用于增材制造的表面角模型评估工艺的制作方法

本发明涉及用于打印或以其他方式制造三维(3d)部件和支撑结构的增材制造方法。特别地，本发明涉及用于使用增材制造技术打印3d部件结构的数字模型评估。

背景技术：

增材制造系统用于使用一种或多种增材制造技术从数字模型或3d部件的表示(例如，stl格式文件)打印或以其他方式构建3d部件。可商购的增材制造技术的实例包括基于挤出的技术、喷射、选择性激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔化、数字光处理(dlp)和立体光刻工艺。对于这些技术中的每一种，3d部件的数字表示在最初被分割成多个水平层。对于每个切片层，生成工具路径，其提供用于特定增材制造系统打印给定层的指令。

例如，在基于挤出的增材制造系统中，可以通过挤出可流动的部件材料，以逐层的方式根据3d部件的数字表示打印3d部件。所述部件材料通过由系统的打印头承载的挤出端挤出，并且在平面层中作为一系列路径沉积在压板上。挤出的部件材料熔合到预先沉积的部件材料上，并在温度降低时固化。之后打印头相对于基底的位置被增加，并重复该过程以形成类似于数字表示的3d部分。

在通过沉积部分材料的叠层制造3d部件时，支撑层或结构通常建立在正在构造中的3d部件的突出部分或空腔下方，其不被部件材料本身支撑。可以利用相同的沉积技术建立支撑结构，可通过该技术沉积部件材料。主计算机产生额外的几何形状，用作要被形成的3d部件的悬垂或自由空间段的支撑结构。之后在打印过程中根据生成的几何形状沉积支撑材料。支撑材料在制造过程中粘附到所述部分材料上，并且当打印过程完成时可以从完成的3d部件上移除。

技术实现要素：

本发明的一个方面涉及一种用于在增材制造过程中打印3d部件的方法，该方法包括：将3d部件的数字模型接收到计算机，其中所述数字模型被配置在具有多个坐标轴的坐标系中，并且具有表面几何形状。该方法还包括相对于一个或多个坐标轴作为表面几何形状的表面积的函数的表面平面角。该方法还包括根据所计算的表面平面角来计算一个或多个坐标轴中的每一个的构建分数，以及至少部分地基于所计算的构建分数来选择坐标系中的数字模型的方位。构建分数优选地预测哪个部件方位可能为待打印的3d部件提供良好的表面质量。

本发明的另一方面涉及一种用于在增材制造过程中打印3d部件的方法，其包括将3d部件的数字模型接收到计算机，其中所述数字模型配置在具有多个坐标轴的坐标系中。该方法还包括计算两个或多个坐标轴的主要标准值(例如，支撑材料体积和/或构建时间)，评估两个或更多个坐标轴中的每一个的表面质量的数字模型，以及消除任何一个具有不满足最小表面质量阈值的表面质量的坐标轴以提供一个或多个剩余坐标轴。该方法还包括至少部分地基于所计算的主要标准值从坐标系中的一个或多个剩余坐标轴中选择数字模型的方位。该方法优选地去除了具有低表面质量的部件方向。

本发明的另一方面涉及一种用于在增材制造过程中打印3d部件的方法，其包括将3d部件的数字模型接收到计算机，其中所述数字模型配置在具有多个坐标轴的坐标系中。该方法还包括评估用于两个或更多个坐标轴的表面质量的数字模型，计算所述两个或更多个坐标轴中的每一个的一个或多个次要标准值，以及消除任何一个具有不符合最小次要标准值阈值的次要标准值的坐标轴以提供一个或多个剩余的坐标轴。该方法还包括至少部分地基于所评估的表面质量从坐标系中的一个或多个剩余坐标轴选择数字模型的方位。

除非另有说明，本文使用的以下术语具有下列含义：

术语“增材制造系统”是指至少部分地使用增材制造技术来打印3d部件和/或支撑结构的系统。增材制造系统可以是独立单元、较大系统或生产线的子单元，和/或可以包括其它非增材制造特征，例如减法制造特征、拾取和放置特征、二维打印特征等。

与打印3d部件和/或支撑结构相关的术语“打印”、“打印中”等，指的是使用一种或多种增材制造技术从一种或多种材料构建或以其他方式生产3d部件和/或支撑结构，例如基于挤出的技术、喷射、选择性激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔化、数字光处理(dlp)、立体光刻、选择性激光熔化、直接激光金属烧结和静电放电处理等。

与用于命令设备(例如，打印头，龙门架，马达等)的控制器组件相关的术语“命令”、“命令中”等，指的是将控制信号从控制器组件直接和/或间接地中继到设备，使得设备根据中继信号进行操作。信号可以以任何合适的形式进行中继，例如到达设备上的微处理器的通信信号、施加电力以操作设备等。

术语“提供”，例如在权利要求中使用的“提供设备”并不意图要求提供的对象的任何特定的转达或接收。相反，术语“提供”仅用于引用在权利要求的后续要素中将被引用的项目，使其清楚且易于阅读。

术语“优选的”和“优选地”，是指在某些情况下可以提供某些益处的本发明的实施方案。然而，在相同或其他情况下，其它实施例也可以是优选的。此外，一个或多个优选实施例的叙述并不意味着其他实施例不是有用的，并且不旨在将其他实施例排除在本发明的范围之外。

术语“至少一个”和“一个或多个”元素可互换使用，并且具有包括单个元件和多个元件的相同含义，并且也可以由元素末尾的后缀“(s)”表示。

由于本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量中的限制和变化)，本文中使用的使用术语“约”和“基本上”指的是可测量的值和范围。。

附图说明

图1是使用部件定向过程来打印3d部件的方法的流程图，其中所述部件定向过程包括本发明的表面质量评估。

图2是本发明的表面质量评估的流程图。

图3是初始定向中的示例数字模型的前部立体图。

图4是图3所示的示例数字模型的后部立体图。

图5是基于表面质量评估定向的图4和图4所示的示例数字模型的前部立体图。

图6是用于基于多个标准执行所述部件定向过程的方法的流程图，其中表面质量评估是主要标准。

图7是用于基于多个标准执行所述部件定向过程的方法的流程图，其中表面质量评估是次要标准。

图8是使用包括独立增材制造系统的部件定向过程来打印3d部件的第一示例系统。

图9是使用包括多个增材制造系统的部件定向过程来打印3d部件的第二示例系统。

图10是使用包括多个增材制造系统和基于云的服务器架构的部件定向过程来打印3d部件的第三示例系统。

图11是在图8-10所示的示例系统中使用的示例性计算机体系结构的方框图。

图12是配置为打印3d部件和支撑结构的示例性增材制造系统的正视图，用于图8-10所示的示例系统中。

图13-22是根据本发明的表面质量评估对表面质量评估的数字模型的示例视图。

具体实施方式

本发明涉及用于用增材制造系统打印3d部件的系统和方法，其包括可被用于快速预测可能提供良好表面质量的部件方向的表面质量评估。在第一实施例中，表面质量评估可用于直接建立用于定向数字模型(用于打印3d部件)的优选的打印z轴。或者，在第二实施例中，表面质量评估可以是部分方向的多准则评估的一部分，其中部件方向也可以使用一个或多个附加的可测量标准来评估，诸如支撑材料体积、构建时间、部件强度、构建后处理时间(例如，支撑件移除时间)、总体处理时间、成本等。

图1示出了使用增材制造系统从数字模型打印3d部件的示例方法10，其中包括部件定向过程。如图所示，方法10包括步骤12-24，并且最初涉及将数字模型接收到计算机(步骤12)，以及基于一个或多个可测量标准确定数字模型的优选部件方向(步骤14)。如下所述，方法10的步骤14优选地包括表面质量评估，其可以用于识别哪个部件方向可能提供最佳表面质量，和/或预测哪些部件方向可能提供差的或不可接受的表面质量(可以被消除)。

一旦确定了部件方向，数字模型可以被定向成与该部件方向匹配(步骤16)。该定向步骤可涉及为数字模型建立新的打印z轴方向，有效地使坐标系中的数字模型旋转以与新的打印z轴方向对齐。在某些情况下，最初接收到的数字模型可能已经以优选的部件方向正确定向。在这些情况下，步骤16实际上不会改变数字模型的部件方向。

一旦定向，之后数字模型可以被切割成多个层(步骤18)，生成支撑结构层(步骤20)，以及生成用于打印每个层的工具路径指令(步骤22)。然后可以将所述工具路径指令传送到增材制造系统，并且可以逐层打印对应于定向数字模型的3d部件(步骤24)。如下面的讨论将看到的，方法10的步骤特别适用于自动化的按需3d打印服务，其中客户可以提交用于打印和传输的数字模型。

图2示出了根据方法10的步骤14的用于评估基于表面质量的数字模型的示例方法26，该示例方法可以用于确定优选的部件方向。如图2所示，方法26包括步骤28-34，并且可以在任何数字模型的合适类型上执行。例如，来自标准镶嵌语言(stl)数据文件的数字模型通常包括描述其表面几何形状的多个面单元(例如，三角形面单元)。

根据方法26，数字模型的表面质量可以通过计算或以其他方式确定每个面的表面积a以及相对于每个坐标轴的面单元的相应的法线角α来确定(步骤28)，所述法线角α相当于面单元和所提出的构建表面之间的角度(步骤30)。例如，在具有彼此正交的x轴、y轴和z轴的笛卡尔坐标系中，评估过程可以产生每个面的平面角αx、αy、αz和表面积a。为了方便起见，这些平面角和表面积可以称为数字模型中“n”个总面的数据集(αx,i/αy,i/αz,i/ai)、(αx,i+1/αy,i+1/αz,i+1/ai+1)、(αx,i+2/αy,i+2/αz,i+2/ai+2)…(αx,n/αy,n/αz,n/an)。

基于这些数据组，可以计算每个坐标轴(例如dx、dy、dz)的“构建分数”(步骤32)，所述构建分数是数字模型相对于给定坐标轴表面的平均平面角，并且优选地被面单元面积加权和/或为了易于排序和比较而被归一化。然后可以比较这些构建分数，以确定哪个部件方向能提供最佳表面质量，和/或哪些部件方向能提供差的或不可接受的表面质量(步骤34)。

已经发现，对于以逐层方式打印3d部件的许多增材制造工艺，可以通过使3d部分的表面尽可能靠近打印z轴(例如，垂直打印轴)或x-y构建平面(例如，在水平构建平面中)来增加3d部件的表面质量。换句话说，倾斜的表面优选是最小化的，因为它们可以由于逐层打印而产生显着的阶梯特征。虽然这些阶梯特征通常不影响部件强度，但它们可以显着影响打印3d部件的视觉美学，这对许多应用来说非常重要。

还发现，从打印z轴的表面角偏离通常比从x-y构建平面的表面角偏离更容错。事实上，已经发现，在x-y构建平面之外以均匀的角度(例如甚至一度)取向的表面可以产生显着的阶梯特征。因此，为了改善打印的3d部件的表面质量，3d部件的表面优选地取向为(一)平行或几乎平行于打印z轴，或(二)平行于x-y构建平面。

这是构建分数对于预测可能提供良好表面质量的方向非常有效的地方。每个坐标轴(例如dx、dy、dz)的构建分数量化了相对于给定坐标轴的平面角度，优选地由它们的表面积加权。这有效地描述了数字模型的表面如何与每个坐标轴平行，允许相对于每个坐标轴进行表面质量比较。

方法26下的这种表面质量评估最好用例子来解释。图3-5示出了根据方法26(图2所示)评估表面质量的示例数字模型36。如图3和图4所示，数字模型36具有简单的三角棱镜的几何形状，其具有前倾斜表面38a、左表面38b、右表面38c、后表面38d和底表面38e，为了便于讨论，表面38c和38d各自限定了一个右等腰三角形。虽然下面参考数字模型36进行描述，但表面质量评估特别适用于具有各种复杂表面几何形状的数字模型。事实上，一些数字模型具有非常复杂的表面几何形状，使得人们可以难以或不可能直观地确定哪个方向将提供最佳的表面质量。

在一些实施例中，数字模型36可以通过镶嵌数据文件来描述，例如ascii或二进制stl数据文件，其表示表面38a-38e具有面单元40a和40b(用于前倾斜表面38a)、面单元40c(用于左表面38b)、面单元40d(用于右表面38c)、面单元40e和40f(用于后表面38d)以及面单元40g和40h(用于底面38e)。面单元40a-40h是用于描述表面38a-38e的示例性三角形面，并且分别具有单位法向矢量42a-42h。然而，任何合适的面单元几何形状(或多个不同的几何形状)可以替代地用于描述表面38a-38e。

此外，术语“面单元”可以指数字模型的单个面单元(例如，在stl数据文件中描述的)或一组在相同平面内的相邻和/或相连接的面单元(有效地限定具有相同平面角的较大表面积)。例如，如图3所示，相邻并连接并且彼此处于同一平面内的面单元40a和40b可替代地被视为具有四个角顶点的单个矩形面。或者，如下所述，可以不依赖面单元40a-40h分析数字模型36的表面，从而允许表面质量评估也应用于非镶嵌数据文件(例如非stl数据文件)。

在当前示例中，数字模型36被定向成以使其初始直立方向44平行于打印z轴。如果数字模型36的方向没有被其他方式修改，则3d部件将以相同的方向打印，并且可沿着倾斜的前表面38a显示阶梯特征。

根据方法26的步骤28，计算机可以分析一个或多个面单元40a-40h，并优选地分析每个面单元40a-40h以确定它们的表面积。假设，这个例子中数字模型36具有沿着x轴的长度为5个单位，沿着y轴的长度为1个单位，且沿z轴的高度为2个单位。则，前倾斜表面38a的总表面积为11.2个面积单位(为了便于讨论而舍入)，侧表面38b和38c的总表面积分别为1个面积单位，后表面38d的总表面积为10个面积单位，底面38e的总表面积为5个面积单位，数字模型36的总面积为28.1个面积单位。

因此，面单元40a和40b的表面积分别为5.59个面积单位，面单元40c和40f的表面积分别为1个面积单位，面单元40d和40e的表面积分别为5个面积单位，并且面单元40g和40h的表面积分别为2.5个面积单位。如下所述，面单元40a-40h的表面积可以基于它们的顶点坐标位置来计算。

面单元40a-40h提供了一种方便的机制，用于将数字模型36的每个表面分割成更小的子区域用于评估。然而，计算机可以替代地分析数字模型36的表面，基于每个表面的其他预定义子区域，而不依赖于面单元40a-40h。例如，表面38a-38e可以作为表面积的函数被整合。如上所述，这在数字模型36由非镶嵌数据文件描述的应用中是有益的。

根据方法26的步骤30，计算机还可以分析一个或多个面单元40a-40h，更优选分析每个面单元40a-40h(或其他整合区域)，以确定它们相对于每个坐标轴的平面角度。

面单元40a-40h或其他集成区域的平面角可以分别根据它们的单位法向矢量42a-42h确定。可以从stl数据文件中提取单位法线向量42a-42h，或者更优选地，基于面单元40a-40h(或其他整合区域)的顶点坐标位置计算。在一些实施例中，可以基于面单元40a-40h的顶点坐标位置来计算单位法线向量42a-42h，然后可选地与stl数据文件中列出的单位法向量进行比较，以识别stl数据文件中的任何数据差异。

在当前的示例中，面单元40a具有单位法向矢量42a，其在y轴平面内垂直于x轴延伸，相对于y轴为26.6度，相对于z轴为63.4度。这样，面40a的平面角和表面积可以由数据集(αx，i/αy，i/αz，i/ai)以角度表示为(90°/26.6°/63.4°/5.59)或以弧度表示为(1.571/0.464/1.11/5.59)。

在一些优选实施例中，相对于给定坐标轴的角度或弧度接近零度的平面角(例如，小于约0.05,0.03，或甚至0.01的弧度)可被90度值替换。例如，面单元40c的平面角度和表面积最初可以由数据集以角度表示为(0°/90°/90°/1)，或以弧度表示为(0/1.571/1.571/1)。然而，αx的值优选地被替换为90度或弧度(0)值，使得面单元40c的平面角和表面积可以由数据集以角度表示为(90°/90°/90°/1)或以弧度表示为(1.571/1.571/1.571/1)。

如上所述，打印的3d部件的表面优选地取向为(一)平行于或几乎平行于打印z轴，或(二)平行于x-y构建平面。将相对于给定坐标轴的角度或弧度接近于0的平面角以90度值(或接近90度的值)替代，以允许平行于给定轴的面单元平面角被视为垂直的面单元平面角，其能够捕获将平行于x-y构建平面的部件表面。如果另外省略了此修改，则表面质量评估将不考虑平行于x-y构建平面的表面。

此外，由于表面质量评估依赖于相对于坐标轴的平面角的大小，因此角度的正向或负向优选地被忽略(即，基于它们的绝对值)。如下表1所示，可以对数字模型36的每个剩余面单元重复该过程，其中所有角度基于它们的绝对值(即，无负角)：

表1

然后，计算机可以计算每个坐标轴dx、dy、dz的构建分数，优选地作为由表面积加权的平均面单元平面角(或整合的面积平面角)，且其可以可选地归一化为任何平面相对于数字模型10的坐标轴和/或总表面积定向的最大角度(方法26的步骤32)。在一些实施例中，每个坐标轴的构建分数可以通过以下公式计算：

其中dp是给定坐标轴的构建分数，例如dx、dy、dz，并且是各个面分数αp，iai/r的积分或加和。因此，对于上述具有x轴、y轴和z轴的笛卡尔坐标系，公式1可以由以下等式表示：

虽然在此参考笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴来描述表面质量评估，表面质量评估也可以用附加的(或备选的)坐标轴实现，例如相对于x轴、y轴和z轴中的每一个为30度、45度和/或60度的轴。这可以进一步提高识别可能提供最佳表面质量的方向的准确性。或者，可以使用任何合适的坐标系，诸如笛卡尔坐标系、极坐标系等。

公式1-4中的关系r可以包括用于规范构图分数的任何合适的值。例如，关系r可以包括数字模型36的总表面积amodel，用于归一化面单元40a-40h的各个表面积。关系r也可以(或者可替换地)归一化为任何面单元相对于坐标轴定义的最大角度，称为anglemax。

如上所述，用于关系r的这两个参数使得构建分数处于0和1之间的范围内，以便于排名和比较。因此，公式1可以由以下公式表示：

and公式s2-4mayberepresentedbythefollowing公式s:

且公式2-4可以由以下公式表示：

在当前的例子中，数字模型(amodel)的总表面积为28.1个面积单位，并且任何面单元可以相对于坐标轴定向的最大角度(anglemax)为90度或1.571弧度(即，零或九十度的反余弦)。根据表1和公式6-8中列出的计算值，x轴(dx)的构建分数为1.000，y轴(dy)的构建分数为0.720，z轴(dz)的构建分数为0.883。

在替代实施例中，相比于依赖于面单元分数αp，iai/r的线性关系，每个面单元分数可以被分配一个非线性值，例如进一步强调倾斜表面对表面质量的影响的对数分数。例如，公式5可以用以下表达式代替：

其中f(αp，iai/r)是面单元分数αp，iai/r的非线性函数，例如在0.000和0.500之间的面单元分数的值为“1”，在0.500和0.750之间的面单元分数的值为“2”，0.750和0.900之间的面单元分数的值为“3”，0.900和0.950之间的面单元分数的值为“4”，0.950和1.000之间的面单元分数的值为“5”。非线性函数和值范围中的特定变量可以根据期望的非线性关系而变化。在任何情况下，非线性值进一步强调了关于(i)平行或几乎平行于打印z轴、或(ii)平行于x-y构建平面定向的表面偏好。

然后可以根据方法26的步骤34比较所得到的构建分数，如上所述，在一些实施例中，可以识别最高的构建分数，其对应于可能为大多数几何形状打印3d部件提供最佳表面质量的部件方向。或者，如下所述，可以识别低于最小表面质量的构建分数，并且用于消除具有低表面质量的部件方向以避免在多准则评估下被选择。

在一些实施例中，构建分数也可以被分组形成次序表，例如，构建分数可以被分组形成以下次序表，其范围为0.0≤dp＜0.5(一星级),0.5≤dp＜0.7(二星级),0.7≤dp＜0.9(三星级),and0.9≤dp＜1.0(四星级)。这些次序表可以快速比较潜在构建方向之间的相关部件质量。

另外，在其他实施例中，构建分数和/或单个面单元分数可以图形化显示，例如用彩色图像或数字模型36的其他数字表示。一个特别合适的应用涉及显示数字模型36，其中每个面单元基于其各自的面单元分数着色(例如，高分的绿色，低分的红色)。如果需要，计算机还可以允许用户在数字模型36被操纵时旋转或枢转所述模型并查看面单元中的颜色变化。实际上，这可以提供有趣和交互的用户体验，允许用户查看构建分数和/或面单元分数，并且可选地为数字模型36选择期望的方向。

也可以使用任何其他合适的机制显示构建分数和/或面单元分数。例如，可以以能够描绘相对表面质量的虚拟层线显示每个方向中的数字模型36(例如，倾斜表面的阶梯效应)。这可以进一步增强用户体验并提供更高级别的信息，以允许用户为数字模型36选择所需的方向。

在一些另外的实施例中，如果需要，方法26的步骤30-34可以可选地针对附加坐标轴重复。例如，一旦在步骤34中识别出最高构建分数，则计算机可以确定面单元40a-40h中的每一个相对于一个或多个附加坐标轴(例如在x轴附近)的平面角。这可以使用任何合适的逻辑来执行，例如以迭代方式、递归方式和/或随机方式。这允许计算机识别任何非主坐标轴是否可以提供较高的构建分数。

一旦识别出最高构建分数，计算机就可以根据方法10的步骤16定向数字模型36，使得具有所识别的最高构建分数的坐标轴被设置在新的打印z轴上。如图3所示，由于原始x轴在当前示例中具有最高的构建分数，所以数字模型36可以被定向(例如旋转)，使得原始x轴与打印z轴对齐。这通过初始直立的方向箭头44的方向进一步示出，该方向箭头44水平地指向x-y构建平面。

从图3中可以看出，数字模型36的这种方向直观地是用于以具有最佳表面质量的打印3d部件的正确方向。特别地，数字模型36的每个表面平行于打印z轴(表面38a、38d和38e)或平行于x-y构建平面(表面38b和38c)。没有相对于打印z轴或x-y构建平面以倾斜角度定向的表面以产生阶梯特征。相比之下，如果选择y轴或z轴作为新的打印z轴，则一个或多个表面将以相对于打印z轴和/或x-y构建平面的倾斜角度定向。如上所述，这可能潜在地导致可以降低表面质量的阶梯特征。

可以将该方向的数字模型36切割成多层(方法10的步骤18)，生成支撑结构层(方法10的步骤20)，并且生成用于打印每个层的工具路径指令(步骤22方法10)。然后可以将刀具路径指令传送到增材制造系统，并且可以以逐层的方式打印与图3中的定向数字模型36相对应的3d部件(方法10的步骤24)。

在图1-3的示例中讨论的步骤针对的是数字模型36仅基于方法26的表面质量评估来定向的过程。然而，如上所述，在其他实施例中，数字模型36的优选部件取向也可以基于其他可测量标准来确定，例如支撑材料体积、构建时间、部件强度、构建后处理时间(例如，支持移除时间)、整体处理时间、成本等。

图5a和5b示出了基于多个可测量标准(包括表面质量)来评估数字模型的示例方法，并且还可以用于根据方法10的步骤14来确定优选的部件取向。为了便于讨论，基于对给定应用程序的相对重要性，可以将多个标准分组为一个或多个“主要标准”和一个或多个“次要标准”。例如，在按需3d打印服务中，支撑材料体积和/或构建时间通常是客户最重要或主要的标准，因为它们直接影响成本和交付时间。在这种情况下，表面质量和部件强度对客户来说可能不那么重要，并被表征为二级标准。

或者，在其他应用中，例如用于艺术或建筑时，表面质量是非常重要或主要的标准，且支撑材料体积、构建时间和/或部件强度可被表征为次要标准。此外，在工业应用中，部件强度可以是主要标准，且支持材料体积、建造时间和/或表面质量可以被表征为次要标准。

在任何情况下，次要标准仍然可用于确定优选的部件方向。例如，不考虑其主要标准值，可以从竞争中消除低于次要标准的最低可接受阈值的部件方向。因此，根据具体应用，方法26的表面质量评估可以被用作主要标准或次要标准。图6着重于方法26(具有步骤48-54)，其中方法26的表面质量评估是主要标准，图7着重于方法56(具有步骤58-64)，其中表面质量评估是次要标准。

如图6所示，方法46首先涉及将表面质量评估作为主要标准的数字模型，其中根据方法26执行表面质量评估(步骤48)。这可以为每个评估的坐标轴提供构建分数，如上所述。然后，计算机可以基于一个或多个次要标准评估数字模型，例如支撑材料体积、构建时间、部件强度、构建后处理时间(例如，支持移除时间)整体处理时间、成本等(步骤50)。这优选地为每个坐标轴的构建得分提供一个或多个次要标准结果。

然后，计算机可以将所述次要标准结果与最小可接受阈值进行比较，以消除对于给定次级标准是不可接受的任何部件取向(步骤52)。例如，如果基于部件强度评估数字模型，则计算机可以将每个坐标轴的部件强度结果与最小可接受的部件强度阈值进行比较。如果任何部分方向的部分强度低于该阈值，则可以从可用的部件方向中消除它们，而忽视其各自的构建分数。

然后，计算机可以从剩余的方向中选择与最高构建分数相对应的部分方向，然后根据方法10的步骤16将数字模型定向成使具有所选的最高构建分数的坐标轴被设置在新的打印z轴上。可以看出，方法46允许使用一个或多个次要标准评估来补充表面质量评估，同时尽可能提供良好的表面质量，以消除对于打印3d部件而言是不可接受的部件取向。

图7示出了方法56，该方法具有与方法46相反的情况，其中表面质量评估是次要标准。如图所示，方法56可以初始地涉及基于一个或多个主要标准评估数字模型，例如支撑材料体积、构建时间、部件强度、构建后处理时间(例如，支持移除时间)、整体处理时间、成本等(步骤58)。这可以为评估的每个方向(例如，基于每个坐标轴)提供主要标准结果。

据此，还可以根据方法26(图2所示)评估数字模型的表面质量，从而提供所评估的每个坐标轴的构建分数(步骤60)。然后，计算机可以将构建分数与最小可接受的表面质量阈值进行比较，其中低于该阈值的构建分数与太低以至不能接受的表面质量相关联。例如，取决于具体应用，最小可接受阈值可以对应于约0.6、约0.7、约0.8和/或约0.9的构建分数。

如果任何部分方向的构建分数低于该阈值，则无论主要标准结果如何，计算机都可以消除这些部分方向避免其被选择(步骤62)。如果需要，步骤60和62可以可选地重复一个或多个附加次要标准(例如，部分强度)，以进一步消除不可接受的方向。然后，计算机可以基于主要标准结果从剩余方向中选择优的选部分方位(步骤64)。

表2-4中的以下示例用于解释方法56的应用，其中支撑材料体积作为主要标准，表面质量作为次要标准。用于确定支撑材料体积的优选技术包括nehme等人在美国专利us8,818,544中所讨论的技术。从该操作获得的结果可以为六个方向(例如)提供支持材料体积(和预期构建时间和相关价格报价)，其中六个方向可以基于x轴、y轴和z轴的正和负方向。

下表2列出了根据六个示例方向的支撑材料体积计算获得的示例支撑材料体积，以及根据方法26的表面质量评估获得的相应构建分数。

表2

如表2所示，方向2提供最低的支撑材料体积。然而，方向1和2可能产生具有相对低的表面质量的3d部件，如其低构建分数所示。因此，计算机可以将构建分数(次要标准)与预设的可接受的表面质量阈值进行比较，例如，构建分数值为0.6。在这种情况下，计算机可以消除方向1和2，因为它们低于可接受的表面质量阈值。然后，计算机可以基于剩余的可用部件方向(在这种情况下为方位5)来选择优选的部件方向，并相应地定向数字模型。

可选地(或附加地)，表面质量评估可被用作根据其主要标准结果相等的两个或更多个方向之间的连接中断器。下表3列出了从用于六个示例方向的支撑材料体积计算获得的另一示例支撑材料体积，以及从本发明的表面质量评估获得的相应构建分数。

表3

如表3所示，方向2和5各自提供相同的最低支撑材料体积。因此，计算机可以比较方向2和5的构建分数(次级标准)，以查看哪个方向能提供更好的表面质量。在这种情况下，与方向2相比，方位5具有明显更好的构建分数。计算机可将方位5识别为优选部件方向，并相应地定向数字模型。

这些实施例的其它变体也可以应用。例如，每个标准可以根据其相对重要性被赋予加权值，然后可平衡加权标准以识别用于打印的整体最佳的部分取向。这在两个或更多个方向在主要标准下具有相似(但不同的)值，但具有显著不同的表面质量构建分数的情况下是有用的。下面的表4列出了从用于六个示例方向的支撑材料体积计算获得的另一示例支撑材料体积，以及从本发明的表面质量评估获得的相应构建分数。

表4

如表4所示，方向2提供最低的支撑材料体积，方向5提供第二低的支撑材料体积，其与最低值类似但不相同。在这种情况下，无论主要和次要标准之间的任意合理的权重比率(例如，10：1的比例)，方向2和5的支持材料体积之间的小差异都超过其构建分数之间的显著差异。因此，计算机然后可以将方位5识别为优选部分取向，并相应地定向数字模型。

方法10、26、46和56下的技术适用于任何增材制造系统或多个系统(例如，增材制造系统的处理机)。例如，如图8所示，方法10、26、46和56的步骤可以由计算机66执行，计算机66可以用作独立的增材制造系统68的主计算机。例如，计算机66可以通过一个或多个通信线路70与系统68进行通信。在一些方面，计算机66可以在系统68内部，例如系统68的内部控制器组件的一部分。

或者，如图9所示，计算机66可以用作多个增材制造系统68的本地服务器。例如，系统68可以是制造消费者或工业oem产品的整个生产系统的一部分。因此，计算机66并且可以执行方法10、26、46和56的步骤，并且还可以执行一个或多个附加处理步骤，诸如运行时间估计、打印机排队、后处理排队等。如图所示，计算机66可以可选地包括与每个系统68相关联的一个或多个服务器72和一个或多个专用主计算机74，其中服务器72可以通过一个或多个通信线路76(例如网络线路)与主计算机74通信。

在另一个实施例中，如图10所示，计算机66和系统68可以是按需服务中心的一部分。在该实施例中，计算机66可以用作基于云的服务器，例如，客户可以通过一个或多个网络或通信线路80向计算机66(例如，到服务器72)通过因特网从他们的个人计算机78提交数字模型(例如，stl数据文件)。

在本申请中，计算机66可以执行方法10、26、46和56的步骤，以及一个或多个附加处理步骤，例如支撑材料体积计算、价格报价、运行时间估计、打印机排队、后处理排队、运送估计等。例如，在一些实施例中，如nehme等人在美国专利us8,818,544中所讨论的，计算机66可产生支撑材料体积计算、建造时间和价格报价。服务中心还可以包括一个或多个后打印站(例如，支撑移除站、表面处理站、出货站等，未示出)，其中计算机66还可以可选地与后打印站通信。

本发明的关于评估过程的接下来的讨论将参考计算机66进行，其理解为评估过程的步骤可以由单个计算机系统执行或由多个计算机系统共同执行，如本领域技术人员所理解的。因此，如本文所使用的术语“计算机”是指一个或多个计算机系统，例如一个或多个个人计算机、笔记本电脑、本地服务器、

图11示出了计算机66的示例性架构。如图所示，计算机66可以包括任何合适的基于计算机的硬件，例如用户接口82、存储器控制器84、处理器86、存储介质88、输入/输出(i/o)控制器90和通信适配器92。计算机66还可以包括常规计算机、服务器、媒体设备、信号处理设备和/或打印机控制器中包含的各种附加组件。

用户界面82是被配置为操作计算机66的一个或多个用户操作的接口(例如，键盘、触摸板、触摸屏显示器、显示器监视器以及其他眼睛、语音、移动或手动控件)。存储器控制器84是将计算机66的组件与存储介质88的一个或多个易失性随机存取存储器(ram)模块连接的一个或多个电路组件。处理器86被配置为操作计算机66，可选地具有存储器控制器84，并且优选地具有相关处理电路(例如，可编程门阵列、数字和模拟组件等)的一个或多个计算机处理单元。例如，处理器86可以包括一个或多个基于微处理器和/或基于微控制器的单元、一个或多个中央处理单元和/或一个或多个前端处理单元。

存储介质88是用于计算机66的一个或多个内部和/或外部数据存储设备或计算机存储介质，例如易失性ram模块、只读存储器模块、光学介质、磁介质(例如，硬盘驱动器)、固态介质(例如，闪速存储器和固态驱动器)、模拟介质等。存储介质88可以保留一个或多个预处理和/或后处理程序(未示出)，例如用于执行方法10的步骤12-22。

i/o控制器90是与存储器控制器84、处理器86和存储介质88接口的一个或多个电路组件，其具有计算机66的各种输入和输出组件，包括用户界面82和通信适配器92。通信适配器92是被配置为通过通信线路70和80进行通信的一个或多个有线和/或无线发射器/接收器适配器。

从计算机66到系统68的组件的命令可以通过用户界面82、存储器控制器84、处理器86、存储介质88、输入/输出(i/o)控制器90、通信适配器92和/或其他合适的硬件和软件实现，如本领域技术人员所理解的。

在使用期间，存储介质88可以接收并保留要被系统68打印的数字模型的一个或多个数据文件，例如数字模型94。如上所述，数字模型94的数据文件优选地包括描述其表面几何形状的多个面单元。每个面单元包括作为单位向量的法向量n(即，在数值公差内的长度或幅度为1)，并且在笛卡尔坐标系中具有由以下公式描述的三个坐标分量：

每个法向量还优选地允许沿着如以下表达式所描述的任何轴确定面单元的方向：

此外，面单元的法向量与每个坐标轴之间的角度可以通过以下公式来描述：

其中“abs”是指所得角度的绝对值，以忽略角度的正或负方向，如上所述。例如，假设nx为0.2857，ny为0.4286，nz为0.857，法向量的长度为1(数值公差范围内)，面单元的法向量与x轴的角度αx为1.2811弧度，面单元的法向量与y轴之间的角度αy为1.1279弧度，面单元的法向量与z轴的角度αz为0.5412弧度。如上所述，在一些优选实施例中，角度或弧度为0的角可以用最小角度

因此，根据方法26的步骤30，计算机66可以确定相对于数字模型94的每个坐标轴的面单元角，其优选地对于数字模型94的每个面单元执行。如上所述，可以从stl数据文件中提取每个面单元的法向量和/或基于它们的顶点坐标位置计算。每个面单元包括至少三个顶点，其中三角形面单元具有三个顶点，其中端点优选地被排序以表示单位法向量，并且其可以由以下公式描述：

其中“m”是顶点数(例如，对于三角形面单元为1，2或3)。这也优选地意味着由面单元正交交叉的任何面单元的两侧的交叉乘积应该产生零长度向量(在数值公差内)。例如，数字模型94的三角形面单元的等式15可以通过以下示例公式来描述：

这样，计算机66可以根据面单元(和/或从stl数据文件中的法向量数据)的顶点坐标位置确定每个面单元相对于数字模型94的每个坐标轴的平面角。这为数字模型94中的“n”个面单元提供了平面角(αx,i/αy,i/αz,i),(αx,i+1/αy,i+1/αz,i+1),(αx,i+2/αy,i+2/αz,i+2),…(αx,n/αy,n/αz,n)。

另外，根据方法26的步骤28，计算机66还可以确定数字模型94中每个面单元的表面积。例如，计算机66可以指代每个面单元顶点的坐标位置，并且可以使用以下表达式来计算给定顶点的表面积：

a²＝||v2-v1||²＝(vx，2-vx，1)²+(vy，2-vy，1)²+(vz，2-vz，1)²(公式17)

b²＝||v3-v2||²＝(vx，3-vx，2)²+(vy，3-vy，2)²+(vz，3-vz，2)²(公式18)

c²＝||v1-v3||²＝(vx，1-vx，3)²+(vy，1-vy，3)²+(vz，1-vz，3)²(公式19)

[r²s²t²]＝sortd[a²b²c²](公式20)

其中公式19中的[r²s²t²]是以降序排序的序列[a²b²c²]，使得a²≥b²≥c²。使用公式17-20的排序值，可以通过以下公式计算表面积：

将等式17-21应用于每个面单元的顶点为数字模型94中的“n”个面单元提供了表面积ai，ai+1，ai+2，...an，并且还可以提供数字模型94的总表面积amodel，其是面单元表面积ai，ai+1，ai+2，...an的总和。根据在公式16中描述的示例顶点到公式17-21中的表达式提供以下内容：

a²＝(-3)²+(2)²+(0)²＝13

b²＝(0)²+(-2)²+(1)²＝5

c²＝(3)²+(0)²+(2)²＝10

[r²s²t²]＝sortd[13510]＝[13105]

因此，具有在公式16中描述的顶点的示例面单元具有3.5个单位的表面积。计算机66保存所得到的面单元数据集(αx，i/αy，i/αz，i/ai)，(αx，i+1/αy，i+1/αz，i+1/ai+1)，(αx，i+2/αy，i+2/αz，i+2/ai+2)，...(αx，n/αy，n/αz，n/an)，以及存储介质88上的数字模型94的总表面积amodel作为一个或多个数据文件96和98。

据此，计算机66可以根据公式1-9中的一个或多个计算每个坐标轴dx、dy、dz的构建分数，如上述针对方法26的步骤32所讨论的。计算机66可将存储媒体88上得到的构建分数保存为一个或多个数据文件100。

在计算机44还基于其他标准，例如支撑材料体积、构建时间、部件强度等，评估数字模型94的实施例中，这些评估结果的结果也可以保存在存储介质88上，例如在一个或多个数据文件102、104和106(和/或任何其他标准评估的数据文件)下。此外，用于比较多个标准的值和功能，例如最小表面质量阈值、其他最小标准阈值、标准权重或相对权重等也可以作为一个或多个数据文件108存储在存储介质88上。在操作期间，当比较多个标准(例如，在方法46的步骤52或方法56的步骤62下)时，计算机66可以参考数据文件108中的信息。

在数字模型94基于评估被定向之后，定向的数字模型也可以作为一个或多个数据文件110保存在存储介质88上，其可以替换数字模型94的数据文件或者是作为单独的数据文件。在一些实施例中，数据文件110还可以包括定向的数字模型94的一个或多个图形表示。例如，如上所述，在一些实施例中，构建分数和/或单个面单元分数可以图形化显示，例如数字模型94的彩色图像或其他数字表示(例如，对于高面单元分数为绿色，而对于低面单元分数为红色)。

然后，根据方法10的步骤18-22，计算机66可以将定向的数字模型切割成多个层，生成支撑，并生成工具路径指令。该数据作为一个或多个数据文件112被保存到存储介质88。计算机66将数据文件112发送到一个或多个系统68(例如，经由通信线路70)，以基于定向的数字模型打印一个或多个3d部件(和任何相关联的支持结构)。

图12示出了用于基于定向的数字模型(例如，数据文件110中的定向数字模型)的基于层的增材制造技术来打印或以其他方式构建3d部件和支撑结构的示例系统68。用于系统68的合适的增材制造系统包括由stratasys公司、edenprairie、mn以商标“fdm”开发的熔融沉积建模系统。或者，系统10可以是任何合适的增材制造系统，例如基于挤出技术、喷射、选择性激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔化、数字光处理(dlp)、立体光刻、选择性激光熔化、直接激光金属烧结和静电放电工艺。

在所示示例中，系统68包括腔室114、压板116、压板机架118、一个或多个打印头120、头架122和消耗组件124。腔室114是包含用于打印3d部件126和支撑结构128(基于数据文件110和112中的定向数字模型和刀具路径指令)的压板116的示例构建环境，其中腔室114可以可选地被省略和/或替换为不同类型的构建环境。例如，3d部件126和支撑结构128可以建立在对环境条件开放的构建环境中，或者可以用替代结构(例如，柔性幕布)包围。

在所示示例中，腔室114的内部体积可以用加热器130加热，以降低部件和支撑材料在挤出和沉积之后固化的速率(例如，以减少变形和卷曲)。加热器130可以是用于加热室114的内部体积的任何合适的装置或组件，例如通过辐射加热和/或通过循环加热的空气或其它气体(例如惰性气体)。在替代实施例中，加热器130可以用例如冷却单元的其它调节装置代替以产生和循环冷却空气或其它气体。构建环境的特定热条件可以根据所使用的特定消耗材料而变化。

压板116是一个平台，3d部件126和支撑结构128以层叠的方式打印在该平台上，并由压板机架118支撑。在一些实施例中，压板116可以接合并支撑构建基板，其可以是如dunn等人在美国专利us7,127,309中所发明的托盘基底；可以由塑料、瓦楞纸板或其他合适的材料制成；并且还可以包括柔性聚合物膜或衬垫、油漆胶带、聚酰亚胺胶带、粘合剂层压体(例如涂布的胶水)或用于将沉积材料附着到压板116或构建衬底上的其它一次性制造。在一些实施例中，压板116和/或构建基板可以被加热，例如用一个或多个电阻加热元件。

压板机架118是被配置为沿着(或基本沿着)打印z轴(例如垂直的打印z轴)移动压板116的机架组件，如上所述，可以是与最高构建分数相关联的坐标轴。台式机架118可以与一个或多个电动机(例如，步进电机和编码的dc电动机)、齿轮、滑轮、皮带、螺钉、机器人臂等一起操作。

打印头120是一个或多个挤出或沉积头，其被配置为从用于在台板116上打印3d部件126和支撑结构128的消耗组件124接收消耗性长丝(例如，经由导管132和132)。打印头120可以可选地由头架122与托架134保持。托架134优选地以防止或限制打印头120相对于x-y构建平面中的滑架134的移动的方式保持每个打印头120，但允许打印头120被可控地移出x-y构建平面(例如，通过线性或枢转的方式被伺服、锁紧或以其它方式切换)。

用于打印头120的合适装置的示例以及打印头120、头架120和托架134之间的连接包括在crump等人的美国专利us5,503,785、swanson等人的美国专利us6,004,124、labossiere等人的美国专利us7,384,255和us7,604,470、leavitt的美国专利us7,625,200、batchelder等人的美国专利us7,896,209、和comb等人的美国专利us8,153,182中发明的那些。在一些实施例中，打印头120是可互换的单喷嘴打印头，用于每个打印头120的合适装置的示例，以及打印头120、头架122和托架134之间的连接包括在swanson等人的美国专利us8,419,996中发明的那些。在这些实施例中，打印头120可以与托架134可拆卸地互换，例如用卡扣配合机构。

在所示实施例中，头架120是被配置为平行于(或基本上平行于)平台116上方的水平x-y构建平面移动托架134(和保持的打印头120)的机器人机构，其被构造成将平行于。用于头架120的合适的机架组件的示例包括在swanson等人的美国专利us6,722,872和在comb等人的美国发明us2013/0078073中发明的那些，其中头架122还可以支撑限定腔室114的顶棚的可变形挡板(未示出)。虽然被示出为桥式台架，头架120可以利用任何合适的机器人机构来移动托架134(和保留的打印头120)，例如通过一个或多个电动机(例如，步进电机和编码的dc电动机)、齿轮、滑轮、皮带、螺钉、机器人手臂等。

在一些替代实施例中，压板116可以被配置为在腔室114内的水平x-y平面中移动，并且托架134(和打印头120)可以被配置为沿z轴移动。还可以使用其它类似的布置，使得压板116和打印头120中的一个或两个可相对于彼此移动。台板116和托架134(和打印头120)也可以沿着不同的轴线定向。例如，压板116可以垂直定向，打印头120可以沿x轴或y轴打印3d部件126和支撑结构128。在另一示例中，压板116和/或托架134(和打印头120)可以在非笛卡尔坐标系中，例如在极坐标系中相对于彼此移动。

消耗组件124可以包含用于打印3d部件126和支撑结构128的部件和支撑材料的物资，并且每个部件和支撑材料包括容易装载的、可移除的和可更换的容器装置。每个消耗组件124可将消耗性细丝保持在卷绕的卷轴、无卷线盘或其它供应装置上，如在swanson等人的美国专利us7,374,712、taatjesatal等人的美国专利us7,938,356、mannella等人的美国专利us2013/0161432和us2013/0161442、和batchelder等人的美国专利us2014/0158802中所讨论的。消耗组件124可以包括任何合适的介质类型，例如长丝、粉末、颗粒、块等。例如，在消费材料以粉末形式提供的实施例中，容器部分22可以被一个或多个料斗代替，例如在bosveld等人的美国专利us

系统68还可以包括控制器136，其是被配置用于操作系统68的组件的一个或多个基于计算机的系统和/或控制电路，例如基于从系统68接收工具路径指令(在数据文件112中)。在打印操作期间，控制器136可以命令压板机架118将压板116移动到腔室114内的预定高度。控制器136命令头架122将托架134(和保留的打印头120)移动到腔室114上方的水平的x-y平面中。控制器136还可以命令打印头120选择性地将可消耗长丝(或其它可消耗材料)的连续段从消耗组件124和导管132中拉出。

然后将每个可消耗长丝的连续片段在相应的打印头120的液化器组件中熔化以产生熔融材料。丝的向下运动作为粘性泵以挤出熔融材料作为挤出物。在离开打印头120时，所得到的挤出物可以作为一系列用于以层叠方式打印3d部件124或支撑结构126的路径而沉积在压板116上。例如，3d部件124或支撑结构126可以通过生成位于彼此叠置的二维截面图形中的沉积路径中的连续的层的方式以三维打印或其它方式构建。在打印操作完成之后，可以从腔室114移除得到的3d部件126和支撑结构128，并且可以从3d部件126移除支撑结构128。然后，3d部件126可以根据需要经历一个或多个附加的后处理步骤。

所得到的3d部件126因此被定向在与数字模型94相同的方向上。基于本发明的表面质量评估，3d部件126的表面优选地尽可能接近于打印z轴或系统68的x-y构建平面。换句话说，3d部件126的任何倾斜表面优选地被最小化以减少或消除阶梯特征的形成。这可以显着地改善用于许多应用中的3d部件126的表面质量。

示例

在以下实施例中更具体地描述本发明内容，其仅作为说明，因为在本发明的范围内的许多修改和变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。

对于实施例1-10的数字模型，根据方法26(图2所示)进行表面质量评估，其分别在图13-22中示出。使用公式6-15和17-21进行评估，并得出每个坐标轴(即，x轴，y轴和z轴)的构建分数。下表5列出了每个实施例1-10的对应图、构建分数和确定的打印轴。识别的打印轴是对应于最高构建分数的轴，并且是预测最可能提供最佳表面质量的轴。

表5

如表5和图13-22所示，构建分数和识别的打印轴能够预测最可能提供最佳表面质量的部件方向。例如，如图所示，当圆柱的端部在水平的x-y平面中对准时，图19中的圆柱形模型通常具有最佳的表面质量。

构建分数结果的一个例外是图22中的圆环形模型。构建分数预测环形模型应该被定向成使得x轴或y轴与打印轴对齐。然而，为了获得最佳的表面质量，环形模型通常被定向成使得z轴与打印轴对齐。这说明了表面质量规则可能不适用的情况。然而，如图13-21所示，对于大多数数字模型几何形状，方法26的表面质量评估能够准确地预测哪些部位方向能提供良好的表面质量。这对于具有复杂的表面几何形状(例如，如图13-18所示的示例1-6)的数字模型特别有益，使得人们难以或不可能直观地确定哪个方向将提供最佳表面质量。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将了解可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节上的改变。