相关申请的交叉引用
本申请是2015年4月10日提交的美国专利申请第14/684,126号的延续案并且要求该美国专利申请的权益，而该美国专利申请是2015年2月6日提交的美国临时申请第62/113,280号的非临时申请并且要求该美国临时申请的权益。出于所有目的，以上申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术：
在添加制造和三维(3d)打印领域中，常规系统包括将挤出物沉积在表面或平面(2d)上，以便“绘制”正在被打印的三维对象的层。一层又一层地构建对象，直到对象完成。这样的硬件从3d成像软件接收指令，其中，3d成像软件类似于由建筑和设计工程师使用的那些软件，并且其附加特征是软件将要打印的对象的参数“切片”，并且将关于每一层的指令发送至在两个轴上移动同时将“绘制”每一层的材料进行沉积的cnc(计算机化数字控制)机器。在完成每一层后，机器将下一层沉积在先前层之上。该过程持续直到三维对象完成为止。
一些现有系统仅可以创建单色对象。其他现有系统能够创建具有多于一种颜色(和/或灰度图案)的对象，但是这些系统具有各种缺点。因此，需要用于生成三维对象中的图像的新系统和方法。
附图说明
图1a是示出包括由像素阵列限定的图像的三维对象的实施方式的示例性透视和放大图。
图1b是示出包括由像素阵列限定的图像的三维对象的另一实施方式的示例性透视和放大图。
图2a至图2c是示出像素阵列的示例实施方式的示例性图。
图3是示出具有着色的像素的线或具有着色的像素的实施方式的示例性图。
图4a至4d示出了图3的线的示例实施方式。
图5a至5d示出了按照进一步的实施方式的线。
图6示出了包括布置在壳体内的一对轮子的沉积模块，沉积模块被配置成将线沉积在基板上。
图7a示出了包括喷墨打印组件的线挤出机的实施方式的侧视图和放大图。
图7b示出图7a的线喷墨组件的放大图。
图8a示出了包括喷墨打印组件的线挤出机的实施方式的侧视图和放大图。
图8b示出了图8a的喷墨组件的放大图。
图9是用于生成包括图像的三维对象的方法的流程图。
图10a至10c示出了按照各种实施方式可以用于生成圆形层的分别的示例线路径。
图11a至11d示出了具有着色的像素的线的或具有着色的像素的另外的示例实施方式。
应该注意，出于说明的目的，附图不是按比例绘制的，并且贯穿附图相似结构或功能的元件通常由相同的附图标记表示。还应该注意，附图仅意在便于优选实施方式的描述。附图并未示出所描述的实施方式的每个方面，并且不限制本公开内容的范围。
具体实施方式
由于目前可用的添加制造和3d打印系统在创建三维对象中的图像时是有缺陷的，因此用于生成三维对象中的图像的新系统和方法可以证明是期望的并且为广泛的应用如生成三维对象中的着色图像提供了基础。
例如，本文描述的各种实施方式包括：生成具有多个着色段(称作“像素”)的线，然后将线布置成当沉积时生成与图像匹配的像素阵列的图案。然而，与由着色像素的平面阵列限定的二维数字图像不同，本文描述的各种实施方式可以利用3d打印技术在打印的三维对象上和/或内生成图像。换句话说，通过将像素化的线选择性地沉积在层中以形成三维对象，三维对象可以包括期望的图像。
图1a示出了包括在对象100a的外表面101上的图像105的打印的对象100a(杯子)的示例。如放大图110a所示，图像105由像素阵列115限定，像素阵列115包括按照行125进行布置的多个着色像素120。在各种实施方式中，行125可以包括线300的平行部分或段(例如如图3所示并且在本文中详细描述的)。
图1b示出了包括在对象100b的外表面101上的图像105的打印的对象100b(玩偶的头)的另一示例。如放大图110b所示，图像105由像素阵列115限定，像素阵列115包括按照行125进行布置的多个着色像素120。在各种实施方式中，行125可以包括线300的平行部分或段(例如如图3所示并且在本文中详细描述的)。
尽管本文讨论的各种实施方式可以涉及包括多个着色像素120的像素阵列115，但是进一步的实施方式可以包括任何合适的成像方法，包括黑白、灰度等。此外，可以使用任何合适的颜色模型方法，包括cmyk(青、品红、黄、黑)、rgb(红、绿、蓝)、孟塞尔颜色系统、hsb(色相、饱和度、明度)、hls(色相、亮度、饱和度)、索引颜色、lab(亮度、红/绿、黄/蓝)、自然颜色系统(ncs)、半色调着色、双色调等。此外，在各种实施方式中可以使用任何合适的颜料、着色剂或纹理。例如，金属比如铬、银、金等可以存在于在像素120中。因此，应该清楚，本文描述的任何示例实施方式不限于在本发明的范围和精神内的许多可替选的实施方式。
可以以各种合适的方式配置像素阵列115，并且图2a至图2c示出了像素阵列115的三个示例实施方式。图2a至图2c示出了包括布置在多个行125中的多个像素120的像素阵列115。行125由行边界210分隔开，并且像素120中的每一个由在行125内的像素边界220分隔开。
在图2a的实施方式中，像素120具有统一的尺寸并且像素边界220以对齐的配置示出。在图2b的实施方式中，像素120具有统一的尺寸并且像素边界220以偏移的配置示出。在图2c的实施方式中，像素120具有非统一的尺寸并且像素边界220以对齐的和偏移的配置示出。
因此，在各种实施方式中，像素阵列115的像素120可以具有统一的或非统一的尺寸，并且行125之间的像素边界220可以是对齐的和/或偏移的。在一些实施方式中，像素120可以是非统一，具有有限数目的尺寸。例如，像素120可以具有两种尺寸——大的和小的。在这样的实施方式中，大小像素120可以以图案布置，或者可以是随机的或非统一的配置。
因此，尽管一些实施方式示出了按照行125进行布置的阵列115的像素120，但是进一步的实施方式可以包括按照列进行布置的像素120。在进一步的实施方式中，可以没有行或列布置，并且像素可以按照任何其他合适的统一的、非统一的或图案化的布置打包。
可以以各种合适的方式限定像素阵列115的行125。例如，图3示出了线300，其包括由相应的像素边界220分隔开的多个像素120。在该非限制性示例中，像素120包括黑、白、黄、品红、青的颜色。
尽管图3示出了线300的一个实施方式，其中像素120跨越线300的全宽或周边，但是在进一步的实施方式中，像素120未跨越线300的全宽或周边。例如，像素110可以包括围绕线300的宽度或周边的着色部分。
图11a示出了实施方式，其中圆形像素110围绕圆柱形线300的周边均匀布置，像素120设置在背景1150上。尽管图11a示出了偏移图案中的圆形像素110，但是该布置仅是在本发明的范围和精神内的许多可能的实施方式之一。例如，像素110可以按照任何合适的图案(例如对齐的、偏移的等)布置，并且可以限定一个或更多个形状，包括圆形、椭圆形、正方形、三角形、矩形等。在各种实施方式中，软件可以生成在本文描述的或在本发明的范围或精神内的像素110的任何合适的布置。图11b示出了实施方式，其中非统一的尺寸和形状的像素110围绕圆柱形线300的周边非均匀地布置，像素120设置在背景1150上。
图11c示出了具有围绕线300的宽度的多个像素110的矩形线300的实施方式。在该示例实施方式中，像素110跨越线300的边缘1160的两侧，其中四个像素110围绕线300的给定宽度布置在由边界120分隔开的相应的行中。图11d示出了具有围绕线300的周边的多个像素110的圆柱形线300的另一示例实施方式。在该示例实施方式中，围绕线300的给定周边在由边界120分隔开的相应的行中布置有四个像素。
可以以各种合适的方式配置线300。例如，图4a示出了包括由像素边界220分隔开的多个像素120的线300的一个实施方式，其中每个像素120由像素体400限定，并且像素边界120通过相邻的像素体400的相应的顶端401和底端402的耦接来限定。
图4b示出了包括由像素边界220分隔开的多个像素120的线300的另一实施方式，其中每个像素120由像素体400限定。像素边界120由位于相邻的像素体400的相应的顶端401与底端402之间的边界体410限定。
在一些实施方式中，边界体410可以包括与像素体400相同的材料，但是在一些实施方式中，边界体410可以包括与像素体400不同的材料。在一些实施方式中，边界体可以是硬化成固体的液体，或者可以是插入各个像素体400之间的固体。此外，尽管边界体410被示为比像素体400更暗，但是在各个实施方式中，边界体410可以是任何合适的颜色，或者可以是透明的、半透明的等。此外，尽管本文描述的各种实施方式涉及离散的像素，但是进一步的实施方式可以包括具有扩散的、渐变的、模糊的、过渡的等的边界的像素。
图4c示出了线300的进一步的实施方式，该线300包括由像素边界220分隔开的多个像素120，其中每个像素120由像素体400限定，并且像素边界120由相邻的像素体400的相应的顶端401和底端402的耦接来限定。像素体400还包括由像素体限定的腔430。
按照各种实施方式，这样的腔430可以是任何合适的尺寸或形状。在一些实施方式中，腔430可以完全在像素体400的内部，但是在进一步的实施方式中，像素体400可以包括一个或更多个孔口(未示出)，其提供进出腔430的通道。
如本文更详细地描述，在各个实施方式中，可以通过将着色剂(例如流体、固体、粉末等)布置在腔430中来对线300进行着色。在一些实施方式中，可以经由由像素体400限定的一个或更多个孔口(未示出)来引入着色剂，并且在一些实施方式中，可以对像素体400进行穿孔，并且可以经由小孔将着色剂添加到腔430(例如可以将着色剂注入腔430中)。
图4a至4c示出了实施方式，在该实施方式中，线300包括可以被耦接以生成连续线300的多个离散像素体400。可以以任何合适的方式——包括粘合剂、焊接、边界体410等——实现像素体400的耦接。在进一步的实施方式中，像素体400可以经由磁体、相应的耦接结构(例如摩擦配合、舌榫、钩和环等)、穿过或围绕多个像素体400的一个或更多个线或丝材、外壳或任何其他合适的耦接方法或结构进行耦接。
相反，在一些实施方式中，线300可以包括如图4d所示的连续体450。在这样的实施方式中，体450的各部分可以以本文描述的各种合适的方式着色，包括喷墨打印、染色、电致变色、光致变色、热致变色、喷射、激光打印、冲压、静电喷涂将颜料引入体450等。
尽管图3和图4a至图4d示出了拉长的和圆柱形的线300的实施方式，但是进一步的实施方式可以包括具有各种合适形状、尺寸和轮廓的线300和/或像素体400。例如，在一些实施方式中，线300可以包括分别如图5a和图5b示出的多个立方体像素体400。在一些实施方式中，线300可以包括分别如图5c和图5d示出的多个球形或卵形像素体400。
此外，线300可以包括任何合适的材料，包括尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs塑料)、树脂、金属、陶瓷、石膏等。在一些优选实施方式中，线300可以包括可挤出的热塑性聚合物。
包括多个像素体400的线300可以用于以各种合适的方式生成着色对象100(例如图1a和图1b)。例如，图6示出了包括布置在壳体605内的一对轮子610的沉积模块600。轮子610被配置成可旋转地接触线300，轮子610将线300拉入料斗615并且促使线300从喷嘴620出来，其中线300沉积在基板625上。沉积模块600还可以包括加热元件630，该加热元件630被配置成加热线300中的离开喷嘴620的部分，这可以熔化在线300的该部分中的像素体400。这样的熔化可以使沉积的像素体635变平坦，并且可以使沉积的像素体635与基板625耦接。加热元件630可以以各种合适的方式生成并提供热，包括经由热风鼓风机、电加热线圈、感应加热、激光、灯泡等。
在各种实施方式中，线300可以经由任何合适的方法加热，使得线300可挤出(例如加热至线300处于流动性的范围内的温度，在线处于流动性的范围内的情况下加热的线300可以以期望的方式被挤出)。在各种实施方式中可以使用任何合适的加热挤出过程，包括熔融沉积成形(fdm)、熔融丝材制造(fff)、塑料喷射打印(pjp)等。然而，这些使用热的三维打印的实施方式不应被解释为限制本发明的范围，并且一些实施方式可以使用任何合适的冷的或非热的三维打印方法或技术。
在各种实施方式中，壳体605和/或基板625可以被配置成在一维或更多维上移动，这可以促进像素体400选择性地沉积在基板625上或在存在于基板625上的像素体400上。换句话说，沉积模块600可以用于添加制造和/或三维(3d)打印应用，以创建三维着色对象100，如图1a中示出的杯子和图1b中示出的玩偶的头。通过选择性地沉积像素体400，沉积模块600可以生成像素阵列115，阵列115可以生成图1a和图1b所示的对象100上的图像105。
在一些实施方式中，线300可以在挤出过程期间被着色。例如，图7a示出了包括壳体705的线挤出机700的实施方式，该壳体705包括将馈线300a馈送到壳体705中的馈送器710。馈线300a穿过挤出头715并且从喷嘴720穿出作为挤出线300b。在该示例中，当线300穿过挤出机700时，线300被修改以形成挤出线300b。
喷嘴720的特写视图725示出了喷嘴720可以包括喷墨系统721，喷墨系统721被配置成对线300着色并且生成线300中的像素110(参见图1a和图1b)。在该示例中，喷墨系统721被配置用于cmyk着色，并且包括分别将青色、品红色、黄色和黑色墨馈送到相应的喷射器735c、735m、735y、735k的墨馈送器740c、740m、740y、740k。如图7b所示，喷射器735被配置成在线300穿过打印室730的同时经由相应的喷射器头745c、745m、745y、745k来压印线300。
按照各种实施方式，馈线300a可以在挤出机壳体705内被加热，并且模制成较窄的线300，随后如上所述线300经由上述喷墨系统721被着色。在进一步的实施方式中，各种其他合适的系统可以着色或以其他方式改变线300。例如，在一些实施方式中，可以将液体或固体颜料(例如粉末)引入打印室730中的线300。例如，可以经由例如喷射、滚轴或其他合适的方法引入这样的颜料。
在一些实施方式中，线300可以在挤出过程之后被着色。例如，图8a示出了包括壳体805的线挤出机800的另一实施方式，该壳体805包括将馈线300a馈送到壳体805中的馈送器810。馈线300a穿过挤出头815并且从喷嘴820穿出作为挤出线300b。在该示例中，当线300穿过挤出机800时，线300被修改以形成挤出线300b。然后，挤出线通过喷墨系统821以生成着色线300c。
如特写视图825所示，喷墨系统821可以被配置成对线300着色并且生成挤出线300b中的像素110(参见图1a和图1b)。在该示例中，喷墨系统821被配置用于cmyk着色，并且包括分别将青色、品红色、黄色和黑色墨馈送到相应的喷射器835c、835m、835y、835k的墨馈送器840c、840m、840y、840k。如图8b所示，喷射器835被配置成经由相应的喷射器头845来压印线300，这示出了在黑色喷射器835k的底部的特写视图中的黑色喷射器835k的喷射器头845。
如图7a和图8a所示，一些实施方式可以包括线300的热挤出。进一步的实施方式可以包括冷挤出或任何其他合适的过程。此外，这样的挤出机可以可移动地被配置成将挤出的线定位在基板625上(参见图6)，基板625可以或还可以不被配置成可移动。如本文所讨论的，通过将挤出线300选择性地沉积在基板625上和/或已经沉积在基板625上的线300上，这样的挤出机可以被配置成生成三维对象100(参见图1a和图1b)，所述三维对象100包括由沉积的线300限定的像素阵列115的像素120限定的图像105。
此外，尽管在挤出期间和挤出之后的喷墨被示为线300的着色的一些示例，进一步的实施方式可以包括：将粉末或液体颜料与正在挤出的材料混合(在挤出之前、之后或期间)；在挤出物已经被挤出之后和在其已经被沉积之后对挤出物进行喷墨；按照与颜色串的期望次序一致的序列向挤出机馈送合适量的不同颜色的线材料；将永久光致变色材料用于挤出物并且将不同频谱的光应用于挤出线300的各部分，以便获取期望的颜色序列；将永久电致变色材料用于挤出物并且将不同的放电应用于挤出线300的各部分，以便获取期望的颜色序列；将永久热致变色材料用于挤出物并且将不同温度应用于挤出线300的各部分，以便获取期望的颜色序列等。
除了可以用于生成包括图像105的三维对象100的设备硬件和材料之外，进一步的实施方式可以针对用于设计这样的对象100并驱动各种设备以生成这样的对象100的方法和软件产品。例如，图9是用于生成包括图像105的三维对象100的方法900的流程图。
该方法开始于框910，在框910中获取三维对象规格。例如，在一些实施方式中，可以在计算机辅助制图(cad)环境中设计三维对象，并且以各种合适的格式存储它们的规格，其中，各种合适的格式包括iges(初始化图形交换规格)、jt(由西门子plm软件)、parasolid(由shapedata/西门子plm软件)、prc(产品表示紧凑)、step(国际标准化组织(iso)#10303)、光固化立体造型术/标准镶嵌语言(stl)、通用3d(3d工业论坛)、vrml(虚拟现实建模语言)等。因此，在一些实施方式中，用户可以生成3d图像，而在其他实施方式中，用户可以从另外的源(例如下载文件、3d扫描等)获取三维对象的规格。
在框920中，获取了与对象相对应的图像数据。例如，这样的图像数据可以以如上所述的文件格式或者另外的格式呈现。如上所述，用户可以生成他们自己的图像，或者可以从另外的源获取图像。
在一个实施方式中，用户可以使用cad程序来设计三维对象和/或将图像与三维对象相关联。例如，在一些实施方式中，用户可以绘制或以其他方式对三维图像进行着色。在另一实施方式中，用户可以导入现有的图像并且将其与三维对象相关联。在其他实施方式中，用户可以获取并使用现有的对象和图像数据。
在框930中，确定用于生成对象的线路径。例如，在添加制造和3d打印领域，可能需要将与三维对象相关的数据转换成用于打印或另外地制作主体三维对象的指令。例如，在材料的线300的冷挤出或热挤出的情况下，可以生成喷嘴620、720、820(参见图6、图7a、图7b和图8)可以相对于基板625行进的路径(参见图6)等，以用线300生成三维对象。换句话说，可以确定有关将线300沉积在基板625上何处和/或已经沉积在基板上的材料(例如挤出线300或其他材料)上何处。在各种实施方式中，这样的转换可以包括从3dcad格式(例如如上所述)到g代码(由麻省理工学院设计)、step-nc(iso#10303、#10303-238以及#14649)或任何其他合适的数控(nc)编程语言的转换。
在各种实施方式中，线路径可以包括额外地生成三维对象的多个水平切片或层。然而，在进一步的实施方式中，线路径可以是任何合适的形式，包括垂直切片、在多个方向或角度的切片等。线路径对于整个三维对象可以基本上是连续的，或者可以包括一个或更多个部分，其中线300的沉积在一个位置终止并且然后在另一位置再次开始。
在框940中，生成将创建与三维对象相关联的图像的线像素规格。例如，除了确定将在何处沉积线300以物理地生成三维对象之外，可以做出关于线300的染色的确定，使得当沉积线300时，线300生成由线300的邻近像素110限定的像素阵列115(参见图1a和图1b)，使得像素阵列115生成期望的图像105。
在各种实施方式中，设计线300可以包括确定将形成对象的线300的每个像素的染色或着色。在一些实施方式中，这样的设计可以基于线300的宽度或直径、沉积时线300的预期宽度或直径、包括线300的材料等。在一些实施方式中，设计线300可以包括选择像素颜色、像素颜料、像素添加剂、像素纹理、像素透明度、像素长度、像素宽度、线宽、像素形状、线形状、像素材料等。
在一些实施方式中，可以有益的是，识别将在对象的外部部分(在一些实施方式中包括孔、腔、小孔等)的线300的部分，并且可以仅选择性地对线300的这样的部分着色或染色，因为如果对象的外部部分基本上不透明，则对象和线300的内部部分可能不可观察。这会是有益的，因为可以节省用于对象中的从外部不可看到的部分的着色材料和/或染色材料。
然而，在一些实施方式中，对象和线300的各部分可以是透明的和/或半透明的，并且对对象中的非外部部分的部分进行着色或染色可能是有益的。例如，在一些实施方式中，可以期望对对象的内部部分进行染色或着色，使得其看起来像在对象内悬浮的实体对象(例如像保存在琥珀中的蜘蛛)，以生成分层的图像，以具有受保护的内部图像层等。
在如上所述线300的一些部分被着色并且线300的其他部分未着色这样的实施方式中，可能需要确定线路径(参见例如图9中的框930)，其中着色部分被以尽可能连续且尽可能长的组为单位进行沉积。这对于提高最终图像的准确性和质量会是可取的。
例如，参照图10a至图10c，存在可以生成三维对象(在本示例中是圆)的层或切片的各种方式。图10a示出了示例沉积路径1001，其中通过沉积多个不同长度的垂直的列直到形成圆而生成圆。在这样的实施方式中，如果仅圆的外部部分被着色而内部部分没有被着色，则这样的着色部分将仅是在每个垂直的列的开始和结束处是小部分。因此，在一些实施方式中，这样的线路径可能不是期望的。
相反，图10b和图10c示出了线路径1002和1003的实施方式，其中可以首先(或最后)沉积圆的外周。例如，图10b示出了路径1002，其中首先沉积圆的外部分，然后经由沉积在其中的越来越小的同心圆来沉积圆的内部部分。在替选实施方式中，可以首先形成内部同心圆，然后可以最后沉积圆的外部部分。
类似地，图10c示出了路径1003，其中首先沉积圆的外部分，然后经由多个平行线沉积圆的内部部分。在替选实施方式中，可以首先形成内部平行线，以及可以最后沉积圆的外部分。
对于如图10b和10c所示的这样的路径，其中仅圆的外部部分被着色而内部部分没有被着色，这样的线路径1002、1003首先(或在替选实施方式中最后)沉积所有着色的线，然后最后(或在替选实施方式中首先)沉积非着色的内部线。如上所述，在一些实施方式中，这可能是期望的。
所描述的实施方式易于进行各种修改和替选形式，并且其特定示例已经通过附图中的示例的方式示出，并且在本文中详细描述。然而，应当理解，所描述的实施方式不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本公开内容涵盖所有修改、等同物和替选物。