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CN110366486A - 用于增材制造的适应性材料沉积 - Google Patents

用于增材制造的适应性材料沉积 Download PDF

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CN110366486A
CN110366486A CN201780086369.0A CN201780086369A CN110366486A CN 110366486 A CN110366486 A CN 110366486A CN 201780086369 A CN201780086369 A CN 201780086369A CN 110366486 A CN110366486 A CN 110366486A
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manufacturing
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CN201780086369.0A
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W·马图西克
A·S·帕克
J·拉莫斯
K·维典西
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MIT
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Abstract

本发明提供了一种闭环适应性材料沉积设备和方法，其使用扫描系统以在增材制造对象正被制造时监视该对象、并基于扫描数据来使后续层的几何形状和材料组成适应。在制造过程期间插入可选的辅助对象的情况下，扫描系统重复捕捉部分制造对象的几何和/或材料信息。基于该信息，计算实际表面几何结构和/或实际材料组成。表面几何结构可以偏移并且用作数字模型的下一部分的切片表面。然后，可以每当系统扫描部分制造对象时重新计算切片表面的形状。

Description

用于增材制造的适应性材料沉积
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月16日提交的美国临时申请62/435,644的权益，其通过引用而并入于此。
关于联邦资助研究的声明
本发明是在美国国家科学基金会授予拨款IIS-1409310以及美国空间和海上作战系统中心授予拨款N66001-15-C-4030的情况下在政府支持下作出的。政府拥有本发明中的某些权利。
背景技术
本发明涉及用于增材制造的适应性材料沉积，并且更特别地涉及用于计划材料沉积以匹配对象模型的扫描反馈。
在一种增材制造方法中，对数字模型进行预处理，以指定一系列平行的平面层。层的指定被发送至制造机器，其中该制造机器将层从下到上逐一地进行沉积以形成对象。在一些机器中，可以使用辊(例如，用于光聚合物、相变制造)、刮板(例如，用于粉末基制造)或磨机(例如，用于蜡基制造)来以机械方式使所制造的层平面化。
在另一种增材制造过程中，闭环反馈回路方法使用3D扫描器或轮廓仪来在一部分正被制造时扫描该部分。在申请人的先前专利申请公布US 2016/0023403中所公开的示例中，预处理将数字对象模型切片成平面切片，并且根据预先计划的切片来沉积各层。扫描可能偶尔检测到不正确的层厚度或表面高度、以及被插入以使当前的最上表面平面化的校正层，其中，该校正层使得原始计划的其它切片能够被用于在对象上沉积其它层以产生精确匹配数字对象模型的制造对象。
发明内容
在一般方面，这里所述的一种或多种方法使用闭环反馈回路，其中该闭环反馈回路避免了使正被制造的对象的上表面平面化的需要。这些方法不依赖于在制造开始之前确定的对象模型的预先计划切片，而是在制造过程期间对切片进行计划以适应实际制造对象。例如，可以计划并沉积均匀厚度的非平面层。调整切片而不是沉积校正层的优点可以包括通过避免与打印校正层相关联的延迟而进行的更快速打印、以及制造对象与对象模型的更精确匹配。
一方面，一般来说，三维模型数据所表示的对象的增材制造所用的方法使用在制造对象的第一部分之后从扫描器获得的第一扫描数据，其中制造第一部分形成对象的第一表面。该第一扫描数据用于计算表征对象的第一表面的第一表面数据。然后根据对象的第一表面数据和三维模型数据来确定表征对象的第一表面上的增材制造所用的第二层集的第二制造数据。第二层集中的至少一个层表示由第一表面数据确定的非平面表面(即，沉积在对象的第一部分上)和/或非均匀材料组成。提供第二制造数据以控制打印机制造第二层集。
方面可以具有以下特征中的一个或多个。
对象的第一表面具有不同的水平(level)。这可能是有利的，因为可以在无需形成平面表面的情况下沉积其它层。
第二层集中的层被确定为相对于第一表面偏移，并且具有根据对象的模型数据所确定的、沿着第一表面的维度上的空间范围。第二层集中的各层可被确定为具有均匀的厚度。各层可以各自相对于第一表面均匀地偏移。这样的第二层集的优点是可以使用材料的均匀施加来沉积该第二层集，而无需所计划的层形成通过对象模型的平面“切片”。
第一表面数据包括第一表面的第一深度图。
确定表征第二层集的第二制造数据包括：针对第二层集中的各层确定相对于第一深度图的偏移深度图，确定与偏移深度图和由三维模型数据确定的对象的交叉相对应的截面，以及确定该截面的空间范围。
模型数据表征整个对象的材料组成，以及第一扫描数据表示与对象的第一表面相关联(例如，对象的与第一表面相邻的体积内)的不同材料组成。
第二层集被确定为具有由对象数据以及与第一表面相关联的不同材料组成所确定的不同材料组成，从而例如与模型数据所表征的材料组成相匹配。如此确定的优点可以是通过在制造期间进行局部校正来实现对象的期望材料组成。
该方法进一步包括制造对象的第一部分，包括形成第一表面。该方法还可以包括在对象的第一表面上制造对象的第二部分，包括根据所确定的第二制造数据来制造第二层集中的各层。
制造对象的第二部分形成该对象的下一表面，以及方法还包括重复(即，迭代)以下过程一次或多次：使用在制造形成对象的下一表面的对象的第二部分之后从扫描器获得的扫描数据，来计算表征对象的下一表面的下一表面数据；根据对象的下一表面数据和三维模型数据来确定表征对象的下一表面上的增材制造所用的下一层集的下一制造数据；以及在对象的下一表面上制造对象的下一部分，包括根据所确定的下一制造数据来制造下一层集中的各层，其中，制造下一部分包括形成对象的下一表面。
可以组合在制造对象的多个部分之后从扫描器获得的扫描数据以合成制造对象的三维图像。
可以通过将辅助对象(例如，印刷电路元件、结构材料等)与通过增材制造而形成的部分进行组合来形成对象的第一部分，使得辅助对象形成该对象的第一表面的至少一部分。
另一方面，一般来说，非暂时性机器可读介质包括存储于其上的、用于使计算机控制的三维打印系统进行以上阐述的任何方法的所有步骤的指令。
另一方面，一般来说，计算机控制的三维打印系统被配置为进行以上阐述的任何方法的所有步骤。
一般来说，这里所述的方法与传统增材制造方法相比可以提供许多优点。首先，这些方法无需诸如刮板或辊等的机械整平机构。这消除了这些机构所引入的材料浪费，并且降低了整个系统的复杂性。此外，由于不存在与制造对象接触的机械整平机构，因此打印过程可以支持更多样化的材料集(例如，多组分材料、具有大幅收缩/膨胀或甚至翘曲的材料)，消除由于拖尾引起的分辨率的降低或渗色，并且避免可能的机械对象位移。适应性过程可以进一步补偿在利用高收缩或膨胀材料或者较慢活化/固化材料工作时的维度不精确性。在多材料增材制造的情况下，该方法可以改进不完全兼容的材料之间的分界面。
根据以下描述和权利要求书，本发明的其它特征和优点将是明显的。
附图说明
图1是打印机/扫描器的等距视图；
图2是图1所示的打印机/扫描器的截面图；
图3是打印系统的框图；
图4是打印系统的操作的流程图；
图5是示出平面制造层的对象的截面；
图6是示出非平面制造层的对象的截面；
图7是示出计算对象的非平面切片的特征的图；
图8是示出多材料制造层的对象的截面；
图9是示出非均匀多材料制造层的对象的截面；
图10是示出表面高度范围缩小的对象的截面；以及
图11是打印系统。
具体实施方式
参考图1的等距视图和图2的相应截面图，使用示意性表示的三维打印机/扫描器100以通过使用打印头110“打印”对象140的连续薄层来制造该对象。通过在对象的表面142上例如以光栅的方式移动打印头来形成对象的各层，其中通过在沉积材料的同时沿“x”方向移动打印头来形成层的“条纹”，然后在形成该层的下一条纹之前在“y”方向上增量式地移动打印头。通过连续遍移动，使多条条纹沉积以形成在x-y坐标范围上延伸的薄层，从而使对象在(正的、“垂直”的)z方向上增长。在图1～2所示的打印机/扫描器100中，定位子系统135允许将打印头定位于在其上制造对象的构建平台130上的任意(x，y)位置。此外，为了精确打印，打印头优选定位成接近已部分制造的对象的表面，从而要求控制打印头在“z”方向上相对于对象的位置。定位子系统135包括轨道120、124、128和受控滑架122、126的布置。两个滑架122被配置为在打印控制器的控制下沿着相应轨道120在y方向上横向移动，其中轨道120与构建平台130成固定关系地在y方向上延伸。轨道124被固定在滑架122之间，使得轨道124在x方向上保持定向。滑架126被配置为在打印控制器的控制下沿着轨道124在x方向上横向移动。打印头110在z方向上的定位使用在z方向上延伸的轨道128，其中滑架126被配置为使该轨道在z方向上移动(即，上下移动)。在该示例中，打印头110固定至轨道128，从而允许将打印头110定位在z轴上。打印机/扫描器100包括控制器(图1中未示出)，其中该控制器控制滑架在轨道上的定位，从而控制打印头的三维运动。应当理解，图1～2所示的定位系统135仅仅是示意性示例，并且可以使用能够实现打印头的三维定位和运动的其它布置。例如，作为z轴定位的替代，构建平台130可被配置为沿着z轴定位以使得正被制造的对象的表面142保持在相对于被配置为在x-y方向上移动的打印头110的最佳位移处，并且整个构建平台可以在三个轴上移动且打印头保持固定或者也可以移动，一般来说，下述方法可以与各种定位系统一起使用。
打印系统110还包括扫描器112，其中该扫描器112用于扫描正被制造的对象140。一般来说，如以下更全面地描述，使用从扫描器获得的扫描数据适配打印头的控制并从而适配对象的制造，以适应对象的实际制造相对于理想制造计划的偏差。例如，该方法可以在对象正被制造时适应该对象相比于对象模型的形状、材料组成和/或颜色的偏差。在图1所示的打印机/扫描器100中，扫描器112被配置为可在三个维度上定位，并且特别地在本实施例中相对于打印头110固定，使得用于定位和移动打印头110的相同定位系统135可以用于定位扫描器。在其它布置中，扫描器可以使用单独的定位系统。此外，如以下进一步所述，扫描器中所使用的扫描技术依赖于扫描器112可定位于对象上方的x-y平面中，但是应当理解，存在不必要求这种定位、同时仍然能够提供用于后述的方法中的合适的扫描数据的其它扫描技术。
参考图2的截面图(即，在x-z平面中)，示出在构建平台130上制造的部分制造对象140。部分制造对象140被示出为具有高度上非均匀的表面142(因此在x-y平面中不完全水平，即具有不是平面或者不与构建平台130平行的表面)。实际上，尽管打印机可被控制为沉积理想情况下将会产生水平表面的层(各层具有与构建平台平行(即，与x-y平面平行)延伸的恒定高度(z值))，但是诸如正从打印头沉积的材料的不完全率、材料固化期间未预测到或非均匀的体积变化、以及材料之间的相互作用的影响等的因素可能导致像表面142那样的凹凸表面。表面142最终是由于一些最近沉积层相对于先前层具有高度上的变化而形成的。如以下进一步所述，使用扫描器112(图2中未示出)来扫描表面142以产生扫描数据，其中根据这些扫描数据可以获得部分制造对象的深度图。这种深度图部分地用于修改打印头110的控制以适应非均匀表面142。
参考图3的功能框图，包括打印机/扫描器100的打印系统300的操作使用由打印机/扫描器中的扫描器112产生的扫描数据350。扫描数据350包括表征将在其上打印其它层的表面的信息。图像处理器360处理扫描数据350以产生表面数据370(在本示例中包括深度图)。注意，如以下进一步讨论，“表面数据”应被理解为包括与对象的边界相关联的数据(诸如其高度)，并且可以另外或作为替代地包括与边界附近、例如制造对象内的浅区段(例如，相邻体积具有一个或多个或数百个沉积层的厚度)中的区域相关联的数据。深度图表示作为(x,y)坐标的函数的部分制造对象的实际实现高度。计划器320使用表面数据370以及包括三维对象模型的对象数据310作为输入，并产生一般表征与要沉积在部分制造对象上的层相对应的多个(例如，10～100个)切片的制造数据330。(大体上，为了清楚起见，这里所使用的“切片”一般表示模型的薄部，而“层”一般表示制造对象中的切片的物理实现。)一般地，制造数据包括针对各切片的计划(“切片计划”)，其中特定切片的计划包括要沉积材料的x-y坐标空间的指定区域，可选地还包括可以在各区域上不同的诸如厚度、材料等的特征。制造数据330作为输入传递至打印机控制器340，并且打印机控制器340处理制造数据并将所得到的控制信息以打印机/扫描器100中的打印头110和定位系统135所要执行的打印指令的形式提供至打印机/扫描器100。如以上所介绍的，打印机/扫描器100能够作为打印机和扫描器这两者进行操作。例如，在打印机/扫描器100针对切片计划中的所有切片沉积了各层材料之后，其进入如下的扫描模式，在该扫描模式中，扫描器112以捕捉与扫描器和表面之间的相对距离相关的信息的方式感测打印表面。打印机/扫描器100提供该信息作为以上讨论的扫描数据350。可以使用各种扫描技术，包括使扫描器在x-y坐标范围内来回通过的技术。
参考图4，在流程图400中示出以上概述的在适应部分制造对象的高度变化的情况下的计划和沉积过程。打印过程可以开始于基于对象模型来计划初始切片集(步骤410)。(可选地，在后述的扫描步骤430处进入制造循环)。例如，对于对象的初始切片集，第一切片被计划作为平坦构建表面上所要形成的对象模型的平行平面薄区段。所计划的各切片的一个方面是要沉积材料的采用x-y坐标的形式的空间范围。一旦已经计划了切片集，系统就控制打印机以根据该切片集来沉积各层材料(步骤420)，例如根据使用打印头运动的光栅图案的各层的x-y空间范围。一旦切片集的层的材料已经沉积，系统就扫描对象的新形成的表面(步骤430)，并且基于通过扫描获得的扫描数据来确定表示所实现的表面形状的深度图(步骤435)。在理想场景中，深度图可以示出完全水平(恒定z)的表面，但更典型地，在部分制造对象的表面上存在深度变化。系统现在使用后述的工序、基于对象模型和深度图来计划下一切片集(步骤440)，其中该工序适配切片以匹配所确定的实际深度图，并仅将材料沉积在对象模型中所指定的对象体积内。如果对象已经完全制造好(即，不存在要沉积的层)，则过程结束(步骤450)。否则，使用(在步骤440中确定的)计划切片集来控制打印机以针对下一切片集沉积层(步骤420)。如以上所介绍的，可以在扫描步骤(430)处进入该循环，其中在沉积任何切片之前扫描初始表面结构。尽管在完全平坦的构建表面上制造的情况下可能不需要这种扫描，但在以下详细描述的特定实施例中，制造可以在例如电子电路、支撑结构等的其它结构上构建对象，并且初始扫描可以表征该其它对象的表面。
返回参考图3，图像处理器360接收扫描数据350。例如，扫描数据可以针对多个x-y坐标(例如，在规则网格上)提供作为z方向上相对于扫描器的距离的函数的密度值，使得在表面处密度的快速变化标志着对象的表面的存在。图像处理器360基本上将扫描数据转换为表面的例如包括部分制造对象的深度图的特征。例如，深度图表示与对象数据310的对象模型兼容的坐标系中的作为x-y位置的函数(即，函数z(x,y))的对象的制造高度(z值，高于构建平台130的高度)。例如，图像处理器360在确定深度图时考虑构建表面130和扫描器之间的z距离。
一般地，深度图定义了穿过三维对象模型的切面(即，二维表面)，使得该切面以下的对象的部分已经制造好，并且切面以上的部分尚未制造。计划器320确定制造数据，以形成要与该切面以上的模型的部分相对应地制造的对象的下一部分。
参考图5中的截面图，在制造锥体对象500(在截面中为三角形)的上下文中示出以上参考图3的框图和图4的流程图所描述的过程。在该图中，对象的部分540已经制造好，并且系统计划要顺次打印在部分540上的接下来的层541～545的集合。在该示例中，假定部分540的上表面在水平(x-y)平面中是完全平面的，并且计划各切片以形成另一水平平面层。各切片的范围被计划成使得在该示例中的各制造层相继更小，从而形成对象模型的锥体形状。也就是说，在这种理想情况下，各层将形成与x-y平面平行的圆盘，其中圆盘的边缘由层的平面和锥体的交叉确定，从而在x-y坐标中形成圆。在图5中，层541～545被示出以均匀的厚度制造，从而保持上层545的平面水平表面。在沉积层545之后，该过程然后将继续以形成整个对象。
参考图6中的截面图，在层不是完全平面的情况下示出制造与图5所示相同形状的锥体对象600的过程。在该图中，对象的部分640已经制造好。然而，与图5所示的部分540不同，该部分640的上表面不具有均匀的高度，并且具有非平面的形状。在制造该部分640之后，系统扫描表面以确定部分制造对象的深度图(图4的步骤430和435)。在该图中，切片集被计划为具有均匀的层厚度，但切片不是平面形状。相反，切片被计划为制造在部分形成的表面上，使得各层具有相同的形状，但是在高度上有所偏移。也就是说，切片是平行的，但一般不是平面的。注意，由于要在其上形成各层的表面的非均匀高度，因此在该图中，各切片的空间(x-y)范围不完全是圆形的。重要的是要认识到，如果已经预先计算了切片，则各切片的理想x-y范围与基于深度图计算出的范围之间的差可能导致制造对象的形状(例如，最终形成的外表面的形状)的不精确性。在该图中，层641～645的集合被沉积在部分640上(图4的步骤420)，在该图示中实现均匀厚度。注意，实际上，即使层641～645被计划为具有完全均匀的厚度，也可能无法实现这种均匀，并且下一个上表面将不会具有与前一个上表面完全相同的形状。然而，通过重复扫描过程，用于计划下一切片的工序与相对于完全均匀层的偏差相适应。
参考图7中的截面图(x-z平面)，确定下一层753的几何结构的一种方法利用部分制造对象的深度图740。深度图740被示出为在x维度上不同，表示为函数z(x,y)。如以上所讨论的，深度图z(x,y)可以通过对部分制造对象的表面的扫描来确定。在这种方法中，为了计划将处于层上方的高度δ处的层，通过使δ与z(x,y)相加来确定偏移深度图743。为了确定层的空间范围753、即该偏移深度图上的落在正被制造的对象内的x-y坐标的范围，确定深度图740和对象的模型表面630的交叉。该方法中的偏移值δ基于要制造的层的计划厚度。在该图中，切片753是要在部分制造对象的表面上制造的第三切片，因此δ被选择为计划层厚度的2.5倍，使得偏移深度图被计划为在中途垂直地落入切片中。
参考图8～9，使用针对部分制造对象的扫描来使计划适应于其它层的一般方法可以用于非平面表面形状以外的方面。例如，沉积多种材料的适配可以使用与图3中所示相同的一般方法。以与彩色喷墨打印机可以使用多于一个的打印头(各自能够供给不同的颜色)来打印彩色图像大致相同的方式，打印机/扫描器100可以配备有多于一个打印头，各打印头能够在模型的制造期间供给不同的材料。一般地，在该示例中，对象数据310包括用于不仅指定对象的三维形状、而且还指定对象内的材料组成的模型。计划器使用该对象数据来形成制造数据，其中该制造数据通过指示打印机将适当的材料或材料混合物沉积在各(x,y)位置处来产生期望的材料组成。
参考图8中的截面图，以与图5所示的锥体对象540大致相同的方式制造锥体对象。然而，在该示例中，锥体对象800被设计为由两种材料制成，锥体对象840的两半各自由不同的材料(左侧为材料“A”，并且右侧为材料“B”)制成，其中材料之间的边界沿对象的几何中心(示出为分割线850)分割对象。与在参考图5所讨论的示例中一样，锥体对象800的部分840A-B已经制造好。对于图8所示的示例，假定在制造期间形成了完全水平的平面层。部分840已被制造为具有部分840A和840B，其中部分840A和840B沿着分割线850在材料“A”和“B”之间具有期望边界。在形成部分840A-B之后，系统计划其它切片841A-B～845A-B，使得各切片在分割线850的任意侧具有来自材料“A”的区段和材料“B”的区段的一部分，例如，层841A-B由材料“A”的区段841A和材料“B”的区段841B形成。在该理想示例中，各层在x-y平面中形成圆盘，其中圆盘的边缘由层的平面和锥体的交叉确定。层841A-B～845A-B被示出为以均匀厚度制造，从而保持上连接层845A-B的平面水平表面、以及材料“A”和“B”之间的理想过渡。
参考图9中的截面图，示出与图8中所示类似的用于制造锥体对象900的过程的另一示例。然而，图9与图8的不同之处在于，尽管对象模型的材料过渡沿中线落下，但是部分940A-B在被制造时不产生所设计的边界，而是材料之间的分割线沿着边界950。例如，来自打印头的材料的不规则流动或固化前的对象上的流动可能导致材料之间不完美的过渡位置。在该示例中，基于来自对象的制造部分940A-B的扫描数据，计划器计划其它切片以例如通过沉积材料形成用于实现期望平均位置的连续边界，来补偿实际边界。
更一般地，在多材料制造情况下，计划器320考虑部分制造对象的实现的几何结构(即，层厚度)和材料分布(例如，材料区域的范围和/或材料混合物按位置的分数组成)这两者来确定针对下一层的模型的切片。注意，层厚度的一些变化可能与使用多种材料相关，例如，一些材料在固化期间比其它材料收缩得更多、或者材料之间的相互作用导致特定的体积变化。在这种情况下，使用几何学来计划所计划切片集的几何形状，并且使用部分制造对象内的材料分布来计划接下来的切片中的材料分布。在一些示例中，使用体积误差扩散算法来补偿先前的层中所产生的材料分布的误差。这在使用连续的材料混合物(例如，功能梯度材料)指定多材料数字模型时也是有用的。
在多材料情况下，扫描器所产生的扫描数据350(参见图3)可以包括来自可推断出材料组成的多个可见和/或红外光谱范围的数据。例如，每种材料通常具有不同的光谱反射率，并且可以通过分析空间变化的多光谱反射率之间的区别来确定材料的组成。可以使用诸如密度、均质性等的其它特征来将扫描数据变换为所实现的材料组成的图。
在一些情况下，多种材料可能颜色不同，并且扫描数据可用于适应所实现的颜色。例如，由于固化过程因而在所实现的颜色中可能存在变化，并且系统适配材料组合以在表面上或对象内产生期望的颜色或颜色分布。
用于解决几何变化的适配过程在某些多种材料情形中特别有用，因为它可以补偿打印过程中所使用的材料之间的厚度的实质性差异。例如，这种方法不要求对所有材料进行优化以使其具有几乎相同的收缩/膨胀特性，使得当材料混合物彼此相邻沉积时，它们形成基本上相等厚度的连续层。这种方法可以适应性地对未来的层进行切片以补偿厚度的差异。
与使用多种材料进行制造的讨论相关，多种材料的一种情况是一种材料在制造期间用于支撑、并在制造之后被移除的情况。例如，当制造具有悬垂部的对象或可在自身重量下凹陷的弹性对象时，通常需要支撑材料和支撑结构。上述的方法以与多材料适应性沉积类似的方式处理支撑材料，由此支撑材料作为多材料对象内的另一种材料进行处理。也就是说，对象模型可以包括期望对象及其支撑材料结构这两者，作为一个组合“对象”。
对于成品形状将由可在自身重量下凹陷的单一材料制成的对象的对象模型，即使成品对象将仅由一种材料制成，系统也使用多种材料来为该对象制定计划。然后，系统可以继续为整合有支撑区域的对象制定计划，其中该支撑区域旨在是暂时性的(因此一旦打印过程结束就被移除)且由刚性材料制成。在打印过程期间可能需要这种多材料支撑的对象类型不仅可以是由容易凹陷的弹性材料制成的对象，而且也可以是在任何情况下不一定意在自由平衡的对象(即，意在安装在较大对象内的组件)，因此需要支撑材料以出于打印目的强加一些自由平衡概念。虽然在这种多材料过程中所使用的支撑材料可以变化，但其始终是暂时性的，并且一旦打印过程完成就被移除。
在以上的讨论中，计划切片被描述为具有均匀厚度。更一般地，薄片可被设计为具有不同的厚度，这是通过控制打印头以随着打印头在对象的表面上行进而以不同速率沉积材料来实现的。设计不同厚度的一个原因与精确的边缘制造相关。在图5所示的简单锥体示例中，各层的外边缘优选具有锥形轮廓，使得层的堆叠产生对象的平滑外表面。因此，应当理解，各切片可被形成为相对于所实现表面的偏移均匀厚度区段与对象模型的体积之间的体积交点。所得到的切片在对象的内部具有均匀厚度，而在边缘处是适当的锥形。
如以上所介绍的，在沉积了多个层之后(例如，在沉积了10层之后)进行对象的扫描。替代方案是更频繁地扫描表面。更频繁扫描的优点是精度可能提高。然而，单独的扫描可能会增加制造对象的总时间。因此，延迟扫描步骤和切片计划直到沉积了一组层为止，这在精度和速度之间提供了有用的折衷。
在一些实现中，在各次扫描之间形成的层数不是固定的，而是在制造过程期间调整。例如，如果层以可预测的形状沉积(即使它不是平面的)，则扫描间隔可能会增加至更多层。如果所实现的形状没有得到很好的预测，则扫描间隔可能会缩短。
在一些实现中，可以基于正在形成的对象的材料和/或几何结构来选择各次扫描之间的固定或初始层数。例如，基于实验数据，可以知道特定材料产生不可预测的厚度变化、因此所示的扫描间隔较小，而另一种材料可能已知以可预测的厚度沉积、因此不需要那么频繁的扫描间隔。类似地，具有细节特征的对象几何结构可能需要更频繁的扫描，而具有大规模特征的对象可能不需要如此频繁的扫描。
更一般地，可能存在用于确定初始或适配的扫描间隔的许多特征，包括制造对象的期望精度、对象内的几何特征或材料组成、打印过程期间检测到的不精确度水平、以及为了多材料打印而进行的打印期间检测到的不同材料的比率。
在一些实施例中，扫描与打印过程同时执行，从而不会产生用于扫描对象的延迟。例如，在图1所示类型的扫描器/打印机中，在打印图案遵循x方向上具有条纹、y方向上具有条纹偏移的光栅图案的情况下，可能可以扫描沿着一个y值处的先前条纹实现的高度，同时在另一y值处沉积层的条纹。
应当理解，上述的方法不限于特定的增材制造过程。例如，可以使用各种类型的基于喷墨的打印、光聚合物相变喷墨、热相变喷墨、喷墨金属打印、熔丝制造、以及使用分送系统的增材制造。
类似地，应当理解，上述的方法不与特定扫描技术相关。一般地，扫描器收集与部分制造对象有关的信息，其中该信息用于适配下一层的制造。该信息可以包括但不限于部分打印对象的最上表面、部分打印对象的高度图、或者部分打印对象的全部或部分体积扫描。可以使用多种3D扫描方法，包括但不限于诸如时域OCT、频域OCT、扫频源OCT等的光学相干断层成像(OCT)、根据镜面反射恢复面形、共聚焦显微技术、干涉法、太赫兹成像、立体三角测量等。另外，还可以捕捉(例如，使用多光谱照相机的)多光谱2D扫描。系统的一个实施例使用光学相干断层成像(OCT)(一种非相干光干涉法)来扫描部分打印对象的表面附近的体积并提取最上表面。在基本操作中，扫描系统捕捉与整个构建体积相对应的信息。在用以节省扫描时间的优化操作中，扫描系统捕捉与上一打印层(例如，自对象的最后一次扫描以后沉积的层)所跨越的区域/体积相对应的信息。在一些实施例中，扫描器可以对小于打印装置的构建区域的扫描区域体积进行成像。在这种情况下，扫描过程将整个区域/体积(或上一打印层所跨越的区域/体积)分割为较小的子区段。然后，其扫描各子区段，并将这些子区段组合为完整的扫描。如以上所介绍的，在一些实施例中，扫描器可以捕捉扫描器正下方的小区域，并且扫描器在对象上方以光栅的方式通过以构建该对象的整个扫描。
在一些示例中，计划切片可被设计为将表面恢复为与构建表面平行的平面形状。例如，如专利公开US 2016/0023403中所述，切片可被计划为形成一个或多个校正层。
更一般地，可以使用厚度变化的切片来计划部分校正层，这可能仅部分地解决表面的非平面形状。例如，随着更多层沉积，对象的最上表面内的最大高度和最小高度之间的差可能增大。然而，可以期望将这一高度差保持在限制范围(通常小于几毫米)内。对此的一个原因是，对于许多增材制造过程，沉积的精确性取决于打印头和制造对象之间的距离。理想地，该距离应当小于几毫米。如果高度差大并且打印头接近表面，则该打印头可能与制造对象碰撞并损坏制造对象。因此，这种适应性过程确保高度差始终在期望范围内。这是通过有选择地减少具有最大/大高度的区域中的材料沉积并增加具有最小/小高度的区域中的材料沉积来实现的。例如，这是通过操作层厚度(例如，在喷墨过程中选择性改变滴大小)或在低高度区域中添加附加层来实现的。
参考图10，对象1000的下部1040已经制造好，并且被示出为具有显著凹凸的表面1040a。在本示例中，凹凸表面1040a的整体高度变化大于打印机(未示出)优选地适应的高度变化。例如，对于所示的高度范围，打印头可能不得不离表面更远，从而导致材料沉积的不精确性。以上概述的用以解决这种情形的一般办法是例如通过将“高”的(x-y)区域从特定切片中排除、或者减少这些区域中的切片的计划厚度来使计划切片集减少变化。例如，如图所示，切片1041～1045可被计划为具有不同厚度，并且被计划为实现整个表面1045a，其中该表面1045a可能是但不一定是平面的。例如，切片1041可被计划为在扫描表面的“谷”中具有一个厚度1010而在扫描表面的“峰”附近具有较小厚度1020。
应该理解，计划切片厚度仅仅是计划打印头可以针对层进行材料沉积的方式的一种方法。更一般地，在按需滴定打印的情况下，材料滴的大小、精确位置、或打印头的驱动波形可控制的其它特征可以被计划为适应于对象的已制造部分。例如，将小滴沉积在对象的边缘附近或精细几何结构附近、同时将较大滴沉积在对象的大块部分可以是有益的。
在许多应用场景中，期望将辅助对象与增材制造对象进行组合。例如，可以将集成电路(IC)、内部支撑结构、或预制(例如，块)组件与增材制造的外壳或盖进行组合。很一般地，辅助对象可被视为要制造的对象的模型的一部分。
在一种情形中，辅助对象位于对象底部，并且可以在增材制造过程开始之前直接置于构建平台130上。初始扫描确定辅助对象的精确位置，从而实现辅助对象和对象模型的空间配准。此时，使用部分对象(此时只是辅助对象)的深度图来开始计划切片集，例如如图4的流程图所示，在步骤430处开始(即，辅助对象的放置基本上替代了步骤420)。然后，该过程如流程图所描述地那样继续，直到对象被完全制造好为止。注意，如果辅助对象特别厚，则可以通过将切片限制到“低”区域来减小高度的范围、直到整体高度变化被适当地限制以允许在部分制造对象的整个表面范围上精确地沉积材料为止，而不是将切片计划为在整个表面上延伸。
更一般地，在另一辅助对象情形中，在已经增材制造好一部分之后向对象添加辅助对象。也就是说，辅助对象最初不必置于构建平台上。为了对象的增材制造部分与一个或可能多个辅助对象相组合，该方法如下进行。对对象进行部分制造，直到到达第一辅助对象的位置为止。这可能包括打印更多层，使得在要插入辅助对象的位置处形成制造对象中的空空间。然后，将第一辅助对象插在正确的位置处。这可以通过自动化机器人(例如，取放机器)或者手动地(例如，由人类操作员)完成。此时，扫描部分制造对象和新添加辅助对象的组合以确定组合的深度图，并且基于对象模型和深度图来继续切片集的计划。
在要添加更多辅助对象的情况下，过程继续制造，直到到达下一辅助对象的位置为止。接着，插入辅助对象。该方法以这种方式继续，直到整个增材制造对象被制造好为止。
注意，可以使用在插入辅助部分之后的组合对象的扫描来检测放置的误差。例如，对于辅助对象的放置可能存在规定容差，并且如果超过该容差，则可以重新定位辅助对象，并再次进行扫描以产生新的深度图。如果满足容差，则可以继续增材制造过程。
注意，添加辅助部分之后的增材材料沉积适应于辅助部分的精确放置，从而避免了可能由于辅助对象的可容许但不精确的放置引起的空洞或其它缺陷的可能性。
如以上所介绍的，在一些示例中，扫描过程不仅直接在表面上、而且至少针对自对象的最后一次扫描以来沉积的切片集的层的深度产生与部分制造对象有关的信息。与这些制造层有关的信息可以包括密度(例如在单一材料制造的情况下)，并且可以包括材料组成(例如多种材料的分数组成)。尽管各次扫描包括与对象的少数层有关的信息，但是扫描可被存储并且例如基于各次扫描时的扫描器的已知z高度而垂直地“拼接”在一起。例如，各次扫描可以提供对象内部的整个合成三维图像的非平面薄部分。
该合成图像中的信息可以例如用于估计并报告数字模型和制造对象之间的误差。这包括几何误差和材料放置的误差这两者(例如，在多材料增材制造的情况下)。该信息还可以用于估计并报告辅助对象的放置误差、或指导需要准确了解辅助对象的位置以例如进行电气连接的进一步制造。合成的三维图像还可以用于质量保证目的、对象属性的估计、以及根据给定指南的部分认证。
上述的技术可以与Sitthi-Amorn、Pitchaya、Javier E.Ramos、Yuwang Wangy、Joyce Kwan、Justin Lan、Wenshou Wang和Wojciech Matusik在美国计算机学会图形学汇刊(TOG)第34卷第4期，Proceedings of ACM SIGGRAPH 2015(2015年8月)第129页的出版物“MultiFab:a machine vision assisted platform for multi-material 3D printing”中所描述的组件(例如，定位、打印、材料、成像组件)结合使用，其中上述文献通过引用而并入于此。类似地，上述技术可以与提交于2015年3月12日、在2016年1月28日公布为US2016/0023403、标题为“Systems and Methods of Machine Vision Assisted AdditiveFabrication”的美国专利申请序列号14/645,616中所描述的技术和组件一起使用，上述文献要求提交于2014年7月28日的美国临时专利申请序列号62/029,921的权益。可公开获得的这些专利申请也以通过引用而并入于此。此外，可以使用以上以及这些并入文献中所描述的方法的组合。例如，可以使用如下两者的组合：计划切片集、以及计划校正层以能够恢复成预先计划的切片来实现表面几何结构的适配。
系统的功能组件(例如图像处理器360、计划器320和打印机控制器340)可以在软件、硬件或软件和硬件的组合中实现。软件可以包括非暂时性机器可读介质(例如，非易失性半导体存储器)上所存储的处理器指令，使得这些指令在被处理器执行时使处理器进行上述的功能。硬件实现可以包括专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGS)、以及微控制器等。参考图11，在示例性实现中，计算机110保持在软件中实现的包括图像处理器360、计划器320和打印机控制器340的组件。软件在计算机的处理器1106上执行，使用存储器1104并经由外围接口与打印机/扫描器10进行通信。计算机还包括数据接口1108，用于访问保持模型数据310的数据存储装置110。
应当理解，前述说明旨在示出而不是限制本发明的范围，该范围由所附权利要求书的范围限定。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种三维模型数据(310)所表示的对象的增材制造所用的方法，所述方法包括：
使用在制造所述对象的第一部分之后从扫描器(112)获得的第一扫描数据(350)来计算表征所述对象的第一表面的第一表面数据(370)，其中，所述第一部分形成所述对象的第一表面；
根据针对所述对象的所述第一表面数据和所述三维模型数据(310)来确定表征所述对象的第一表面上的增材制造所用的第二层集的第二制造数据(330)，其中所述第二层集中的至少一个层表示由所述第一表面数据确定的非平面表面和/或非均匀材料组成；以及
提供所述第二制造数据以控制打印机(100)制造所述第二层集。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象的第一表面具有不同的水平。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二层集被确定为相对于所述第一表面偏移，并且所述第二层集具有根据所述对象的模型数据所确定的、在沿着第一表面的维度上的空间范围。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二层集中的各层被确定为具有均匀的厚度，各层各自相对于所述第一表面均匀地偏移。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一表面数据包括针对所述第一表面的第一深度图。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定表征所述第二层集的第二制造数据包括针对所述第二层集中的各层：
确定相对于所述第一深度图的偏移深度图，
确定与所述偏移深度图和由所述三维模型数据所确定的对象的交叉相对应的截面，以及
确定所述截面的空间范围。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述模型数据表征整个所述对象的材料组成，以及所述第一扫描数据表示与所述对象的第一表面相关联的不同材料组成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二层集被确定为具有由对象数据以及与所述第一表面相关联的不同材料组成所确定的不同材料组成，以与所述模型数据所表征的材料组成相匹配。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
制造所述对象的第一部分，包括形成所述第一表面。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述对象的第一表面上制造所述对象的第二部分，包括根据所确定的第二制造数据来制造所述第二层集中的各层。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，制造所述对象的第二部分形成所述对象的下一表面，以及所述方法还包括重复以下过程一次或多次：
使用在制造所述对象的第二部分之后从所述扫描器获得的扫描数据，来计算表征所述对象的下一表面的下一表面数据，其中，所述第二部分形成所述对象的该下一表面；以及
根据针对对象的所述下一表面数据和三维模型数据来确定表征对象的该下一表面上的增材制造所用的下一层集的下一制造数据；以及
在对象的该下一表面上制造所述对象的下一部分，包括根据所确定的下一制造数据来制造所述下一层集中的各层，其中，制造所述下一部分包括形成对象的该下一表面。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括组合在制造所述对象的多个部分之后从所述扫描器获得的扫描数据以合成所制造对象的三维图像。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，还包括将辅助对象与通过增材制造而形成的部分进行组合来形成所述对象的第一部分，其中所述辅助对象形成所述对象的第一表面的至少一部分。
14.一种非暂时性机器可读介质，其包括用于使计算机控制的三维打印系统进行权利要求1至13中任一项所述的所有步骤的指令。
15.一种三维打印系统，其包括被配置为进行权利要求1至13中任一项所述的所有步骤的控制器。
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