光固化型三维打印方法和设备与流程

本发明涉及光固化型三维打印方法和设备，尤其是涉及光固化型三维打印设备的图像曝光系统。

背景技术：

三维打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，三维打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成各种形状复杂的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

目前三维打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光固化树脂被紫外激光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。

图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。这一三维打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。

然而，光固化树脂在固化过程会有一定的收缩，收缩率一般在2-8％，其产生的收缩应力对周围的光固化树脂产生作用力。当大面积树脂一并固化时，这种应力会十分显著，从而导致固化后树脂出现翘曲、变形。尤其是，对于大面积的表面，如果其周围有一些较细小的支持物件，将被表面收缩改变原来位置，影响打印精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化型三维打印方法和设备，可以改善光固化树脂在大面积表面处的变形问题。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：获得打印对象的三维模型数据；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；在各岛型区域与该底壳区域之间划定分隔区域；在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域，在第二时期曝光各分隔区域，该第一时期早于该第二时期。

在本发明的一实施例中，该第二时期的至少一部分和该第一时期重叠。

在本发明的一实施例中，该第二时期和该第一时期不重叠。

在本发明的一实施例中，对该三维数据模型从底层开始的数层，同时曝光整层。

在本发明的一实施例中，在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域的步骤包括：将各岛型区域与该底壳区域分为互补的第一图案和第二图案，且通过该第一时期的第一子时期曝光该第一图案，通过该第一时期的第二子时期曝光该第二图案。

在本发明的一实施例中，在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域的步骤包括：将该底壳区域分为互补的第一图案和第二图案，且通过该第一时期的第一子时期曝光该第一图案，通过该第一时期的第二子时期曝光该第二图案；通过该第一时期的第一子时期和第二子时期曝光各岛型区域。

在本发明的一实施例中，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。

在本发明的一实施例中，每一方格的一维尺寸为2-20个像素。

在本发明的一实施例中，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。

在本发明的一实施例中，每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。

在本发明的一实施例中，该支持部位于该三维模型的边缘。

如权利要求1所述的方法，其特征在于，该支持部位于该三维模型的非边缘。

本发明提出一种光固化型三维打印设备，包括：用于获得打印对象的三维模型数据的模块；用于将该三维数据模型划分为多层的模块；用于对该三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域的模块；用于在各岛型区域与该底壳区域之间划定分隔区域的模块；用于控制图像曝光系统在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域，在第二时期曝光各分隔区域的模块，该第一时期早于该第二时期。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过识别那些大面积底壳区域以及已成型的支持部连接的岛型区域，在二者间划定分隔区域。在曝光时先曝光其它区域，再曝光分隔区域，从而尽量减小大面积区域整体曝光时的收缩对支持部造成的牵拉应力问题。同时，本发明将大面积区域的曝光分成至少两次曝光，每次曝光时对互不相邻的小区域进行曝光，显著降低了大面积区域曝光固化时的收缩累积。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。

图2示出本发明第一实施例的光固化型三维打印方法流程图。

图3a示出根据本发明一实施例的三维数据模型。

图3b示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图。

图4a、4b示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。

图5示出本发明第二实施例的光固化型三维打印方法流程图。

图6示出本发明第三实施例的光固化型三维打印方法流程图。

图7示出本发明第四实施例的光固化型三维打印方法流程图。

图8示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。

图9a和图9b示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。

图10示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。

图11a和图11b示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。

具体实施方式

本发明的实施例描述一种光固化型三维打印方法，可以降低光固化树脂在大面积固化时产生的内应力，从而改善了打印工件翘曲和变形的程度。

图1示出光固化型3d打印设备的基本结构。这一3d打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层光固化树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光固化树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。

图像曝光系统120可以照射光束图像至光固化树脂，形成所需的曝光图案。图像曝光系统120可以使用能够形成光束图像的各种已知技术。

举例来说，在一个实施例中，图像曝光系统120可以使用数字光处理(digitallightprocession,dlp)投影技术。dlp投影成像技术是使用数字微镜元件(digitalmicromirrordevice,dmd)控制对光的反射来实现的。数字微镜元件可视为一镜面。这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。

在另一个实施例中，图像曝光系统120还可以使用液晶(lcd)投影技术。液晶面板中包含了许多像素，每个像素可以单独控制偏振光的偏振方向，配合液晶面板两侧的偏振光滤光器可控制某一像素的光线是否通过，因此经过液晶面板系统的光束是图像化的。

光固化型3d打印设备100输入的是打印对象的三维数据模型，再将三维数据模型分解成许多二维图像，将这些图像发送给图像曝光系统120后，由后者进行投影。

许多三维模型例如建筑和镂空雕塑都具有复杂的结构。在这些三维模型中，各种支持部，尤其是细小支持部对模型的精度有显著的影像。然而用于支持大面积底壳的支持部很容易受到大面积底壳在曝光时的收缩而变形。根据本发明的实施例，将大面积底壳的不同区域在不同的时期进行曝光，从而显著减小大面积底壳在曝光时的收缩程度。

根据本发明的实施例，对三维数据模型进行区域划分所需的预处理后，再发送给图像曝光系统120，从而让图像曝光系统120进行曝光。

第一实施例

图2示出本发明第一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图2所示，方法包括如下步骤：

在步骤201，获得打印对象的三维模型数据；

在步骤202，将三维数据模型划分为多层；

在步骤203，对三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；

在步骤204，在各岛型区域与底壳区域之间划定分隔区域；

在步骤205，在曝光各岛型区域与该底壳区域时，在第一曝光时期曝光各分隔区域以外的区域，在第二曝光时期曝光各分隔区域，该第一曝光周期早于该第二曝光时期且二者不重叠。

图3a示出根据本发明一实施例的三维数据模型。参考图3a所示，三维数据模型300是一个房屋模型，具有基础301、多个柱子302和屋顶303。图3a示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图，如图3b步骤202是将例如三维数据模型300分为多个层310、320、330、……、560。用于在3d打印时进行一次树脂固化，生成一层光固化树脂。固化的顺序例如是从310开始，依次为320、330、直至560。每个层的二维平面可以包含几十到几百个，甚至更多像素。

图4a、4b示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。首先参考图4所示，步骤203是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490和500中识别底壳区域311和岛型区域312。底壳区域311是各层490、500中作为三维数据模型300的底壳的区域。这一区域是裸露在三维数据模型300下表面的。底壳区域311的法向厚度例如为1-5层，图中示出2层。底壳区域311的尺寸需要达到一阈值。例如底壳区域311的面积需要达到阈值s。当然，还可以规定底壳区域311的某一个方向的尺寸需要达到某一阈值。岛型区域312是用于支撑底壳区域311的支持部(在本实施例中为四个柱子302)在底壳区域所在层占据的区域。岛型区域312与其对应的支持部连接。每个底壳区域311可由对应的支持部支撑(图中示出4个柱子中的2个)，因而岛型区域312也会有一个或者多个。各个支持部可以位于三维模型300的边缘，也可以位于三维模型300的非边缘。

在识别一个层的底壳区域311和岛型区域312时，可将该层与其前一层比较，该层中未被前一层遮挡的部分为底壳区域，当这一区域的尺寸达到阈值时即为步骤203所要识别的结果。另外，被该底壳区域所侧向包围的区域为岛型区域，意味着该区域与前一层的支持部连接。

继续参考图4b所示，在步骤204，在各岛型区域312与底壳区域311之间划定分隔区域313。分隔区域313用于将各岛型区域312与底壳区域311隔开。分隔区域313的宽度例如是2-10个像素。分隔区域313可以是全部分割自底壳区域311。这样，底壳区域311相应缩小了。或者，分隔区域313可以是部分分割自各岛型区域312，而部分分割自底壳区域311。这样，底壳区域311和各岛型区域312相应缩小了。

如步骤205，在曝光各岛型区域312与底壳区域311时，先在第一曝光时期曝光各分隔区域313以外的区域，包括底壳区域311和岛型区域312(图4b中斜线阴影和点阴影部分)，然后在第二曝光时期曝光各分隔区域313。也就是说，第一曝光时期早于第二曝光时期。

在步骤205中，设备可以控制图像曝光系统120在曝光各岛型区域与该底壳区域时，在第一曝光时期曝光各分隔区域以外的区域，在第二曝光时期曝光各分隔区域，该第一曝光时期早于该第二曝光时期。

在本实施例中，由于在第一曝光时期所曝光的底壳区域311和岛型区域312已经分离，因此大面积的底壳区域311的收缩不会影响到各岛型区域302，从而也就不会影响前一层中与本层的岛型区域312连接的支持部。相比之下，在第二曝光时期，分隔区域303的尺寸很小，其收缩对支持部的影响很小。

上文描述的曝光过程仅涉及大面积底壳区域311和被其包围的岛型区域312，本层的其他区域可以按照已有或者其他方式进行。例如，其他区域可以在第一曝光时期曝光，或者在第二曝光时期曝光，或者同时在第一曝光周期曝光和第二曝光周期曝光并辅以合适的曝光强度控制。

在本实施例中，第一曝光时期和第二曝光时期完全不重叠，即第一曝光时期结束后，第二曝光时期才开始。

另外，考虑到连接强度以及模型和平台131的可靠连接，在三维模型300开始的数层的曝光中，可以不使用本实施例的方法。也就是说，各层可以在同一曝光周期整体曝光。

第二实施例

图5示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图5所示，方法包括如下步骤：

在步骤501，获得打印对象的三维模型数据；

在步骤502，将三维数据模型划分为多层；

在步骤503，对三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；

在步骤504，在各岛型区域与底壳区域之间划定分隔区域；

在步骤505，在曝光各岛型区域与该底壳区域时，在一个曝光时期的曝光各分隔区域以外的区域，第二曝光时期曝光各分隔区域，第一曝光时期早于第二曝光时期且二者部分重叠。

图3a示出根据本发明一实施例的三维数据模型。参考图3a所示，三维数据模型300是一个房屋模型，具有基础301、多个柱子302和屋顶303。图3b示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图，如图3b所示，步骤502是将例如三维数据模型300分为多个层310、320、330、……、560。用于在3d打印时进行一次树脂固化，生成一层光固化树脂。固化的顺序例如是从310开始，依次为320、330、直至560。每个层的二维平面可以包含几十到几百个，甚至更多像素。

图4a、4b示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。首先参考图4所示，步骤503是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490和500中识别底壳区域311和岛型区域312。底壳区域311是各层490、500中作为三维数据模型300的底壳的区域。这一区域是裸露在三维数据模型300下表面的。底壳区域311的法向厚度例如为1-5层，图中示出2层。底壳区域311的尺寸需要达到一阈值。例如底壳区域311的面积需要达到阈值s。当然，还可以规定底壳区域311的某一个方向的尺寸需要达到某一阈值。岛型区域312是用于支撑底壳区域311的支持部(在本实施例中为四个柱子302)在底壳区域所在层占据的区域。岛型区域312与其对应的支持部连接。每个底壳区域311可由对应的支持部支撑(图中示出4个柱子中的2个)，因而岛型区域312也会有一个或者多个。各个支持部可以位于三维模型300的边缘，也可以位于三维模型300的非边缘。

在识别一个层的底壳区域311和岛型区域312时，可将该层与其前一层比较，该层中未被前一层遮挡的部分为底壳区域，当这一区域的尺寸达到阈值时即为步骤503所要识别的结果。另外，被该底壳区域所侧向包围的区域为岛型区域，意味着该区域与前一层的支持部连接。

继续参考图4b所示，在步骤504，在各岛型区域312与底壳区域311之间划定分隔区域313。分隔区域313用于将各岛型区域312与底壳区域311隔开。分隔区域313的宽度例如是2-10个像素。分隔区域313可以是全部来自底壳区域311。这样，底壳区域311相应缩小了。或者，分隔区域313可以是部分分割自各岛型区域312，而部分分割自底壳区域311。这样，底壳区域311和各岛型区域312相应缩小了。

在步骤505中，设备可以控制图像曝光系统120进行曝光。

在本实施例中，由于在第一曝光时期所曝光的底壳区域311和岛型区域312已经分离，因此大面积的底壳区域311的收缩不会影响到各岛型区域312，从而也就不会影响前一层中与本层的岛型区域312连接的支持部。在第二曝光时期，分隔区域313的尺寸很小，和312同时曝光的311和312由于已经经过曝光和收缩，在增加曝光强度的过程中，其收缩量也已经很小，其收缩对支持部的影响很小。

在本实施例中，第一曝光时期和第二曝光时期是部分重叠，即第一曝光时期结束前，第二曝光时期已经开始。甚至，第一曝光时期持续到第二曝光时期结束。在这一过程中，先在第一曝光时期曝光各分隔区域313以外的区域，包括底壳区域311(图4b中斜线阴影部分)和岛型区域312(图4b中点阴影部分)；当第一曝光时期持续一定时间(例如一半)时，开始第二曝光时期，曝光分隔区域313(图4b中空白部分)；最后，第一曝光时期和第二曝光时期一起结束。

上文描述的曝光过程仅涉及大面积底壳区域311和被其包围的岛型区域312，本层的其他区域可以按照已有或者其他方式进行。例如，其他区域可以在第一曝光时期曝光，或者在第二曝光时期曝光，或者同时在第一曝光时期曝光和第二曝光时期曝光并辅以合适的曝光强度控制。

另外，考虑到连接强度，在三维模型300开始的数层的曝光中，可以不使用本实施例的方法。

对于体积较大的打印对象来说，大面积的曝光仍然会有收缩和发热的问题，因此在本发明的较佳实施例中，进一步引入分区曝光的技术。

第三实施例

图6示出本发明第三实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图6所示，方法包括如下步骤：

在步骤601，获得打印对象的三维模型数据；

在步骤602，将三维数据模型划分为多层；

在步骤603，对三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；

在步骤604，在各岛型区域与底壳区域之间划定分隔区域；

在步骤605，将该底壳区域分为互补的第一图案和第二图案；

在步骤606，通过第一曝光时期的第一子时期曝光底壳区域的第一图案和各岛型区域，通过该第一曝光时期的第二子时期曝光底壳区域的第二图案和岛型区域；也就是说，本步骤将底壳区域的曝光进一步分为两个阶段，而岛型区域的曝光仍然为一个阶段。

在步骤607，在第二曝光时期曝光各分隔区域，该第一曝光时期早于该第二曝光时期。

图8示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。参考图8所示，本实施例的第一图案81和第二图案82为棋盘格80中对角的方格。第一图案81和第二图案82是互补的，各由互不连接的等大小方格组成。在此，方格的大小可以自行定义。例如每一方格的一维尺寸为2-20个像素。

图9a和图9b示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。参考图9a和图9b所示，在第一曝光时期中，第一子时期是先曝光底壳区域的第一图案81，第二子时期再曝光底壳区域的第二图案82，当然顺序可以相反。不考虑层间影响的话，第一子时期由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二子时期的曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但总体有改善。

图10示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图10所示，本实施例图案中第一图案101被井字形条纹隔开的方格，第二图案102为井字形条纹。在此，井字形条纹的距离，线宽均可定义。例如每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。

图11a和图11b示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图11a和图11b所示，在第一曝光时期中，第一子时期是先曝光底壳区域的第一图案101，第二子时期再曝光底壳区域的第二图案102。不考虑层间影响的话，第一子时期曝光方格，由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二曝光时期曝光的收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但井字形条纹相对方格很小，这一影响可以忽略。

在步骤506和507中，设备可以控制图像曝光系统120进行曝光。

第四实施例

图7示出本发明第四实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图6所示，方法包括如下步骤：

在步骤701，获得打印对象的三维模型数据；

在步骤702，将三维数据模型划分为多层；

在步骤703，对三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；

在步骤704，在各岛型区域与底壳区域之间划定分隔区域；

在步骤705，将各岛型区域与底壳区域分为互补的第一图案和第二图案；

在步骤706，通过第一曝光时期的第一子时期曝光各岛型区域与底壳区域的第一图案，通过该第一曝光时期的第二子时期曝光各岛型区域与底壳区域的第二图案；也就是说，本步骤将各岛型区域与底壳区域的曝光进一步分为两个阶段。

在步骤707，在第二曝光时期曝光各分隔区域，该第一曝光时期早于该第二曝光时期。

在此，第一曝光时期和第二曝光时期的时间可以相同，也可以不相同。

图8示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。参考图8所示，本实施例的第一图案81和第二图案82为棋盘格80中对角的方格。第一图案81和第二图案82是互补的，各由互不连接的等大小方格组成。在此，方格的大小可以自行定义。例如每一方格的一维尺寸为2-20个像素。

图9a和图9b示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。参考图9a和图9b所示，在第一曝光时期中，第一子时期是先曝光各岛型区域与底壳区域的第一图案81，第二子时期再曝光各岛型区域与底壳区域的第二图案82，当然顺序可以相反。不考虑层间影响的话，第一子时期由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二子时期的曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但总体有改善。

图10示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图10所示，本实施例图案中第一图案101被井字形条纹隔开的方格，第二图案102为井字形条纹。在此，井字形条纹的距离，线宽均可定义。例如每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。

图11a和图11b示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图11a和图11b所示，在第一曝光时期中，第一子时期是先曝光各岛型区域与底壳区域的第一图案101，第二子时期再曝光各岛型区域与底壳区域的第二图案102。不考虑层间影响的话，第一子时期曝光方格，由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二子时期曝光的收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但井字形条纹相对方格很小，这一影响可以忽略。

在步骤706和707中，设备可以控制图像曝光系统120进行曝光。

在前文的各实施例中，三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。这一位移可以是随机的。

从另一角度看，本发明提出一种光固化型三维打印设备，包括：用于获得打印对象的三维模型数据的模块；用于将该三维数据模型划分为多层的模块；用于对该三维数据模型的至少部分层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域的模块；用于在各岛型区域与该底壳区域之间划定分隔区域的模块；用于在第一时期曝光各岛型区域与该底壳区域，在第二时期曝光各分隔区域的模块，该第一时期早于该第二时期。

本发明上述实施例的方法通过识别那些大面积底壳区域以及与先曝光的支持部连接的岛型区域，在二者间划定分隔区域。在曝光时先曝光其它区域，再曝光分隔区域，从而尽量减小大面积区域整体曝光时的收缩对支持部造成的牵拉应力问题。同时，本发明将大面积区域的曝光分成至少两次曝光，每次曝光时对互不相邻的小区域进行曝光，显著降低了大面积区域曝光的收缩累积。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。