一种基于动态渲染的连续3D打印方法及打印设备

技术领域

本发明属于光固化3D打印技术领域，特别涉及一种连续3D打印方法及打印设备。

背景技术

在光固化的领域中，根据光固化成型的光源系统分为光固化3D打印技术分为激光点光源(SLA)和面光源数字光投影(DLP)。光固化的过程是利用紫外线分层照射并固化光敏树脂，被照射的光敏树脂接收的能量超过临界值Ec以后会发生聚合反应从而固化。

DLP 3D打印系统，通过许多帧的图像逐层固化，一次可以成型一个幅面，因此是一种速度更快的3D打印方式。在传统DLP技术中，每个切片的层厚固定，曝光时间固定(通常轻微过曝)，因此宏观上可认为模型每个点受到的离散曝光量是均匀一致的。虽然每层切片四周的树脂材料都会承受一些扩散光，但是打印平台在z轴的上下运动会迅速将这些轻量曝光材料与其它材料混合，不断消除打印件周围的树脂曝光量积累。因此，传统的DLP打印机只需要配合简单的xy尺寸缩放即可统一精度。

而连续液面打印技术是通过使照射固化后的表面与离型膜不粘连，例如建立非固化区，使树脂始终在非固化区上方固化成型，从而实现连续、平滑、快速的成型。相对于传统逐层打印方式(如DLP)，连续液面3D打印技术可以实现复杂物体的快速打印。但在连续打印方式中，一些打印层中的存在较大实体面积需要曝光，为使光敏树脂流入，会降低打印速度，但如果打印速度降低，会导致三维模型附近的光敏材料曝光量增加，使轮廓厚度(实际固化边界与理想固化边界的横向距离)会增加，而如果打印速度增加，使光敏树脂曝光量减小打出来东西就会变细。

发明内容

本申请的目的是提供一种能够获得尺寸精确、轮廓光滑的三维模型的连续3D打印方法以及打印设备。

为了实现上述的一个发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于动态渲染的连续3D打印方法，包括下述步骤：

基于待打印的三维模型获取若干切片图像，各所述的切片图像分别具有一原始曝光边界，为每一帧切片图像动态配置打印速度v；

根据动态变化的打印速度v计算三维模型的打印轮廓与标准模型的理论偏差值h

对所述的修正曝光边界以内的像素曝光。

在本申请的一个实施例中，所述的修正曝光边界与所述的原始曝光边界之间形成修正区域，所述的修正区域的宽度覆盖m圈像素，其中n圈像素为灰阶为0的全黑像素或灰阶为255的全白像素，其余像素为灰度像素且灰阶大于0小于255，m≥n，n为整数。

在本申请的一个实施例中，当v速度较慢造成Δh>0时，所述的三维模型的打印轮廓变厚，所述的n圈像素为灰阶为0的全黑像素；当v速度较快造成Δh<0时，所述的三维模型的打印轮廓变薄，所述的n圈像素为灰阶为255的全白像素。

在本申请的一个实施例中，n＝|[Δh/d]|，其中，d为3D打印设备的像素尺寸。

在本申请的一个实施例中，Δh＝α×h

在本申请的一个实施例中，所述的三维模型的打印轮廓的理论偏差值h

P代表光强；

v代表打印速度；

E

τ代表单位厚度下光敏树脂的光透过率；

Δd是单位厚度；

T代表曝光时间。

在本申请的一个实施例中，0.5≤α≤1.2。

在本申请的一个实施例中，m＝n+1，所述的修正曝光边界相对于原始曝光边界还增加或缩减1圈灰度像素，当Δh＞0时，该圈灰度像素的灰度为：Gray

本申请的另一技术方案是：

提供了一种连续3D打印设备，包括用于盛放光敏树脂的料槽、沿Z轴可升降地设置在所述的料槽上方的打印平台、投影装置、存储器以及处理器，所述的处理器被配置为执行如前面所述的打印方法。

本发明与现有技术相比获得如下有益效果：本申请可以根据打印速度的变化动态改变三维模型的切片图像的轮廓，通过增加或减少轮廓的厚度，反向补偿因为速度改变而带来的轮廓厚度的变化，最终获得打印尺寸精确、轮廓连贯、光滑的三维模型。

附图说明

附图1为本申请的一个实施例中的3D打印设备的结构示意图；

附图2为图1中的3D打印设备的原理图；

附图3显示了光强在光敏树脂中的衰变关系；

附图4显示了t时刻下三维模型原始曝光边界外围距离为h的点所受光强；

附图5显示了既定固化区域、扩散固化区域和固化不足区域；

附图6显示了本申请的一个实施例中，理想情况下的曝光区域以及原始曝光边界；

附图7显示了图6所示的实施例中，修正后的曝光区域以及修正曝光边界；

附图8显示了图6所示的实施例中，修正前的原始曝光边界的像素的明暗情况；

附图9显示了图6所示的实施例中，修正后的曝光边界附近的像素的明暗情况。

其中：101、光机；102、料槽；103、光敏树脂；104、Z轴升降机构；105、打印平台；106、三维模型；200、离型膜；300、非固化区。

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。附图1中自下向上的方向即为本说明书中所说的“Z轴”方向和光轴方向。

本申请提出了一种基于动态渲染的连续3D打印方法及打印设备。参见图1、2所示，该连续3D打印设备包括机架、用于盛放光敏树脂的料槽102、沿Z轴可升降地设置在所述的料槽上方的打印平台105、投影装置、存储器以及处理器。机架中部设有一沿x-y平面延伸的水平工作台，水平工作台上固定设置有料槽102。本实施例中的投影装置为光机101。光机101固定安装在水平工作台的下方，打印平台105可升降地设置在水平工作台的上方，机架的后部设置有Z轴升降机构104，打印平台105通过Z轴升降机构104实现垂直上升或下降。料槽102的底部设置有所述的离型元件，如离型膜等。

连续3D打印设备在工作时，光机101向上发出的投影光穿过离型膜200，并将离型膜200上方的光敏树脂103固化，形成三维模型106，三维模型106的上部附着在打印平台105上，并跟随打印平台105向上移动，三维模型106的下部浸没在光敏树脂中，光敏树脂103与离型膜200之间存在一个交界面，光敏树脂在该交界面上停止聚合反应，从而使三维模型106与离型膜200之间始终存在液态的光敏树脂，降低三维模型与离型膜之间的黏附力，进而实现连续高速3D打印。

在一个实施例中，本申请的连续3D打印设备的存储器内存储有计算机程序，该处理器被配置为执行如下打印方法：

步骤1、启动打印程序，打印平台在Z轴升降机构104驱动下，下降到非固化区300上方,启动光机；

步骤2、调用当前待打印三维模型的若干切片图像，各切片图像分别具有一个原始曝光边界，该原始曝光边界是通过原始三维模型设计计算的理想打印边界，为所述的三维模型配置动态打印速度v；

在实际的连续光照过程中随着速度改变，光照量积分变化，打印的三维模型存在相对于设计模型变厚或变薄的情况，因此打印轮廓会存在一个理论偏差值h

步骤3、根据当前打印速度v计算三维模型的理论偏差值h

其中，

P代表光强；

v代表打印速度；

E

τ代表单位厚度下光敏树脂的光透过率，也写作tau；

Δd是单位厚度；

T代表曝光时间。

实际偏差值Δh是根据所选光敏树脂材料的不同修正得到的，Δh＝α×h

步骤4、对所述的修正曝光边界以内的像素曝光，直至打印完毕，得到完整的三维模型。

本实施例中，对三维模型打印边界的修正是伴随打印过程进行的，在本申请的其他实施例中，上述对切片图像进行修正边界的步骤还可以在三维模型设计过程中进行，或者在打印预备阶段进行，简单的调整步骤的先后顺序并不影响本申请的技术方案的实施。

3D打印设备的打印速度v可以是基于打印件切片形态和材料粘度，人工设置动态变化的打印速度曲线，在打印过程中，打印速度V按照曲线动态变化。比如某个光敏树脂材料的标准打印速度2.5mm/min，可以将打印速度v设置在2.5mm/min左右，最慢的地方是1.5mm/min，最快的地方是3mm/min，并依据打印的实际情况及时迭代调整。

打印速度的设定满足以下关系：1≤v≤v

h

具体来说，在步骤3中，若当前打印速度v会造成h

将修正区域的宽度换算为投影面上的像素尺寸，Δh可以覆盖m圈像素，在m圈像素宽度下，部分圈像素为全黑(灰阶为0)或全白像素(灰阶为255)，还有部分圈像素为用于平滑过渡的灰度像素。灰度像素且灰阶大于0小于255，m≥n，m、n均为整数。

当Δh为正数时，三维模型的打印轮廓变厚，修正时需要减少部分像素曝光，所以需要将n圈像素变为灰阶为0的全黑像素，也就是在修正区域减小n圈像素的曝光，使曝光边界向内缩小；当Δh为负数时，三维模型的打印轮廓变薄，修正时需要扩大部分像素曝光，所以需要将n圈像素变为灰阶为255的全白像素，也就是在修正区域增加n圈像素的曝光，使曝光边界向外扩大。一般情况下，光敏材料特性固定，光强固定，通常不会设置超过标准打印速度过大的速度v，因此Δh一般为正值，也就是需要作缩小图像轮廓的修正。

更进一步地，n＝|[Δh/d]|，n是Δh/d的取整函数再取绝对值，其中，d为3D打印机的像素尺寸，Δh＝α×h

当Δh不能够被d整除的情况下，m＝n+1，修正曝光边界相对于原始曝光边界还增加或缩减1圈灰度像素，并且该第圈灰度像素的灰度为：当Δh＞0时，需要缩小边界，Gray

下面以图6-9所示的实施例对本申请的打印方法进行举例说明：

(1)当前打印速度v较大，计算该打印速度下对应的打印轮廓理论偏差值h

(2)设置Δh＝α×h

(3)判断Δh在投影面上覆盖多少个像素宽度。像素尺寸为d＝屏幕×长度/×像素值，例如长度192mm的4k屏幕分辨率是3840像素，那么一个像素代表实际d＝0.05毫米，用Δh/d，得到商和余数。例如h

(4)除得的整数部分为3，对应修正曝光边界把原切片图像沿着边沿整体外扩3个像素。

(5)余数0.02用来判断灰度像素的比例f，如f＝0.02/0.05＝40％，然后将第4圈像素的亮度从255改成255×40％＝102，从而起到虚化边缘的效果，参见图9。

接下来详细说明打印轮廓的理论偏差值h

参见图3所示，紫外光在光敏树脂中的衰变关系满足：

其中，d是光敏树脂中任意一点距离投影图像的直线最短距离；τ是光敏树脂单位厚度的光透过率(也写作tau)，即每经过Δd单位厚度，透过的光通量与入射光通量之比为τ。光敏树脂中加入的光分散剂越多，τ越小。因此位于点d的光敏树脂受到的扩散光强P

图3中的Pτ

参见图4所示，在连续打印中，当z轴向上运动时，打印件表面的未固化材料会随着平台抬升而上升，与投影面距离渐远，逐渐脱离光照范围。

如图，距离打印件原始曝光边界横向距离为h的光敏树脂，其受到的初始光强为P

将公式二代入公式一，就可以得到任意时刻t下，距离曝光区域初始距离为h的点附近光强，

其中，h是像素点距离三维模型横截面的原始曝光边界(理想打印边界)的初始距离，t是光照时间，v是打印速度(即z轴抬升的速度)，在短时间内一般认为v不变化。这里的短时间内，是指在一个Δd单位厚度打印时间内。速度更新一秒钟会执行10-30次，但是速度v跟当前图像相关，图像在一段时间内都是平滑改变的，所以速度v在1秒内或单位距离内变化非常非常小。

接下来，我们继续计算距离原始曝光边界初始距离为h的点累积的曝光量大小。随着打印平台以速度v不断抬高，随着打印时间t增加，未固化的树脂会逐渐远离曝光面，周围材料受到的光照强度会越来越小。当树脂材料某一点的曝光总量E积累到一定程度后会发生固化。如果对P

其中，T是一个足够长的时间，以至于经过T秒移动后光强衰减到可以忽略不计，无法对积分结果产生实质改变。公式四表明，对于三维模型原始曝光边界外距离为h的一个点，在打印速度v给定的情况下，受到的曝光总量E

将上述公式四，去掉积分，获取可以实时控制的公式形态。首先将距离d的计算方式简化为：

在曝光初期，h影响较大，曝光后期，速度v影响较大。经过近似变换，将公司四的积分变成：

再对公式六进行积分得到公式七，

其中0<τ<1,T足够大。用公式七可以判断当以速度v连续打印时，距离为h的材料是否会固化。如图5所示，三维模型在逐渐上升的过程中，其直接光照区域会逐步固化，称之为既定固化部分D

我们可以对公式七进行变形，得到:

将光强P、打印速度v、临界曝光量Ec、光透过率、曝光时间等参数带入公式八，即可计算出来h

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。