率的局部最小值和最大值，以及聚类类似点的需求，诸如在用于“直线支撑件”的直线上的那些点。

当然，本领域技术人员将认识到的是，除非特别指明或根据操作顺序的要求，否则上面描述的工艺中的某些步骤可以省略，可以同时地或顺序地执行，或者可以以不同的顺序执行。

本领域技术人员将认识到的是，为了简要和清楚起见，在本文中没有描绘或描述适于与本公开内容一起使用的所有数据处理系统的完整结构和操作。代替地，仅仅描绘并描述了数据处理系统中作为本公开内容所独有的部分或用于理解本公开内容所必需的部分。数据处理系统100的构造和操作的其余部分可以遵照本领域中已知的各种当前的实施方式和实践中的任一种。

重要的是应该注意，虽然本公开内容包括在完整功能系统的背景下的描述，但是本领域技术人员将了解的是，本公开内容的机制的至少部分能够以指令的形式被分配，这些指令以各种形式中的任一种被包含在机器可用的、计算机可用的、或计算机可读的介质内，并且不论用于实际执行该分配的指令或信号承载介质或存储介质的特定类型如何，本公开内容都同等地适用。机器可使用/可读或者计算机可用/可读介质的示例包括：非易失性、硬件编码型介质，诸如只读存储器（ROMs）或可擦除电可编程只读存储器（EEPROM），以及用户可记录型介质，诸如软盘、硬盘驱动器、以及紧凑光盘只读存储器（CD-ROMs）或数字通用光盘（DVDs）。

虽然已经详细描述了本公开内容的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解的是，可以在不脱离本公开内容的最广泛形式的精神和范围的情况下对本文中公开的内容做出各种改变、替换、变化和改进。

在本申请中的任何描述都不应该被解读为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围中的必要要素：专利请求保护的主题的范围仅由所授权的权利要求所限定。而且，任何这些权利要求都不旨在援引美国法典第35卷第 112(f)条（35U.S.C. § 112(f))的条款，除非确切的词语“用于……的装置”之后接有分词。