立体打印方法以及立体打印装置与流程

本发明涉及一种打印方法，尤其涉及一种立体打印方法以及立体打印装置。

背景技术：

在立体打印技术中，当所欲成型的立体模型存在悬空区域(即所述立体模型于该处相对于平台存在空间)时，立体打印装置需要同步的在悬空区域以及平台之间立体打印出支撑结构，其中所述支撑结构是由多个支撑件以及支撑点所构成，以避免悬空区域造成立体模型在结构上发生应力集中或变形的情况。

所述立体模型通常会先依照对应于该模型的表面的特定角度从该模型的表面的支撑点来生长支撑头，接着再通过所述支撑头来生长多个支撑件。值得注意的，在现有技术中，当立体模型依照该模型的表面来生长支撑头时，立体打印装置较无法弹性地选择支撑头的角度，进而使所述支撑头在生长的过程中较容易接触到所述立体模型。此外，当立体模型依照特定角度来生长支撑头，并且当此特定角度与所述立体模型的表面法线方向的夹角过大时，由于所述支撑头与模型表面的接触面积相对较大，因此将容易造成所述立体模型的表面被破坏。

另一方面，在现有技术中，通常会使所述支撑件通过至少一个支撑尾来连接至模型。当通过单一个支撑尾来连接至模型时，所述支撑尾通常需要较大的直径。在此情况下，当需将所述支撑结构从模型上移除时，支撑尾对于该模型的表面的破坏性相对较大。此外，当通过多个支撑尾来连接至模型时，由于这些支撑尾通常会在靠近支撑件的末端才会开始生长，因此，这些支撑尾选择连接至模型的表面的接触角度将会有所限制，进而无法寻找到最佳的所述接触角度。

针对决定支撑件的决定方式，通常需花费大量的运算时间，进而影响处理器的运算时间。因此，如何有效地优化合并支撑点以及支撑件的技术并改善所述支撑头以及支撑尾的缺点，藉以提升立体打印的速度与品质，将是本领域开发人员的主要课题。

技术实现要素：

本发明提供一种立体打印方法以及立体打印装置，用以打印具有悬空区域的立体模型。

本发明提出一种立体打印方法，用于立体打印装置，立体打印装置用以打印立体模型以及用以支撑立体模型的支撑件以使得立体模型成形于平台，支撑件连接对应于立体模型的支撑点。立体打印方法包括：对包含立体模型的空间执行体素化操作以获得对应于空间的多个体素；选择多个体素中包括支撑点中的第一支撑点的第一体素；根据第一体素决定多个合并节点中的第一合并节点，其中第一合并节点位于多个体素中的第二体素；根据第一支撑点以及第一合并节点打印支撑件中的第一支撑件，其中第一支撑件具有第一子支撑件以及第二子支撑件，第一子支撑件的第一端连接第一合并节点，第二子支撑件的第一端连接第一合并节点且第二子支撑件的第二端连接第一支撑点。

本发明提出一种立体打印装置包括平台、打印头以及处理器。打印头用以打印立体模型以及支撑立体模型的支撑件于平台，其中支撑件连接对应于立体模型的支撑点。处理器用以对包含立体模型的空间执行体素化操作以获得对应于空间的多个体素；选择多个体素中包括支撑点中的第一支撑点的第一体素；根据第一体素决定多个合并节点中的第一合并节点，其中第一合并节点位于多个体素中的第二体素，并且根据第一支撑点以及第一合并节点打印支撑件中的第一支撑件。其中第一支撑件具有第一子支撑件以及第二子支撑件，第一子支撑件的第一端连接第一合并节点，第二子支撑件的第一端连接第一合并节点且第二子支撑件的第二端连接第一支撑点。

基于上述，本发明中所述立体打印方法以及立体打印装置可以利用处理器来对包含立体模型的空间进行体素化的动作，以使所述空间中的每个体素皆可记录该体素是否存在立体模型，以及各个体素中的支撑点是否被连接至立体模型或平台等相关信息。如此一来，在生长支撑件的过程中，本发明可以依据所述相关信息来使支撑件能够有效地避开立体模型，以缩短搜寻生长路径的时间，进而提升立体打印的品质。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例所示出的立体打印装置的示意图；

图2a是依照本发明的一实施例所示出的立体打印方法的情境示意图；

图2b是依照本发明的另一实施例所示出的立体打印方法的情境示意图；

图2c是依照图2b实施例所示出的搜寻存在合并节点的体素的过程的示意图；

图3是依照本发明的一实施例所示出的立体打印方法的流程图；

图4a是依照本发明的一实施例所示出的第三子支撑件的示意图；

图4b是依照本发明的一实施例所示出的第三子支撑件的体素分布的示意图；

图4c是依照本发明的一实施例所示出的第三子支撑件的体素的搜寻过程的示意图；

图5是依照本发明的另一实施例所示出的立体打印方法的流程图；

图6a是依照本发明的一实施例所示出的第一类支撑尾的示意图；

图6b是依照本发明的另一实施例所示出的第一类支撑尾的示意图；

图7是依照本发明的一实施例所示出的列体打印的模拟结果图。

附图标记说明

100：立体打印装置

110：平台

120：打印头

130：处理器

600、gt1：第一类支撑尾

a1：第一角度

bb：边界框

d1～d5：方向

gt2：第二类支撑尾

l1～l3、l1a～l3a：层

mp1～mp4、mp3：合并节点

obj：立体模型

osp1～osp3：原始支撑点

p1：第一部分

p2：第二部分

q1、q2：连接点

spa～spc、sp1～sp3：支撑点

sia：支撑件

si1～si3：子支撑件

s310～s360、s510～s530：步骤

sst1：第一子支撑尾

sst2：第二子支撑尾

spx1：第一支撑件

spx2：第二支撑件

vx1～vxn、vxa、vxb、vx20～vx28：体素

具体实施方式

现将详细参考本示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图1是依照本发明的一实施例所示出的立体打印装置的示意图。请参照图1，立体打印装置100包括平台110、打印头120以及处理器130。打印头120耦接至处理器130。打印头120用以于平台110上打印出立体模型obj以及支撑所述立体模型obj的支撑件sia。支撑件sia位于立体模型obj的空间(也即悬空区域)中。其中，支撑件sia通过支撑点spa以连接至对应的立体模型obj，并且支撑件sia通过第一类支撑尾gt1以及第二类支撑尾gt2以分别连接至立体模型obj以及平台110。

在本实施例中，处理器130可以被一个具有运算功能的电子装置(例如是笔记本电脑、平板电脑或台式电脑等计算机装置)控制。使用者可以通过所述电子装置来编辑与处理立体物件的立体模型obj，并通过处理器130将立体模型obj的相关参数及信息传送至打印头120，以指示打印头120依据所述参数及信息于平台110上打印出立体模型obj以及支撑件sia。

本实施例的处理器130可以例如是中央处理单元(centralprocessingunit,cpu)，或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，asic)、可程序化逻辑装置(programmablelogicdevice，pld)或其他类似装置或这些装置的组合，其可载入并执行电脑程序，本发明未对此有所限制。

请同时参照图1、图2a与图3，图2a是依照本发明的一实施例所示出的立体打印方法的情境示意图。另外，图3是依照本发明的一实施例所示出的立体打印方法的流程图。本实施例的立体打印方法适用于图1的立体打印装置100，以下即搭配立体打印装置100中的各构件说明本实施例立体打印方法的详细步骤。需注意到的是，在本发明图2a的实施例中，是在三维空间下以侧视的角度来进行描述，并且每一个体素是以立体的结构来形成。

首先，在步骤s310中，处理器130可以使用边界框(boundingbox)来框选立体模型obj，以使立体模型obj位于所述边界框bb内部所形成的空间中。其中，图2a中的边界框bb所框选的空间仅表示为立体模型obj的支撑件sia部分，并以此部分作为本发明实施例的情境说明。

在步骤s320中，处理器130可以对边界框bb内部所形成的空间的立体模型obj执行体素化(voxelization)的操作，以使处理器130获得对应于所述空间中的支撑件sia的多个体素vx1～vxn。进一步来说，图2a中的每一个方格分别可以表示为所述空间中的多个体素vx1～vxn。为了方便说明，本发明的图2a是以体素vx1～vx5来作为一实施例的情境说明，但本发明并不限于此。值得一提的，在本实施例中，每个体素vx1～vxn分别可以记录该体素是否包含立体模型obj的一部分，以及各个体素vx1～vx5分别可以记录该体素中所对应的支撑点或合并节点是否被连接至立体模型obj或平台110等相关信息。藉此，本发明可以通过对边界框bb内部所形成的空间的立体模型obj执行体素化的方式，以使在生长支撑件sia的过程中，支撑件sia能够有效地避开立体模型obj，并且缩短搜寻生长路径的时间。

在步骤s330中，处理器130可应用本领域技术人员所熟知的生长支撑点的相关技术，以使立体模型obj的表面产生多个原始支撑点osp1～osp3。接着，处理器130可以依据这些原始支撑点osp1～osp3以产生多个支撑点sp1～sp3(也称为第一支撑点)。其中，这些支撑点sp1～sp3位于立体模型obj的表面的法线方向上，并且这些支撑点sp1～sp3与这些原始支撑点osp1～osp3分别距离一个预设距离(例如是一个体素的距离，但本发明并不限于此)。

在步骤s340中，由于边界框bb所框选的部分具有多个支撑点，并且图2a仅以3个支撑点sp1～sp3作为说明范例。因此，在本实施中，处理器130可以从所述多个支撑点中，选择具有支撑点sp1～sp3的体素vx1～vx3来作为第一体素。藉此，处理器130可通过选择这些体素vx1～vx3以获得各体素vx1～vx3中所记录的相关信息，并且处理器130可依据所述相关信息来规划生长所述支撑件sia的路径。

在步骤s350中，处理器130可以依据所选择的体素vx1～vx3(也称为第一体素)中所分别记录的相关信息，来决定合并节点mp1、mp2是位于体素vx1～vxn中的哪一个体素。

进一步来说，在步骤s350中，假设处理器130会先依据原始支撑点osp2来产生支撑点sp2，接着，处理器130可依据支撑点sp2(也称为，第二支撑点)所位于的体素vx2(也称为第三体素)，来判断边界框bb内部所形成的空间中，是否有合并节点位于体素vx2的第一方向(例如是体素vx2的下方)上。举例来说，在本发明的一实施例中，当处理器130判断体素vx2的第一方向上不存在合并节点时，处理器130会向所述空间中对应于体素vx2的第二方向(例如是体素vx2向下方向45度)搜寻多个体素。并且，当处理器130判断所述体素vx4的上方存在一个具有支撑点sp1的体素vx1时，处理器130将会决定合并节点mp1生长于所述体素vx4中。换言之，所述体素vx4(也称为第二体素)是位于包括支撑点sp1的体素vx1(也称为第四体素)的第一方向上。

另一方面，当处理器130判断体素vx2的第一方向上存在着合并节点时，处理器130会指示体素vx2向第一方向进行搜寻以决定合并节点所对应的体素的位置。

此外，当处理器130判断体素vx2的第一方向上不存在合并节点，并且处理器130无法依据体素vx2的位置向所述空间中的第二方向搜寻到这些体素vx1～vxn中具有合并节点的体素时，处理器130会接着执行步骤s360的动作。

需注意的是，在另一实施例中，假设处理器130会先依据原始支撑点osp2来产生支撑点sp2且支撑点sp2是位于邻近于边界框bb的边缘时，可以以下述图2b以及图2c的范例来根据支撑点sp2的位置搜寻存在合并节点的体素。具体来说，图2b是依照本发明的另一实施例所示出的立体打印方法的情境示意图。需注意的是，图2c是依照图2b实施例所示出的搜寻存在合并节点的体素的过程的示意图。其中，图2b是以侧视的角度来示出三维空间。图2c是以三维空间中，位于层l1a的支撑点sp2往下一层(例如层l2a)俯视的角度所绘制的俯视图。

在本发明图2b的实施例中，假设处理器130会先依据原始支撑点osp2来产生支撑点sp2，并且此时的体素vx2(也称为第三体素)是位于邻近于边界框bb的边缘时，处理器130可依据体素vx2来判断边界框bb内部所形成的空间中，是否有合并节点位于体素vx2的第一方向(例如是体素vx2的下方)上。当处理器130判断体素vx2的第一方向上不存在合并节点时，处理器130会依据体素vx2所位于的层l1a，向下逐层(例如是层l2a～l3a，以此类推)搜寻是否具有存在合并节点的体素。

详细来说，本实施例的多个体素分别位于多个层(例如是层l1a～l3a，其中所述层的数量并不限于3层)中。在图2b以及图2c中，位于层l2a中的体素vx20是位于体素vx2的正下方。进一步来说，当支撑点sp2所位于的体素vx2是位于层l1a，并且此时的体素vx2是位于邻近于边界框bb的边缘时，处理器130可依据体素vx2所位于的层l1a，向下逐层(例如是层l2a～l3a)搜寻存在合并节点mp3(也称为第二合并节点)以及合并节点mp4(也称为第三合并节点)(未示出)的多个体素。以搜寻存在合并节点mp3的体素来作为范例说明，在层l2a中，处理器130可以从体素vx2往体素vx21～vx25的延伸方向逐层向下搜寻具有存在合并节点的体素。举例来说，处理器130可以从体素vx2往体素vx21的延伸方向(例如方向d1)逐层向下搜寻具有存在合并节点的体素；处理器130可以从体素vx2往体素vx22的延伸方向(例如方向d2)逐层向下搜寻具有存在合并节点的体素；处理器130可以从体素vx2往体素vx23的延伸方向(例如方向d3)逐层向下搜寻具有存在合并节点的体素；处理器130可以从体素vx2往体素vx24的延伸方向(例如方向d4)逐层向下搜寻具有存在合并节点的体素；处理器130可以从体素vx2往体素vx25的延伸方向(例如方向d5)逐层向下搜寻具有存在合并节点的体素。其中，由于体素vx26～vx28是位于边界框bb的边缘，因此，处理器130无法从体素vx2往体素vx26～vx28的延伸方向上搜寻到存在合并节点的体素。

在此情况下，以测视的角度来说，在图2b以及图2c中，假设处理器130可以在方向d3上的体素vxb中，判断出所述体素vxb的上方存在支撑点spb(也称为，第四支撑点)时，处理器130可以在体素vxb上产生合并节点mp3。

相对的，在图2b以及图2c的实施例中，处理器130同样可以利用相同的搜寻方式来搜寻到存在合并节点mp4(未示出)的另一体素。换言之，处理器130也可从方向d1～d5中的至少其中之一，逐层向下搜寻具有存在合并节点mp4的体素。举例来说，以测视的角度来说，在图2b以及图2c中，假设处理器130可以在方向d4上的某一体素vxc(未示出)中，判断出所述体素vxc的上方存在支撑点spc(未示出，也称为第五支撑点)时，处理器130可以在体素vxc产生合并节点mp4。

换言之，在处理器130可以从体素vx2的方向d3以及方向d4上搜寻到存在合并节点mp3以及合并节点mp4的体素(例如是体素vxb以及体素vxc)的情况下，在后续打印的过程中，处理器130可依据支撑点sp2以及合并节点mp3来指示打印头120从体素vx2往体素vx23的延伸方向打印第一支撑件。并且，处理器130可依据支撑点sp2以及合并节点mp4来指示打印头120从体素vx2往体素vx24的延伸方向打印另一个第一支撑件。

另一方面，当处理器130在体素vx2的方向d1～d5上无法搜寻到存在合并节点mp3以及合并节点mp4(未示出)的多个体素时，由于此时处理器130无法在方向d1～d5中的至少2个方向上搜寻到存在合并节点mp3以及合并节点mp4的体素，若之后在后续的打印过程中处理器130从体素vx2的方向d3以及方向d4上打印第一支撑件，则此些第一支撑件的支撑力会不足。在此情况下，处理器130在后续打印的过程中会依据支撑点sp2来指示打印头120向体素vx2的位置的第一方向(例如是体素vx2的下方)打印第一支撑件。其中所述第一支撑件不包括所述合并节点mp3以及合并节点mp4。

需注意到的是，请再次参照图2a，在图2a的实施例中，处理器130依据各个支撑点sp1～sp3决定合并节点的先后顺序可以是随机的。举例来说，在本发明的一些实施例中，处理器130可以先依据支撑点sp2来搜寻合并节点，接着再依据支撑点sp1来搜寻合并节点，最后再依据支撑点sp3来搜寻合并节点。另外，在本发明的另一些实施例中，处理器130也可以先依据支撑点sp1来搜寻合并节点，接着再依据支撑点sp2来搜寻合并节点，最后再依据支撑点sp3来搜寻合并节点。换言之，在本发明的多个实施例中，根据支撑点以决定合并节点的先后顺序并不限于上述的方式。

延续图2a的范例，在步骤s360中，处理器130可依据支撑点sp1～sp2以及合并节点mp1，来指示打印头120打印出支撑件sia中的第一支撑件。其中，所述第一支撑件是由第一子支撑件si1、第二子支撑件si2以及第三子支撑件si3所构成。具体来说，第一子支撑件si1的第一端连接至合并节点mp1。第二子支撑件si2的第一端连接至合并节点mp1，第二子支撑件si2的第二端连接至支撑点sp1。

针对本发明的第三子支撑件si3，请同时参照图1至图4a，图4a是依照本发明的一实施例所示出的第三子支撑件的示意图。第三子支撑件si3的第一端连接至第二子支撑件si2的第二端，第三子支撑件si3的第二端连接至原始支撑点osp1。换言之，在步骤s360中，处理器130可以使原始支撑点osp1依据立体模型obj的表面的法线方向，并通过打印头120来打印出第三子支撑件si3，以使原始支撑点osp1可以通过第三子支撑件si3来连接至支撑点sp1。藉此，本实施例的第三子支撑件si3可以有效地降低与立体模型obj接触的表面面积。并且，当处理器130需将第三子支撑件si3从立体模型obj的表面中移除时，也能够减少立体模型obj的表面被破坏的可能性。

值得一提的，关于第三子支撑件si3连接至第二子支撑件si2的生长过程，请同时参照图4a至图4c，图4b是依照本发明的一实施例所示出的第三子支撑件的体素分布的示意图。另外，图4c是依照本发明的一实施例所示出的第三子支撑件的体素的搜寻过程的示意图。首先，在图4b的实施例中，多个体素可以形成多个层。此些层例如包括层l1～l3，其中层l1～l3之间彼此相邻。假设原始支撑点osp1所位于的体素vxa是位于层l1(也称为，第一层)。处理器130可以在层l2(也称为，第二层)的多个体素(例如是图4c中层l2的9个体素)的其中之一决定支撑点sp1。例如，处理器130可以决定支撑点sp1位于层l2的体素vx1。接着，体素vxa中的原始支撑点osp1可依据立体模型obj的表面的法线方向来从层l1往层l2生长第三子支撑件si3，并使所述第三子支撑件si3连接至体素vx1中的支撑点sp1。藉此方式，可以让第三子支撑件si3连接至第二子支撑件si2。

针对步骤s360的操作细节，请同时参照图2a以及图5，图5是依照本发明的另一实施例所示出的立体打印方法的流程图。在步骤s510中，处理器130会先判断支撑件sia的第一子支撑件si1的第一端连接至立体模型obj或平台110。举例来说，于步骤s520中，当处理器130判断第一子支撑件si1的第一端连接至立体模型obj时，处理器130可以指示打印头120在第一子支撑件si1的第一端打印第一类支撑尾gt1，以使支撑件sia的第一子支撑件si1可以通过第一类支撑尾gt1来连接至立体模型obj。

进一步来说，针对所述第一类支撑尾gt1的结构，请参照图6a，图6a是依照本发明的一实施例所示出的第一类支撑尾的示意图。在本实施例中，第一类支撑尾600包括第一子支撑尾sst1以及第二子支撑尾sst2。其中，第二子支撑尾sst2包括第一部分p1以及第二部分p2。并且，本实施例的第一类支撑尾600的第一子支撑尾sst1以及第二子支撑尾sst2的总数量可以是3，但本发明并不限于此。在其他实施例中，第一类支撑尾600可以具有更多的第二子支撑尾sst2。另一方面，在本实施例中，第一子支撑尾sst1的第一端是位于一体素中，并且第二子支撑尾sst2的第二部分的第二端是位于另一体素中。特别的是，第一子支撑尾sst1的第一端所位于的体素以及第二子支撑尾sst2的第二部分的第二端所位于的另一体素是位于同一直线上。

在图6a中，第一部分p1的第一端连接至位于第一子支撑尾sst1上的连接点q1，以使第一部分p1与第一子支撑尾sst1的夹角呈第一角度a1。第一部分p1的第二端连接至第二部分p2的第一端，第二部分p2的第二端连接立体模型obj的表面。换言之，第一子支撑件si1的第二端可以通过第一子支撑尾sst1来连接至所述立体模型obj的表面。值得一提的，在本实施例中，第一子支撑尾sst1的方向相同于立体模型obj的表面的法向量，并且第二部分p2的方向相同于立体模型obj的表面的法向量。藉此，所述第一子支撑件si1可以利用第一类支撑尾gt1来提升支撑件sia整体对于立体模型obj的拉力。

另一方面，在步骤s530中，当处理器130判断第一子支撑件si1的第一端连接至平台110时，处理器130可以指示打印头120在第一子支撑件si1的第一端打印第二类支撑尾gt2，以使支撑件sia的第一子支撑件si1可以通过第二类支撑尾gt2来连接至平台110。其中，本实施例的第二类支撑尾gt2可以例如是一圆盘模型。也即，当处理器130判断第一子支撑件si1的第二端连接至平台110时，第一子支撑件si1的第二端可以通过所述圆盘模型以连接至平台110上。

图6b是依照本发明的另一实施例所示出的第一类支撑尾的示意图。在本发明的另一实施例中，处理器130还可以判断支撑件sia中的第二支撑件spx2的第一端是以第一类支撑尾600来连接至立体模型obj。进一步来说，在图6b中，当处理器130判断第一支撑件spx1中的第二子支撑尾sst2的第一部分是否与第二支撑件sp2中的所述第二子支撑尾sst2的第一部分相连接于一连接点q2。

接着，当处理器130判断第一支撑件sp1中的第二子支撑尾sst2的第一部分p1与第二支撑件sp2中的第二子支撑尾sst2的第一部分p1相连接于连接点q2时，则处理器130会指示打印头120打印出第一支撑件sp1中的第二子支撑尾sst2的第二部分p2。

在图6b中，第一支撑件spx1中的第二子支撑尾sst2的第二部分p2的第一端连接至第一支撑件spx1中的第二子支撑尾sst2的第一部分p1以及第二支撑件spx2中的第二子支撑尾sst2的第一部分p1，且第一支撑件spx1中的第二子支撑尾sst2的第二部分p2的第二端连接至立体模型obj的表面。换言之，在本实施例中，支撑件sia可以通过多个第一类支撑尾，并使各个第一类支撑尾中的第二子支撑尾的第二部分相互共用及连接，藉以在支撑点密度较高的情况下，避免支撑件sia破坏立体模型obj的表面，并且提升支撑件sia整体的拉力。

图7是依照本发明的一实施例所示出的列体打印的模拟结果图。在本实施例中，边界框bb内部所形成的空间中包括立体模型obj、支撑件sia、第一类支撑尾gt1以及第二类支撑尾gt2。其中，图7中的各个构件的说明以及其立体打印的方法皆以详细的说明于图1至图6b的实施细节中，在此则不多赘述。

综上所述，本发明所述立体打印方法以及立体打印装置可以利用处理器来对包含立体模型的空间进行体素化的动作，以使所述空间中的每个体素皆可记录该体素是否存在立体模型，以及各个体素中的支撑点是否被连接至立体模型或平台等相关信息。如此一来，在生长支撑件的过程中，本发明可以依据所述相关信息来使支撑件能够有效地避开立体模型，以缩短搜寻生长路径的时间，进而提升立体打印的品质。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。