用于三维物体的栅格结构表示的制作方法

背景技术：

产生三维物体的装置，包括通常称为“3d打印机”的那些，已经被建议作为潜在的生产三维物体的便捷方式。这些装置通常以物体模型的形式接收三维物体的定义。处理该物体模型，以指导装置使用一种或多种生产材料生产物体。这些生产材料可包括试剂和粉状基质的组合、加热的聚合物和/或生产材料的液体溶液。物体模型的处理可以以逐层方式进行。可期望生产具有一种或多种特性，比如颜色、机械和/或结构特性的三维物体。物体模型的处理可基于装置的类型和/或实施的生产技术而改变。产生三维物体面临着二维打印装置没有遇到过的许多挑战。

附图说明

结合一起作为实施例阐释本公开特征的附图，本公开的各种特征从接下来的详细说明中是显而易见的，并且其中：

图1是根据实施例显示用于产生表示三维物体的物体数据的装置的示意图；

图2是根据实施例显示用于产生三维物体的材料形成指令的装置的示意图；

图3是根据实施例显示用于生产三维物体的装置的示意图；

图4是显示用于产生表示三维物体的物体数据的方法的流程图；和

图5是显示产生增材制造系统用于制造三维物体的制造指令的方法的流程图。

技术实现要素：

在生产三维物体，例如在所谓的“3d打印”中，面临的挑战是以数据有效的方式通过物体模型表示三维物体。表示三维物体的基于光栅的格式，其作为一系列本文称为“体素”的单位体积与其中将二维图像分成称为“像素”的单位面积的方式类似，需要大量的数据。考虑到这一点，通常以基于向量的格式，例如来自stereolithography“.stl”文件的数据表示三维物体。基于向量的格式使用定义的模型几何学，比如栅格或多边形和/或三维形状模型的组合表示三维物体。例如，“.stl”文件可包括三维中一系列顶点形式的向量表示，以及以三个顶点之间三角测量或关联形式的表面曲面细分。

以基于向量的格式编码的三维物体的内部通常解释为是实心的。但是，设计者可能想要指定部分或所有三维物体的内部具有满足一个或多个条件的栅格结构。例如，设计者可能希望指定应用于部分或所有模型的栅格尺寸或形状，以控制三维物体的机械特性。这种机械特性可包括抗拉强度、重量、重心和稳心的一种或多种。例如，可通过为三维物体的不同部分指定不同的栅格密度控制重心和稳心。

本文所述的某些实施例确保了设计者在物体模型中以数据有效的方式指定三维物体的内部结构，并且在一些实施例中包括表面结构。尤其，至少一个栅格索引可包括在对应三维物体的物体模型中，每个栅格索引结合关联的三维阈值矩阵表示三维物体相应体积的栅格结构。物体模型也可包括三维物体的向量表示。

本文所述的某些实施例确保了生产具有期望结构的三维物体。如本文所描述，术语“栅格”指生产材料在三维中的排列，例如这可以是组成待生产的三维物体的特定子结构的有规律的重复排列。这可包括使用瓷砖式、重复的多面体和/或密度和频率的至少一种不同的子结构重复的布置。如此，实施例可包括条状材料的规则十字形；具有不同厚度的(子)结构壁；和螺旋型结构(包括具有不同厚度和因此具有不同弹性的那些)。结构或子结构在三维的至少一维度中，可以在任何方向上重复。重复的频率可能在三维的至少一个维度的任何方向上不同。

图1显示了产生表示三维物体的物体数据的计算机系统100的实施例。计算机系统100包括物体数据产生器110，其处理来自三维物体设计者的用户输入120，以产生表示三维物体的物体数据130。在该实施例中，物体数据130包括三维物体的向量表示140以及三维物体的栅格索引数据150。栅格索引数据150存储三维物体的一个或多个子体积的每一个的栅格索引。每个栅格索引与三维阈值矩阵相关联。

栅格结构可由三维矩阵表示。三维矩阵可由一组二维栅格表示，每个二维栅格表示体积的平面层。例如，简单的立方结构可表示为：

在下述描述中，为了方便阐释，将考虑简单的立方结构并且将由一个重复层表示相应的三维矩阵，该重复层重复7次并且由全层(fulllayer)覆盖。

在实施例中，给出的三维阈值矩阵如下：

该三维阈值矩阵对应实心结构或三个可能的立方结构之一，这取决于设计者输入的栅格索引。尤其，三维阈值矩阵中的每个条目对应体素，并且如果栅格索引小于或等于条目的值，则填充体素。为此，栅格索引以与半色调值类似的方式作用。

因此，如果栅格值在129和255之间，那么提供下述三维栅格结构：

如果栅格值在65和128之间，则提供下述三维栅格结构，其中二维重复栅格平面中的单元尺寸是与129和255之间的栅格值相比的一半：

如果栅格值在1和64之间，则提供下述三维栅格结构，其中二维重复栅格平面中的单元尺寸是与65和128之间的栅格值相比的一半。

等于0的栅格索引相当于所有的体素都被填充，即实心结构。

如上所述，通过使用三维阈值矩阵，具有不同单元尺寸的栅格可由不同的栅格索引表示。这提供了储存三维物体的内部结构的数据有效的方式。此外，处理栅格索引和三维阈值栅格的处理时间较短。

在上述实施例中，如果相应栅格索引的值小于或等于三维阈值矩阵的相应矩阵元素的值，则填充体素。其他实施例可使用栅格索引的值和三维阈值矩阵的矩阵元素的不同比较。例如，如果相应的栅格索引大于或等于相应的矩阵元素，则可填充体素。

在其他实施例中，不同的三维阈值矩阵可用于允许设计者通过栅格索引指定栅格参数而非单元尺寸。例如，当指定栅格壁的厚度时，可使用下述三维阈值矩阵：

在另一实施例中，三维阈值矩阵提供单元壁之间交叉的圆滑过渡。这样，减轻了在尖角的交叉处出现的应力集中。下述三维阈值矩阵提供了这种应力释放单元。

上面通过实施例讨论的每个三维阈值矩阵阐释了可由三维物体模型的设计者指定的相应栅格特征。其他三维阈值矩阵，尤其是具有较大尺寸的三维阈值矩阵，可允许设计者指定这些栅格特征的组合。

在实施例中，物体数据产生器110使用单个三维阈值矩阵并且来自设计者的用户输入120指示与该三维阈值矩阵一起使用的栅格索引。在另一实施例中，物体数据产生器110可使用多个不同的三维阈值矩阵，用户输入120包括栅格索引的指示和三维阈值矩阵的指示，并且栅格索引数据150包括三维阈值矩阵的指示或三维阈值矩阵本身。

为了容易表示，上面讨论的三维阈值矩阵涉及简单的立方矩阵。三维阈值矩阵可对应更复杂的结构。

图2示意性显示了用于处理物体模型的装置200，以为增材制造系统比如“3d打印机”提供输出指令，所述物体模型是由比如参考图1讨论装置100产生的。如所显示的，三维物体的向量表示210，比如向量表示140，由物体形状处理器230处理，以产生三维形状数据。栅格索引数据220，比如栅格索引数据150，以及三维阈值矩阵260被分别输入至矩阵产生器250。三维阈值矩阵可以是单个可用的三维阈值矩阵，由根据栅格索引数据220中提供的指示所选择的装置200储存的多个三维阈值矩阵之一，或可提供为栅格索引数据220的一部分。

矩阵产生器250处理如上所讨论的三维阈值矩阵和栅格索引，以为三维物体的不同部分以上面所讨论的方式产生一个或多个三维栅格矩阵。接着，物体结构产生器240结合三维栅格矩阵处理三维形状数据，以产生用于增材制造系统的指令270。

在一种情况下，装置200可作为增材制造系统的一部分来实施，例如可包括“3d打印机”的嵌入控制器的电子设备或一部分。在另一种情况下，装置200的一个或多个部分可使用配置为由一个或多个处理器处理的计算机程序代码实施。这些处理器可形成增材制造系统的一部分(例如“3d打印机”的计算模块)和/或可形成与增材制造系统通信连接的计算机设备的一部分(例如配置为控制“3d打印机”的台式计算机和/或安装在计算机设备上的“3d打印驱动程序”)。在一种情况下，计算机设备可包括与增材制造系统通信连接的服务器；例如用户可从移动计算设备提交定义三维物体的数据210、220，用于由“云中”的装置200处理，装置200可然后将材料形成指令270经网络通信通道发送至增材制造系统。

现将参考图3描述设置为根据材料形成指令270生产三维物体的装置的实施例。图3显示了设置为生产三维物体360的装置300的实施例。装置300设置为接收三维物体的数据310，其可包括如上述的材料形成指令270。为了更好理解当前描述的实施例，显示和描述了装置300；不同形式和/或使用不同技术的其他装置可以可选地与本文所述的结构体积覆盖表示一起使用。

在图3中，装置300包括沉积控制器320和存储器325。沉积控制器320可包括形成嵌入计算设备一部分的一个或多个处理器，例如适合用于控制增材制造系统。存储器325可包括易失和/或非易失存储器，例如非易失存储介质，其设置为例如以固件的形式存储计算机程序代码。沉积控制器320与装置的设置为构建三维物体的机构通信连接。这些包括沉积机构330。沉积机构330设置为沉积生产材料，而产生三维物体。在该情况下，沉积机构包括基质供应机构335和试剂喷出机构340、345。在其他情况下，沉积机构330可包括更少的或其他组件，例如基质供应机构可与试剂喷出机构分开提供或被省略，或其他组件，例如沉积机构330可包括聚合物提取机构。在图2的示意性实施例中，试剂喷出机构340、345包括两个组件：用于供应第一试剂的第一组件340和用于供应第二试剂的第二组件345。为了阐释方便，在该实施例中呈现了两种材料，但是可供应任何数量的材料。仅仅描述了例如试剂形式的类似材料。基质供应机构335设置为供应至少一个基质层，在其上由试剂喷出机构340、345沉积用于生产的材料，以生产三维物体360。在该情况下，材料包括施加至粉末基质的试剂，其中试剂和粉末的组合在固化过程之后，形成物体的一部分。但是，其他实施也是可能的，例如材料可被沉积而形成物体的一部分，例如根据上面讨论的聚合物情况。在图3的实施例中，在床面350上逐层建造三维物体360。图3中显示的机构和组件的排列不是限制性的；每个装置的精确的排列将根据实施的生产技术和装置的模型而改变。

在图3的实施例中，沉积控制器320配置为处理和/或以其他方式使用数据310，以控制沉积机构330的一个或多个组件。沉积控制器320可控制基质供应机构335和试剂喷出机构340、345的一个或多个。例如，沉积控制器320可使用数据270中的离散材料形成指令，以控制试剂喷出机构中的喷嘴。在一个实施中，装置300可设置为使用分别由试剂喷出机构340、345的组件供应的聚结剂和聚结改性剂。这些试剂使三维物体具有不同的材料特性。它们可结合一种或多种着色的粉状基质材料，例如使用喷墨机构施加至沉积的粉末层，以产生具有不同材料特性的彩色物体。在这些情况下，产生的物体可通过如下来构建：将至少聚结剂和聚结改性剂沉积在基质材料层，例如形成z-平面切片的粉末或其他材料的层上，随后将加热，例如红外或紫外光而结合该材料。例如，基质供应机构335和试剂喷出机构340、345的一个或多个可相对于床面350移动，例如在一个或多个x、y和z方向上(其中对于图3，y轴进入纸里面)。为了以实现这，基质供应机构335、试剂喷出机构340、345的一个或多个以及床面350可在沉积控制器320的控制下移动。另外，一种或多种油墨也可沉积在固化的和/或未固化的层上。在其他实施中，装置可包括部分选择性激光器烧结系统、立体平版印刷系统、喷墨系统、熔融沉积建模系统、任何三维打印系统、喷墨沉积系统和层压物体制造系统等。这些包括直接沉积材料而不是描述使用各种试剂的那些装置。

在一种情况下，装置200和沉积控制器320的功能可组合在一个嵌入系统中，该嵌入系统设置为接收定义三维物体的数据210、220，或用于产生该三维物体的数据，并且相应地控制装置300。对于设置为例如通过物理传输和/或经网络接收数据210、220，和产生物体的“单机”装置，可以是这种情况。例如，该装置可与计算机设备通信连接，所述计算机设备设置为将包括物体定义210、220的“打印工作”，或用于产生物体定义210的数据以二维打印机的方式发送至装置。

图4显示了根据实施例用于产生表示三维物体的物体数据的方法400。该方法可由装置100实施。在块410中，产生三维物体的向量表示。在块420中，产生至少一个栅格索引。每个栅格索引结合关联的三维阈值矩阵表示三维物体相应的体积或子体积的栅格结构。物体数据包括三维物体向量表示和至少一个栅格索引。

图5显示了用于产生在增材制造系统中使用的制造指令的方法。该方法可由装置200和沉积控制器320、另一增材制造系统或设置为控制增材制造系统的计算机设备实施。在块510中，处理三维物体的向量表示，以产生三维形状数据。在块520中，比较三维物体的栅格索引数据与三维阈值矩阵，以产生一个或多个三维栅格矩阵。在块530中，根据三维形状数据和一个或多个三维栅格矩阵，产生制造指令。

本文所述的某些系统组件和方法可由储存在非易失存储介质上的计算机程序代码实施。计算机程序代码可由包括至少一个处理器的控制系统实施，所述至少一个处理器设置为从计算机可读的存储介质读取数据。控制系统可包括物体产生系统比如增材制造系统的一部分。计算机可读的存储介质可包括储存在其上的一组计算机可读的指令。至少一个处理器可配置为将指令载入存储器用于处理。指令设置为使得至少一个处理器实施一系列动作。指令可指导图5的方法500和/或本文所述的任何其他块或处理。非易失存储介质可以是可包含、存储或保持被指令执行系统使用或结合的程序和数据的任何介质。机器可读的介质可包括许多物理介质的任何一种：比如，例如，电子、磁、光、电磁或半导体介质。适当的机器可读的介质的更具体的实施例包括但不限于硬盘存储器、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦可编程只读存储器或便携式盘。

已经提供了前面的描述来阐释和描述所描述的原理的实施例。该描述不旨在是排他性的或将这些原理限于公开的任何具体形式。在上述教导下，许多修饰和变型是可能的。参考一个实施例描述的技术、功能和方法可在其他描述的实施例中使用，例如通过使用该公开的相关部分。