CN108602247A - 用于产生三维物体的方法 - Google Patents

Abstract

为了在立体平版印刷过程中产生三维物体，多个层（30）以时间顺序硬化，从而其总体形成三维物体。层被划分为两个或更多部分区域（31、32），所述部分区域在层内基本上并排，其中部分区域在边缘领域（34）中相对于相同的层的另一部分区域包含如下领域部分（35），所述领域部分形状锁合地伸入另一部分区域中。这些部分区域依次显影，并且因此总体上形成期望的层区域。

Description

用于产生三维物体的方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印法，更准确地说涉及用于在立体平版印刷过程中通过以时间顺序显影多个层来产生三维物体的方法，多个层的总体形成三维物体，其中所述层中的至少一个层被划分为基本上并排的两个或更多部分区域；因此确定的部分区域在彼此分开的显影步骤中显影。层或层的部分区域的显影通常通过硬化为此适当的物质来进行。

背景技术

该类型的方法是公知的，其中除了立体平版印刷以外，不同的另外的名称，如快速原型设计、光固化或3D打印是常见的。在立体平版印刷过程中，通过分层地或连续地排列层或层信息来产生由光敏物质构成的三维体。在该类型的制造过程中使用可硬化的物质，以便分层地通过产生几何层信息以可预设的期望的造型来产生三维物体（“体”或“对象”），所述几何层信息例如能够通过数字掩模或通过运动的激光射束产生。可硬化的物质通常是光敏材料，其是液态的或膏状的并且在通过适当的光来照射时硬化，大多是液态的单体组成。

用于生成由光敏材料构成的三维对象的不同的3D打印法是公知的。根据方法，在此，膏状的液态的或也颗粒的材料通过电磁辐射（例如通过UV辐射、IR辐射）的影响凝固。示例是立体平版印刷法，其使用基于像素的掩模照明法，以便局部适当地硬化光敏材料。其中，初始的层信息能够转换为针对各个层的部分区域的部分信息，以便随后局部得到硬化。

使用照明系统、基于像素的掩模照明系统（例如Micro Optical Mirror Device[微型光学镜子设备]或者MEMS[微机电系统]，其也在商品名称DLP下公知）来生成层信息，在给定的分辨率中，像素被限制到特定的尺寸的照明区域上。由此，仅适合于预设的照明区域的对象能够在3D打印法中生成。这也适用于另外的照明法，例如使用电流扫描仪的光学系统。

回避尺寸方面的限制的自身公知的方案是：对于照明区域来说太大的层信息分为更小的部分区域，并且以部分区域的形式连续被照明。

这种方法的示例在EP 1946910 A2中描述。其中，多个投影装置通过逻辑合成件来联合，以便得到更大的照明区域。该照明区域在相邻的单个图像的棱边上具有线形的相叠部，所谓的“接缝”。此外在EP 1946910 A2中描述了所谓的灰度的使用，即在1/2至1个像素的数量级中的区域，其中强度不相应于为了完全显影层而必需的总强度。因此，总的层信息通过确定边界线划分为各个区域，其随后通过相应的照射源显影，其中该区域的边缘借助灰度自身完全叠加。

在EP 1666235 A1中描述了连续的照明法，其中，层信息和所属的照明过程通过与运动装置同步的视频的投影实现，所述层信息在给定的分辨率中大于基于像素的掩模的单个照明面。由此，窄的但在长度中在理论上不受限制的区域能够方位选择性地硬化。通过逐行的扫描，沿横向于运动方向的方向的尺寸因此也能够任意扩大。由此又得到重叠区域，其中，双倍的照明通过照射强度的调制实现，以便实现并排的条的合成。

公知的方法具有一些缺点。在分开的显影步骤中产生的部分区域之间的边界上经常得到边界线或甚至缝隙，其能够导致制成的对象的断裂。此外，依赖于材料的老化效应尤其是在使用单个图像的重叠区域中的灰度的情况下导致不完全的硬化。此外，部分层信息的线形的相叠区域导致制成的对象的不均匀的坚固性，并且此外能够损害外表。

发明内容

本发明的目标在于利用由部分区域组成的层避免公知的立体平版印刷法的所提到的缺点。单个图像的重叠区域中的由于不完全的显影（Entwicklung）导致的缺陷和额定断裂部位尤其是应该得到避免，并且线形的相叠部的影响应该得到消除，以便利用改进的三维合成件实现更大的坚固性。照明过程中的通过错误地构造的边界线导致的错误尤其是应该得到避免，边界线可能导致对象断裂。

提出的任务从开头示出的类型的方法出发以如下方式解决：根据本发明，所述部分区域中的至少一个区域在边缘领域中相对于相同的层的另一部分区域包含如下领域部分，所述领域部分形状锁合地，例如梳子形地和/或钩子形地和/或燕尾形地伸入另一部分区域中。

从将初始的总的层信息划分为各个部分区域出发，该解决方案是用于将部分区域中的图像信息拼接为整个层信息的新的方案。替代部分区域之间的直的或仅稍微弯曲的分离线，部分区域之间的边界区域以如下方式设计：使部分区域相互嵌入，并且彼此成形出部分区域的形状锁合的连接；部分区域的总和总体上得出层或该层的层信息。

在此，“形状锁合的连接”意味着的是：部分领域中的至少一个领域与配属的部分区域连接，并且连接领域的宽度朝配属的部分区域的方向没有增加；特别有利地在此可能的是：部分领域通过带有更小的或甚至减小的宽度的连接领域与所属的部分区域连接，如例如在燕尾形的连接中或者在通过“颈形的” 具有比部分领域的主要部分更小的宽度的区段的连接中是这样的情况。在形状锁合的连接中，连接的部分的分离是不可能的，部分不会例如通过分离伸入另一部分区域中的领域部分的一个或多个领域部分导致变形或甚至损坏。构件在部分区域中的坚固性也相对于另外的方案得到提高，这是因为通过部分区域的相互嵌入，裂纹难以展开。这些部分区域依次显影，并且因此总体上形成期望的层区域，所述层区域总体上又形成待产生的三维物体。

在本发明的有利的方面能够设置的是，在一个层中相邻的部分区域的边缘领域是相关联的；其能够在此梳子形地和/或形状锁合地相互嵌入。根据该方面的有利的实施方式，相邻的部分区域的边缘领域能够沿划分线相互嵌入，划分线不允许边缘领域或部分区域的保持形状的分离。以该方式，对象内的在部分区域之间的结合能够明显得到改进。

该方面的修改扩大了相关联的边缘领域在多个相叠的层上的构造。相应地能够设置的是，一定数量的相叠的层被划分为在几何上彼此相应的部分区域，其中相叠的层的彼此相应的部分区域的边缘领域合并形成相关联的三维形状，其中因此形成的三维形状相互嵌入，并且不允许三维形状的保持形状的分离。

根据本发明的有利的改进方案，在一个层中彼此相邻的部分区域中的至少两个部分区域能够包含形状锁合地伸入分别另一部分区域中的领域部分。

本发明的设计方案能够在一个层的两个相邻的部分区域之间设置重叠领域，其包含两个参与重叠领域的部分区域的边缘领域，其中边缘领域包含形状锁合地伸入分别另一部分区域中的领域部分；在此，在每个重叠领域中，层的显影分别部分地在属于参与重叠领域的部分区域的显影步骤中进行。优选地，重叠领域中的两个参与的部分区域相对待产生的层或层信息是彼此互补的。在该设计方案中，在重叠领域中的划分能够以如下方式进行：使重叠领域马赛克形地划分为领域区，并且因此形成的领域区随机地配属于参与重叠领域的部分区域。通过随机分布得到可靠的和稳定的过渡，其同时避免了通过有规律的结构导致的图案形成。为了实现部分区域的尽可能轻松的相互嵌入而可能有利的是，马赛克形的划分与层在像素或预先确定的像素群中的划分一致。

层的显影能够通常通过照明利用触发层的硬化的辐射来实现。这种适用于触发物质的硬化的辐射在此也被称为光化辐射。

通常，显影过程以如下方式设计：使部分区域以时间顺序被照明，优选地，各个层的部分区域在时间上直接连续地被照明。

此外，在重叠的层中，将层划分为部分区域能够以如下方式进行：使不同的层（例如连续的层）的边缘领域具有相互镜像的和/或逆反的几何形状。

为了避免损坏待产生的体在其外轮廓方面的造型而可能有利的是，形状锁合地伸入另一部分区域中的领域部分与待产生的三维物体的外轮廓间隔开，优选以预设的最小间距间隔开。

在本发明的改进方案中，所有层或所述层的单个层的显影能够在多个（即两个或更多）照明通道中进行，其中一个层的照明通道以时间顺序并且分别基本上针对整个层发生。在该情况下，本发明能够以如下方式实施：在照明通道的至少一个照明通道中，相关的层被划分为至少两个部分区域，其基本上并排并且分别在分开的显影步骤中显影，其中部分区域中的至少一个部分区域在边缘领域中相对于相同的层的另一部分区域在相同的照明通道中包含如下领域部分，其形状锁合地伸入另一部分区域中。

在本发明的范围内，照明和因此还有产生层信息也能够连续地进行。这例如能够通过照明面与光源之间的相对运动实现，其中例如使用掩模照明系统（例如DMD、DLP），其产生的照明图案根据照明面或光源的定位，根据该定位和相应的相对速度连续改变并且因此示出连续的投影。

附图说明

本发明和另外的设计方案和优点随后借助非限制性的实施例详细描述，所述实施例在附图中示出。附图以示意性的方式示出：

图1示出了由多个层构成的三维对象的结构，层分别被划分为部分区域；

图2a-2e说明了将层划分为两个部分区域，其中图2a示出带有用于三维对象的层信息的层，图2b示出将层划分为两个部分区域，图2c示出重叠领域的确定，并且图2d和2e示出了带有梳子形地或钩子形地啮合的边界区域的重叠领域的划分；

图3说明了带有重叠领域的像素根据随机配属于两个部分区域的划分的实施方式；

图4说明了带有重叠领域的像素根据随机配属和灰度的划分的实施方式；

图5示出了本发明的如下实施方式，重叠的层在该实施方式中相互啮合；并且

图6示出了图5的层的俯视图。

具体实施方式

图1的立体图示出了空间区域1，在其中，三维体2借助立体平版印刷法产生。根据常见的过程方式，空间区域1被划分为多个重叠的层3；层3优选具有相同的厚度。在空间区域1中，三维体2由多个重叠的层信息4形成。在此，层信息表明了层内的根据待产生的体2显影的区域。利用附图标记4示例性地表示最上层的层信息。图1也示例性地示出层中的两个层3a、3b和分别包含在其中的层信息4a、4b。层信息4、4a、4b在时间上连续地显影，例如从最上层开始并且向下推进（在另外的实施变型方案中必要时相反），由此体2分层地产生。体2的形状能够任意地选择。体2由保持件（未示出）保持，体通过产生的第一层信息4（在此是最上层的层信息）与保持件连接并且通常在制造过程期间保持连接。在大多情况下，体2除了在产生的第一层上的该保持部位以外完全位于总区域1内。然而，体2能够此外贴靠在空间区域1的一个或多个侧面上；例如能够如在所示的实施例中示出的那样，体2贴靠在总区域1的前侧。

根据本发明，以至少两个时间上分开的显影步骤，在层中使光敏材料显影，显影步骤分别显影该层的部分区域。为此，层被划分为两个或更多部分区域，其在该层内基本上并排，其中一个部分区域在边缘领域中相对于相同的层的另一部分区域包含如下领域部分，其形状锁合地伸入另一部分区域中。这些部分区域依次显影，并且因此总体上形成各层的期望的层区域。所有层的部分区域因此总体上得到整个三维体。

层3、3a、3b在图1中已经利用划分为根据本发明的部分区域示出。在所示的实施方式中，层的划分是基本上相同的，然而在本发明的范围内，层与层的划分也能够发生变化。

在图2a至2e中说明了将层划分为两个部分区域。图2a示出了带有三维对象的层信息40的示例性的层30。例如因为层对于单个照明过程来说是太大的，或者由于其他原因，层30被划分为两个部分区域31、32，其例如如在图2b中示出的那样位于分割线33的两侧。在此示出的分割线33是直的，其然而也能够在另外的实施方式中是弯曲的，或者由直的或弯曲的曲线部分组成。随后，在图2c中确定重叠领域（或者过渡区域）34，其沿分割线延伸，例如带有宽度B，所述宽度在所示的实施例中沿分割线保持不变。重叠领域的宽度然而也能够沿分割线的走向发生变化，尤其是当分割线是弯曲的或由带有不同的定向的部分组成时。重叠领域随后重新被划分为两个部分区域，其中属于一个部分区域的领域部分伸入属于另一部分区域的领域部分之间。以该方式得到两个部分区域31、32的形状锁合的连接。作为示例，图2d示出带有梳子形地啮合的边界区域的重叠领域35的划分，以及图2e示出带有钩子形地相互嵌入的领域部分的重叠领域36。

划分例如能够以如下方式进行：重叠领域被分段为沿分割线连续的领域部分，并且领域部分交替配属于相邻的部分区域。领域部分能够例如是平行定向的条或矩形，由此，梳子形的划分能够如在图2d中那样得到。附加地，领域部分能够构造出凸起或回纹图案，由此，领域彼此钩嵌。在所有这些情况下得到与形状锁合地伸入分别另一部分区域中的领域部分的啮合，其中优选地，在一个层中相邻的部分区域的边缘领域分别是相关联的。如也可借助图2d和2e的示例识别出的那样，在重叠领域34中，分割线通过复杂的划分线代替，相邻的部分区域的边缘领域沿划分线相互嵌入。以该方式，两个部分区域的紧密的连接得到确保；边缘领域的分离尤其是不可能的，不会导致重叠领域中或重叠领域旁的变形或断裂。

根据本发明，层与层的在部分区域中形成的图像信息能够不仅在其位置定位和尺寸中，而且也在形成的几何形状中发生改变。这例如意味着的是：在部分区域或重叠领域中形成的图案与之前的层和/或随后待产生的层在该区域中的图案不同。

因此，在层与层的最简单的情况下，在重叠领域或其一部分中形成在之前的层的重叠领域中的图案的几何信息的镜像构造和/或逆反构造。镜像构造例如能够在重叠领域的分割线或中间线上进行，或者在垂直于其的线上进行；点镜像构造（例如在相关的领域的中间点上）也能够执行。逆反构造意味着领域部分配属于两个参与的部分区域的颠倒；或者换言之，以灰度表述，逆反构造意味着灰度值x通过值1-x来替代。因此，镜像的和/或逆反的图案或形状锁合的图案的逆反的形状使用在不同的层的连续的重叠领域中。这简化了计算重叠领域中的图案。

重叠领域也能够马赛克形地划分为领域区，并且随后，马赛克形的领域区根据之前确定的方法或随机地（例如借助伪随机数生成器）配属于参与的部分区域。在特别简单的、但还是有效的特殊情况下，马赛克形的划分能够根据像素进行（或者预先确定的像素群，例如带有n×m个像素的像素区，其中n和m是正整数，n=m>1也是可能的），其以层的基于格栅的显影为基础。

图3说明了带有3个像素的宽度的重叠领域23的划分的示例。重叠领域的像素无规则地（“随机地”）配属于一个部分区域21或另一部分区域22，这在图中通过相应的阴影线示出。

根据本发明的方法也能够与照明根据灰度组合。在此，重叠领域中的部分领域或像素（或像素群）不直接配属于两个部分区域，而是配属于灰度值，其能够假定为在0与1之间的值，相应地假定为在0%至100%之间的值。灰度值在立体平版印刷过程中对于在重叠区域中的照明来说是公知的。在此，针对一个领域，需要用于显影的照明计量分别部分地在两个显影步骤中输送给两个参与的部分区域，从而总体上实现需要的照明计量，例如是相应50%，或者40%和60%（根据灰度x=0.4=40%）。在极限情况下灰度值x=100%意味着的是：照明完全在第一部分区域的照明步骤中进行，而x=0%意味着照明（仅）在第二部分区域的照明步骤中发生。

重叠领域的宽度B和方位能够保持不变，或者在层与层中发生变化。因此，重叠条在层n中例如能够由B=5个像素列形成，在之前的层n-1中由4个像素列形成，并且在随后的层n+1中由8个像素列形成；该数字当然仅是示例性的方式。因此，重叠领域或层的在其中形成的部分领域的尺寸能够发生改变。

图4说明了图3利用灰度的划分的变型方案。又通过阴影线象征性地表示重叠领域43中的像素配属于部分区域41和42（=灰度100%或0%）。以点示出的像素44得到灰度。该灰度的值例如是50%，也就是说，像素在各一半中在两个部分区域41和42的两个照明步骤中得到照明。在另外的变型方案中，灰度能够不同地选择。例如，灰度能够交替或随机分布地假定值30%和70%。自然，另外的灰度值以及更大数量的灰度值也能够根据期望的应用而使用。

另外的变型方案在图5和6中说明。当大于100%的照明计量被输送给像素（或领域部分）时，那么这导致带有比剩余的层更大的厚度的层区域。以该方式能够成形出伸入分别位于上面的层的销或齿。例如在图5中，部分区域51在与部分区域52的边界上具有齿53，其例如能够通过带有“正常的”照明计量的200%的照明在部分区域的主领域中产生。齿53伸入位于上面的层的部分区域61的开口60中。开口相应于带有0%的照明。上方的层的另外的区域62又具有齿，其能够嵌入（未示出的）第三层中，等等。图6示出图5的上方的（第二）层的俯视图，其中沿部分区域61与62之间的分割线，位于上方的层的向上伸出的齿53是可识别的。

本发明的该方面能够实现的是：层和其部分区域的几何信息以如下方式修改：使其在总体上促进形成的对象的层的啮合，而避免构造简单的线形的接缝，接缝能够使断裂或分离形成变得容易。

根据本发明，通过经由至少部分重叠至少两个相邻的部分区域形成的部分区域的相加产生层信息，其与待形成的对象的期望的层几何形状又在几何上一致。在本发明的范围内，在部分区域的重叠领域中的部分领域分别至少在总体上是待产生的层的照明面的一部分。照明过程能够在此具有在部分领域与部分区域（部分领域属于部分区域）之间的不同的照明时间、顺序和强度。

通常，多个重叠的层能够以优选不必要的方式划分为在几何上彼此相应的部分区域，并且部分区域形状锁合地相互嵌入。在此，重叠的层的彼此相应的部分区域的边缘领域能够此外合并形成相关联的三维形状，从而因此形成的三维形状相互嵌入，并且不允许保持形状的分离。

显然地，本发明并不局限于所示的实施例，更确切地说，本发明包含根据权利要求书的所有设计方案。根据本发明，重叠区域被划分为“段”（即部分领域），其通过初始的边界线（其是相邻的部分区域之间的分割线）搭接，并且就此而言不再相应于初始的几何信息。只有通过叠加所参与的部分区域的段才又建立层区域的初始的几何信息。

通过组合部分区域的相应的段又得到各层的完全的层信息，其方法例如是：相应的段在其几何信息中相互补充地作用，即是彼此互补的。由此避免层的过度照明。这也能够与上面描述的灰度组合地进行，其例如带有灰度值x和1-x。替代灰度，脉冲宽度调制（PWM）也能够在基于像素的照明系统中实现。

此外可能有利的是，在重叠领域中形成的部分领域（即“段”）考虑到部分区域的层信息的初始的几何形状，尤其是轮廓，其相应于待产生的三维体的表面；段例如能够包含部分区域的几何形状的轮廓，即分割线的一部分。因为在体的产生中，至少其外轮廓应该得到保持或者刚好得到反映，所以可能有利的是，只有从与外轮廓存在的特定的最小间距（例如2个像素）开始，复杂的划分才根据本发明（例如通过马赛克或啮合如上面描述的那样）实现。例如在该情况下，伪随机数生成器只有在与体的外表面间隔开的情况下才根据本发明开始划分重叠领域中的部分领域或像素；（最小）间距例如能够根据偏置值预设，其在像素或绝对单位（例如毫米）中限定。

此外，段的照明也能够多次进行，即在另外的照明步骤中除了那两个属于两个部分区域的段以外并且在不同的时间顺序和强度中进行。层尤其是能够在多个（k>1）通道中得到照明，其分别提供照明的一部分（例如带有期望的最终强度的照明强度=1/k）；在每个通道中能够设置将层以其他方式划分为部分区域，从而通道的重叠领域彼此不同。因此，通道中的领域区能够相应于重叠领域的段，其中该段能够一次性地以相应于各通道的参与的部分区域之一的强度来照明；在剩余的通道中，领域区能够位于部分区域的中间，从而在这些通道中根据各自的部分区域利用强度来进行照明。在为此的变型方案中，针对特定的领域区附加地能够改变不同的通道的强度值，从而强度的总和，即期望的照明强度保持不变。这能够附加地改进一个层以及多个层中的部分区域和段彼此间的内部结合。

Claims (13)

1.用于在立体平版印刷过程中通过以时间顺序显影多个层（3）来产生三维物体（2）的方法，多个层的总体形成三维物体，其中所述层（3、3a、3b、30）中的至少一个层被划分为至少两个部分区域，所述部分区域基本上并排，并且分别在分开的显影步骤中显影，其特征在于，

所述部分区域（21、22、31、32、41、42、51、52、61、62）中的至少一个部分区域在边缘领域（23、34、43）中相对于相同的层的另一部分区域包含如下领域部分（35、36、53、63），所述领域部分形状锁合地伸入另一部分区域中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在一个层中相邻的部分区域的边缘领域是相关联的，并且梳子形地和/或形状锁合地（35、36）相互嵌入。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，相邻的部分区域的边缘领域沿划分线相互嵌入，所述划分线不允许边缘领域的保持形状的分离。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一定数量的相叠的层被划分为在几何上彼此相应的部分区域（51、52、61、62），其中相叠的层的彼此相应的部分区域的边缘领域合并形成相关联的三维形状，其中因此形成的三维形状相互嵌入，并且不允许保持形状的分离。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在一个层中相邻的部分区域中的至少两个部分区域包含形状锁合地伸入分别另一部分区域中的领域部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在一个层的两个相邻的部分区域（21、22、31、32、41、42）之间设置重叠领域（23、34、43），所述重叠领域包含两个参与重叠领域的部分区域的边缘领域，其中边缘领域包含形状锁合地伸入分别另一部分区域中的领域部分，其中在每个重叠领域中，层的显影分别部分地在属于参与重叠领域的部分区域的显影步骤中进行。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在重叠领域（23、43）中的划分以如下方式进行：使重叠领域马赛克形地划分为领域区，并且因此形成的领域区随机地配属于参与重叠领域的部分区域。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，马赛克形的划分与层在像素或预先确定的像素群中的划分一致。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，层的显影通过照明利用触发层的硬化的辐射来实现。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述部分区域以时间顺序被照明，优选地，各个层的部分区域在时间上直接连续地被照明。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在相叠的层中将层分别划分为部分区域，其中在不同的层中的边缘领域具有彼此镜像的和/或逆反的几何形状。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，形状锁合地伸入另一部分区域中的领域部分与待产生的三维物体（2）的外轮廓间隔开，即以预设的最小间距间隔开。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个层的显影在多个照明通道中进行，其中一个层的照明通道以时间顺序并且分别基本上针对整个层发生，

其中在照明通道中的至少一个照明通道中，相关的层被划分为至少两个部分区域，所述部分区域基本上并排并且分别在分开的显影步骤中显影，其中部分区域中的至少一个部分区域在边缘领域中相对于相同的层的另一部分区域在相同的照明通道中包含如下领域部分，所述领域部分形状锁合地伸入另一部分区域中。