使用反馈用于校正体积断层扫描打印机中的三维物体的系统和方法与流程

使用反馈用于校正体积断层扫描打印机中的三维物体的系统和方法
1.发明背景
1.发明领域
2.本发明涉及一种系统和方法，其通过使用3d物体的原位测量、随后校正动作以改善用于由光响应材料体积制造三维物体或制品的体积断层扫描打印机中的3d物体的质量，诸如分辨率和保真度，这是相对于现有技术的显著改善。特别地，本发明涉及体积制造系统，其中被制造的制品或物体被实时成像和监测。
2.

背景技术：

3.体积断层扫描打印的工作原理(wo2019/043529a1)完全不同于常规增材制造(am)中的传统逐层方法(即在一层上形成另一层的3d打印)。
4.在常规增材制造中，三维物体通过物体体积的逐点扫描或以逐层方式制造。一个实例是立体光刻(sla)(参见例如us-5,344,298)，其中通过在施加随后的层之前在光照射下固化可光固化抗蚀剂一次一层地形成物体。物体的连续层可以例如通过逐点扫描激光束限定，如us-5,344,29中所建议的，或者通过数字光处理(dlp)技术限定，如us-6,500,378中所描述的。
5.在这些方法中，通过使用高度吸收性和强反应性树脂控制连续物体层的光聚合过程。层厚度的范围通常为10μm至200μm。为了使良好限定的树脂层固化，在树脂中通常包含高浓度的一种或多种光引发剂和染料，使得它们具有高度吸收性和强反应性(t.baldacchini,three-dimensional microfabrication using two-photon polymerization,william andrew,2015)。因此，在sla和dlp中使用高度吸收性油墨是有益的，因为它防止已经加工的层被正在形成的下一层暴光，这可能导致制造假象，在增材制造中称为过固化的现象。
6.为了克服逐层光基am技术即数字光处理(dlp)和立体光刻(sla)的几何约束和生产量限制，已经提出了多光束am技术(shusteff,m.等人,one-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures,sci adv 3,eaao5496
–
(2017)；kelly,b.e.等人,volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction,science 363,1075
–
1079(2019)；loterie,d.,delrot,p.&moser,c.,volumetric 3d printing of elastomers by tomographic back-projection(2018),预印本doi:10.13140/rg.2.2.20027.46889)。这些技术随后被称为体积断层扫描打印或基于断层扫描的增材制造(断层扫描增材制造)。
7.在基于断层扫描的增材制造方法中，物体不是通过使光聚合物的层顺序固化形成的，而是用计算的光图案从多个角度照射一定体积的透明光响应材料，这导致光剂量的局部累积和随后的具体物体体素的同时固化，以便在单个步骤中制造三维物体。与现有方法相比，该方法的主要优点是其非常快的制造时间(低至几十秒)，以及其打印复杂中空结构
而不需要逐层制造系统中所需的支撑结构的能力。
8.为了在构建体积中实现正确的三维光剂量沉积，从多个角度投射的二维光图案必须照射整个构建体积。因此，使用在照射波长下具有低吸收率的树脂。通常，在具有等于构建体积的直径的1/e的照射光的衰减长度的断层扫描增材制造方法中实现正确的光剂量沉积，其设定光引发剂浓度的上限。
9.尽管这样的体积部件产生允许加工比现有dlp和sla技术(》4pa.s)中更粘的树脂，其产生更高生产量(》105mm3/小时)，但由多光束am证实的最小特征尺寸目前限于大约300μm。
10.与其中通过使用高度吸收性树脂控制层的聚合程度的dlp和sla相反，体积am需要透明树脂，这导致对光聚合过程的空间和时间控制降低并因此限制可实现的打印分辨率。
11.因此，必须监测断层扫描光聚合过程以实现物体或制品的高分辨率制造。
12.因此，需要一种稳健的、工业上可应用的方法和系统，其经由基于断层扫描的增材制造对正在以各种直径的圆柱形构建体积制造的制品或物体成像和监测。
13.发明概述
14.本发明避免采用体积方法，采用诸如断层扫描反投影的打印的3d物体的所有先前缺点。
15.本文公开的本发明提供更高的分辨率。实验证明通过反馈增强的断层扫描重建显示出80μm的分辨率和厘米级丙烯酸和硅酮部件的体积制造。
16.详细地，本发明涉及一种用于由期望的3d制品的模拟断层扫描二维反投影监测在断层扫描增材制造系统中正在形成的三维物体的生成的方法，所述方法包括以下步骤：
[0017]-用由所述二维反投影以多个角度产生的二维光图案的光束照射包含光响应材料的容器，优选地通过容器的旋转进行，以便在容器中形成物体；
[0018]-用围绕物体正在其中形成的容器设置的成像系统捕获通过体积打印正在形成的所述物体的图像；
[0019]-由所述图像确定物体已经形成的形状或程度，优选地通过计算机化的物体识别进行；
[0020]-基于所述确定，或者
[0021]
i.生成用于断层扫描打印的新的一组二维光图案；
[0022]
ii.实时校正用于断层扫描打印的二维光图案；
[0023]
iii.延续所述断层扫描增材制造过程；或者
[0024]
iv.停止所述断层扫描增材制造过程，从而完成所述物体(5)的形成。
[0025]
优选地，变型i)至iv)自动进行。
[0026]
根据优选的实施方案，本发明涉及一种用于在体积反投影打印机中获得一组校正的投影图案的方法，所述方法包括以下步骤：
[0027]-用围绕物体正在其中形成的容器设置的成像系统测量通过体积打印正在形成的物体的二维投影；
[0028]-由所述二维测量的投影形成三维图像；
[0029]-提取期望的3d物体与用成像系统测量的物体之间的差值；
[0030]-通过反向断层扫描反投影产生新的一组投影图案。
[0031]
优选地，从原始3d数字物体、更优选地从3d cad物体计算所述期望的3d制品的二维投影。
[0032]
优选地，所述物体的图像由所述成像系统捕获，同时用二维光图案照射所述容器。
[0033]
优选地，所述方法进一步包括以下步骤：在用二维光图案照射所述容器之前，以多个角度捕获包含光响应材料的容器的参考背景图像，优选地通过容器的旋转进行，其中在由所述图像确定物体已经形成的形状或程度的步骤中，从所捕获的正在形成的所述物体的图像减去参考背景图像，以便使用阈值检测树脂容器的被聚合的部分。特别地，通过断层扫描反投影方法由这样的检测到的聚合部分创建3d图，并且通过将所创建的3d图与原始3d数字物体、优选地与3d cad物体进行比较而产生新的一组投影图案，其中所述新的一组投影图案用于通过重新开始所述方法打印同一物体(5)，使用第一打印的物体(5)作为牺牲打印，或者用于实施实时校正反馈系统。
[0034]
优选地，由检测到的聚合部分产生物体的、由每个捕获的图像和任选的背景图像被记录的角度来看已经形成的区域的图，和
[0035]-如果检测到物体(5)的所有部分已经形成，则停止所述方法，或者
[0036]-如果检测到物体(5)的部分没有形成，则继续所述方法而不修改二维光图案，或者
[0037]-用于断层扫描打印的二维光投影被实时校正，使得在用以形成物体的光的二维投影中，在相应角度处的相应区域被禁用或衰减。
[0038]
优选地，成像系统包括用于产生捕获的图像的结构化照射。特别地，提取正在形成的物体的捕获的图像与期望的3d制品之间的差值，所述差值用于通过反向断层扫描反投影产生新的一组投影图案。尤其优选地，所述提取的差值用于确定物体是否已经被完全制造或者物体的形状是否正确，其中如果确定物体完全制造则停止所述方法，或者如果物体的形状正确或者确定制品未完全制造则继续用二维光图案照射容器。根据包括结构化照射的该实施方案的另一优选变型，物体的二维投影的所述测量中的每个是这样获得的：由先前用所述成像系统从一定角度测量的第二二维投影对用所述成像系统以所述相同角度测量的第一二维投影进行差分叠加。
[0039]
优选地，光束由dlp调制器中的投影图案调制。
[0040]
还优选地，光束和结构化照射或测量光束以90
°
的角度进入容器。
[0041]
本发明还涉及一种在体积反投影打印机中打印物体的方法，所述方法包括以下步骤
[0042]-用以上方法获得一组校正的投影图案；
[0043]-使用所述组校正的投影图案打印物体。
[0044]
本发明另外涉及一种在体积反投影打印机中使物体成像用于监测三维制品的生产过程的方法。
[0045]
本发明还涉及一种用于进行以上所定义的本发明的方法的系统，其包括
[0046]-用于提供待聚合的光响应材料的树脂容器，其中所述树脂容器是可旋转的；
[0047]-用于提供待被引导入树脂容器中的二维光图案的光束的单元，所述单元包括dlp调制器和优选的至少一个透镜；
[0048]-围绕树脂容器设置的成像系统，其中所述成像系统包括a)测量光束、照相机和透
镜系统，或b)发射结构化光图案的显示单元、透镜系统、任选的滤光器、以及照相机传感器；和
[0049]-处理单元，其用于当进行本发明的方法时从由成像系统捕获的图像确定物体已经形成的形状或程度。
[0050]
优选地，所述显示单元包括选自由具有一种或多种颜色的光照射的液晶显示器、具有一种或多种颜色的有机发光二极管显示器、以及发光二极管显示器的部件。
[0051]
优选地，所述树脂容器被布置在折射率匹配液体浴中。
[0052]
优选地，所述成像系统和所述用于提供待被引导入树脂容器中的光束的单元被布置成使得在光束或结构化照射与进入树脂容器时的光束之间形成角度，优选地形成90
°
的角度。
[0053]
附图简述
[0054]
参考以下非限制性描述、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中：
[0055]
图1：是根据本发明的体积断层扫描打印机和三维成像系统的第一实施方案的示意图。
[0056]
图2：是根据本发明的树脂固化的三维测量和投影图案的校正的第一实施方案的工艺流程示意图。
[0057]
图3：示出没采用反馈和采用根据本发明第一实施方案的反馈机构的情况下打印的物体的示例。
[0058]
图4：是根据本发明的用于将校正的图案用于后续3d打印的工艺流程的第一实施方案的一个替代方案的示意图。
[0059]
图5：是用于在根据本发明的物体的制造期间实时地使用校正的图案的工艺流程的第一实施方案的另一替代方案的示意图。
[0060]
图6：是本发明的第二实施方案的透视图，其中结构化照射实现对正在用断层扫描增材制造设备生产的三维制品成像。
[0061]
图7：是用类似于图6中所展示的设备进行的断层扫描增材制造的实验性结构化照射成像。
[0062]
图8：是描述根据本发明的第二实施方案的用以增加结构化照射成像灵敏度的方法的流程图。
[0063]
图9：是根据本发明的第二实施方案的采用差分叠加方法进行的以增加成像灵敏度的断层扫描增材制造的实验性结构化照射成像。
[0064]
图10：是描述根据本发明的第二实施方案的使用结构化照射成像自动停止断层扫描增材制造过程的方法的流程图。
[0065]
图11：是描述根据本发明的第二实施方案的使用结构化照射成像校正断层扫描增材制造过程的二维光图案的方法的流程图。
[0066]
图12：是描述根据本发明的第二实施方案的另一变型的使用结构化照射成像校正断层扫描增材制造过程的二维光图案的方法的流程图。
[0067]
图13：是描述根据本发明的第三实施方案的使用结构化照射成像校正断层扫描增材制造过程的二维光图案的方法的流程图。
[0068]
发明详述
[0069]
本发明涉及体积断层扫描制造系统，其中被制造的制品或物体被成像和监测，优选地被实时成像和监测。在断层扫描增材制造中，监测导致形成三维制品的光聚合过程对于获得相对于其数字三维模型的高几何保真度和适应不同树脂的反应性是关键的。本发明公开监测三维制品的断层扫描增材制造的设备和方法，优选地采用结构化照射。
[0070]
在例如wo2019/043529a1或us2018/0326666a1中已经描述了体积反投影打印，包括获得期望的3d制品的模拟断层扫描二维反投影并由所述二维反投影产生二维光图案的方法，以及适合所述打印技术的各种打印机。在断层扫描体积增材制造中，一定体积的光响应材料被光的图案从许多方向照射。这些光的图案用类似于用于x射线计算机断层扫描，也称为医学ct扫描仪的算法计算。这些算法是技术人员已知的。
[0071]
断层扫描方法以这样的方式递送3d光剂量，即当单个体素获得足够的剂量时，其从液体变成固体。由于固体与周围液体之间的折射率差值，该单个体素立即散射光。为了避免光散射，所有3d体素必须同时从液体转变成固体。形成物体的所有3d体素必须瞬时获得相同的光剂量的要求是精确形成3d物体的精髓。
[0072]
光束不均匀性、树脂不均匀性、小瓶不均匀性、以及由于放热聚合反应而依赖于局部温度的化学反应动力学的增加，使得系统难以以开环配置获得3d打印的物体的最高分辨率和保真度。由于这些原因，对于断层扫描打印，反馈系统不是“具有也很好”的特征，而是“必须具有”的特征。
[0073]
如果正在使用的树脂具有与操作者已知的树脂不同的反应性，则监测并因此检测断层扫描生产的物体的制造实现例如自动停止构建体积的暴光。另外，如果比理论预期更快或更慢地形成物体，则监测并检测断层扫描生产的物体的制造实现自动停止构建体积的曝光。此外，监测断层扫描生产的物体的制造实现对所形成的物体相对于数字模型的几何保真度的测量，并因此实时地或从一次打印到另一次打印调整照射构建体积的光图案。
[0074]
对透明光响应液体或凝胶中正在聚合的透明物体成像可以通过在厘米级体积上测量物体的固体相与未反应的光响应材料的液体相或凝胶相之间的小的折射率变化来实现。对于丙烯酸树脂，树脂的单体与聚合物形式之间的该折射率变化通常是0.01至0.05(refractive index of methacrylate monomers&polymers.technical bulletin[在线].esstech inc.,2010[在2020-03-19检索]。从https://www.esstechinc.com/refractive-index-of-methacrylate-monomers-polymers/)检索。
[0075]
根据本发明，发现测量物体的固体相与未反应的光响应材料的液体相或凝胶相之间的折射率变化可以用于建立稳健的、工业上可应用的方法和系统，以通过基于断层扫描的增材制造对在各种直径的圆柱形构建体积中正在制造的制品或物体进行成像和监测。
[0076]
测量小折射率可以采用先进的光学技术，诸如干涉成像或纹影成像进行。
[0077]
虽然干涉成像是前述技术中最敏感的，但是不容易使其适应断层扫描光聚合过程的测量，因为它需要复杂的光学设置、清洁的相干光源以及确保精确测量的补偿路径(srivastava,a.,muralidhar,k.&panigrahi,p.k.comparison of interferometry,schlieren and shadowgraph for visualizing convection around a kdp crystal.journal of crystal growth 267,348
–
361(2004))。在基于断层扫描的增材制造中，在旋转的圆柱形玻璃小瓶，即构建体积中生产物体。为了进行干涉测量，必须使测量路
径和空白补偿路径均衡。然而，补偿由构建体积引起的柱面像差需要另外的光学器件或将构建体积置于填充有折射率匹配液体的浸没浴中。液体补偿路径在工业级设备内是不实际的，因为液体可能在机器的内部敏感部件上蒸发或溢出。此外，干涉测量受其对热梯度，像在基于断层扫描的增材制造中在物体的放热光聚合进行期间产生的热梯度的高灵敏度的影响。
[0078]
其中测量折射率梯度的纹影成像实际上不适于监测基于断层扫描的增材制造。纹影成像需要在光学上过滤未被密度梯度折射的光场。以与干涉成像相同的方式，由构建体积引起的柱面像差将需要光学补偿以正确地滤掉未折射光线以进行纹影成像。这样的补偿不能适应不同的构建体积直径或需要使用填充有折射率匹配的浸没浴。因此，纹影成像在工业级断层扫描打印机内是不能直接适用的。
[0079]
详细地，本发明涉及一种用于监测和测量三维制品的断层扫描增材制造的设备。
[0080]
根据本发明的第一实施方案，使用阴影照相(shadowgraphy)方法进行监测。
[0081]
详细地，根据第一实施方案的用于在体积反投影打印机1中获得一组校正的投影图案9的方法，所述方法包括以下步骤：
[0082]-用围绕物体5正在其中形成的容器3设置的成像系统6、7、8测量通过体积打印正在形成的物体5的二维投影；
[0083]-由所述二维测量的投影形成三维图像；
[0084]-提取期望的3d物体与用成像系统6、7、8测量的物体5之间的差值；
[0085]-通过反向断层扫描反投影产生新的一组投影图案9。
[0086]
所述待形成的物体是三维物体/制品。
[0087]
图1示出根据本发明的第一实施方案的体积反投影打印机1的实施方案的示意图。成像系统2由准直照射光束2a、dlp调制器2b和透镜系统2c组成。所述准直照射光束2a入射(即投影二维光图案)在可旋转的树脂容器3(包含光响应材料103的透明容器)上，该树脂容器3装备在折射率匹配液体浴4内，并且在其中物体5由所述光响应材料103通过体积打印，诸如通过断层扫描反投影或通过多光束(具有用于树脂固化的一个或多个波长)形成。具体地，树脂容器3和在其中提供的光响应材料103被设置成旋转的，同时用由所述照射光束2a提供的二维光图案照射。从多个角度照射光响应材料的累积效应是使光响应材料局部光聚合，从而产生物体(三维制品)5。因此，通过用光束2a照射形成物体5。光束2a由dlp调制器2b中的投影图案调制。这样的系统是已知的，例如由wo2019/043529a1或us2018/0326666a1已知。
[0088]
用于监测的另外的成像系统6、7、8包括测量光束6、照相机7和透镜系统8。用所述光束6照射正在形成的物体5并通过适当放大和像差校正的透镜系统8成像到照相机7上。最佳聚焦的平面可以选定在容器3的中部，但不限于此。测量光束6可以由透镜(图1中未示出)延展，以将准直光束投射到所述光响应材料103和形成的物体(三维制品)5上。形成的物体(三维制品)5与容器5中的光响应材料103之间的折射率差值从测量光束6产生折射光束6’。
[0089]
对于容器3的每个旋转角度，图像被记录在照相机7上。测量光束6的波长不同于用于引发物体5的聚合的光束2a的波长，使得它不引起容器3中的光响应材料103的聚合。在图1中，示出附加成像系统6、7、8与产生物体5的照射光束2a成90度角。为了方便起见，在此示出了90
°
角，但是在产生物体5的投影图案(光束2a)与准直测量光束6之间的任何角度都可
以是合适的。根据第一实施方案，除了以上所讨论的那些之外，对测量光束6、照相机7和透镜系统8的种类没有特别的限制。
[0090]
根据图1中所示出的第一实施方案的系统的变型，还可以在没有折射率匹配液体浸没浴4的情况下进行阴影照相法。这是相对于其中必须使用折射率匹配液体浸没浴4的干涉成像和纹影成像的优势。将透明容器3浸没在折射率匹配液体4的浴中不适用于工业规模的设备。折射率匹配液体在密封的机器内将趋向于蒸发，这可能最终损坏相邻的电子器件，诸如透明容器3所连接的旋转平台。
[0091]
在图2中，流程图解释基于正在形成的物体的固化的3d测量计算投影图案的本发明的实施方案。
[0092]
首先，在步骤2.1中，对物体5的三维计算机辅助设计进行处理以在断层扫描反投影体积打印机1中产生一组投影图案9。该步骤可以适用于任何类型的体积打印机，诸如但不限于多光束体积打印机。
[0093]
在步骤2.2中，在旋转构建体积时记录一组参考图像(背景图像)i
b,g,i
(x,y,ai)，然后在步骤2.3中开始实际曝光，其中光波长2a对树脂敏感。
[0094]
在步骤2.4中，成像系统6、7、8的照相机7与树脂容器3的旋转同步地记录构建体积的强度图像ii(x,y,ai,t)。强度成像系统6、7、8与在固化时散射光的任何树脂材料一起使用，以这样的方式使得固化的区域在强度图像中表现为暗色。如果正在形成(即固化的)的物体5微弱地散射光以便保持透明，则相位成像系统可以被替换图1中所展示的强度成像系统6、7、8。现有技术的相位成像系统包括但不限于全息、剪切干涉法或通过强度测量的传输。
[0095]
通过具有与用于使树脂聚合的光束2a的波长不同的波长的延展和准直激光束6从背面照射构建体积(透射成像)。
[0096]
然后，对于每个角度记录新的一组图像，分别进行滤波和降采样以降低噪声和加速处理。如图3(a、c、g、i)中所示，当树脂固化时(由于折射和散射)，其显得更暗。
[0097]
然后，在步骤2.5中，针对每个随后的轮次计算新的一组图像与一组背景图像之间的差值δii(x,y,t)＝ii(x,y,ai,t)-i
b,g,i
(x,y,ai)。
[0098]
然后在步骤2.6中使用阈值δii(x,y,t)以检测该体积的哪些部分在哪些时刻变成固体(即散射的光)。在空间上，该信息在该点上仍然是二维的，因为它是由整个构建体积的2d传输图像得出的。
[0099]
为了建立用于固化所需时间的三维图，在步骤2.7中，使用断层扫描算法以获得时间值将所述差值图像反投影到3d网格中。当在特定角度和时间的透射图像示出“固体像素”(如通过阈值处理程序测量的)时，在3d体积中固化的时间被记录在对应于这些像素并且沿着投影方向取向的线中。如果对于3d中的相同像素组，来自任何其他角度的稍后的透射图像在稍后的时间不示出固化或转变为固态，则对于那些像素增加所记录的固化时间。所得“固化时间”的3d体积直接给出下一次打印所需的强度校正。实际上，剂量d与强度i和时间t有关，因为d＝i
·
t。如果物体的给定部分用更长的时间t以固化，则该部分中的强度i仅需要成比例地增加以使其与模型的其余部分同时固化。在该3d强度调整之后，在步骤2.8中，使用与前述相同的过程由物体的校正模型计算校正的拉东(radon)投影(校正的投影图案)。
[0100]
因此，根据第一实施方案，新的一组投影图案9优选地通过以下步骤产生：
[0101]-由原始3d数字物体，优选地由3d cad物体计算slm(空间光调制器)投影图案；
[0102]-针对树脂容器3的不同旋转角度，用照相机7捕获参考背景照相机图像；
[0103]-用由3d数字物体，优选由3d cad物体计算的slm投影图案用光束2a照射树脂容器3；
[0104]-用照相机7捕获正在形成的物体5的图像；
[0105]-从正在形成的物体5的图像中减去参考背景照相机图像；
[0106]-使用阈值检测树脂容器3的变成固体的部分；
[0107]-通过断层扫描反投影方法创建所述固体部分的3d图；
[0108]-通过将所创建的3d图与原始3d数字物体，优选地与3d cad物体进行比较以产生新的一组投影图案9。
[0109]
所述新的一组投影图案9用于调节光束2a的照射剂量。
[0110]
图3示出当已经使用根据本发明的反馈以及没有使用反馈时，以特定角度来自测量系统的打印的物体的图像以及2d强度图像。它示出根据本发明的反馈改善了打印精度。显然，在图3(a)中，中央动脉不与物体5的其他部分同时形成。如与图3€中所示出的模型相比，这在图3(b)中的制造的物体5中产生不完整的中央动脉。然而，当使用来自反馈系统的校正的一组投影图案9时，中央动脉被正确地打印(图3(c)和(d))。在图3(f)中，用反馈校正图案9打印的肺动脉的照片示出填充有红色染料以更好地显现通道的结构。图3(l)示出使用反馈校正图案打印的助听器模型的照片。比例尺是5mm。
[0111]
图4示出用于计算随后用于新的打印中的校正的一组投影图案9的流程图。基本上，第一打印是用于获得新的一组图案的牺牲打印。如果材料具有相同的性质，则预期新的打印将被校正。
[0112]
因此，根据第一实施方案的该变型，通过使用由3d数字物体，优选地由3d cad物体计算的slm投影图案用光束2a照射树脂容器3而制造的第一打印是用于获得新的一组投影图案9的牺牲打印。
[0113]
在不能进行牺牲打印或进一步提高打印保真度的情况下，可以实施实时校正反馈系统(图5)。
[0114]
图5示出用于计算在实时闭环系统中用于图案投影系统的校正的一组投影图案的流程图(空间光调制器：slm)。在此，计算必须快速以便实时地实施它。因此，根据第一实施方案的该变型，实施了实时校正反馈系统而不是进行牺牲打印。
[0115]
因此，根据第一实施方案，本发明涉及一种在体积反投影打印机1中打印物体5的方法，该方法包括以下步骤
[0116]-用以上所描述的方法获得一组校正的投影图案9；
[0117]-使用一组校正的投影图案9打印物体。
[0118]
根据本发明的第一实施方案，一种用于获得一组校正的投影图案9并且用于在体积反投影打印机1中打印物体5的系统包括
[0119]-用于提供待聚合的树脂的树脂容器3，其中所述树脂容器3是可旋转的；
[0120]-用于提供待被引导入树脂容器3中的光束2a的单元，所述单元包括dlp调制器2b和至少一个透镜2c；
[0121]-围绕树脂容器3设置的成像系统6、7、8，其用于用波长不同于光束2a的波长的光束6照射树脂容器3，其中所述成像系统6、7、8包括照相机7和至少一个透镜8；和
[0122]-用于计算新的一组投影图案9的处理单元。
[0123]
所述树脂容器3可以被布置在折射率匹配液体浴4中；然而，这不是强制性的。
[0124]
优选地，所述成像系统6、7、8和所述用于提供待被引导入树脂容器3中的光束2a的单元被布置成使得在光束6与进入树脂容器3时的光束2a之间形成角度。更优选地，所述角度是90
°
。
[0125]
根据本发明的第二实施方案，所述设备包括用于进行用于监测的结构化照射的装置，例如但不限于lcd显示器或数字光处理器(dlp)、具有任选的可调数值孔径光阑的照相机物镜、以及照相机。
[0126]
为了清楚起见，本发明中所使用的术语结构化照射具有与现有技术中相同的含义。这意味着任何二维空间上变化的光强度。
[0127]
如以上在图3中所示出的，采用根据本发明的第一实施方案的方法，与不应用这样的监测(反馈)的断层扫描增材制造方法相比，已经实现了明显的优点。
[0128]
然而，当未聚合的光响应材料与制造的三维制品之间的折射率差值太小而不能引起显著的折射，例如低于0.01时，根据本发明的第一实施方案的方法在确定制造的三维制品的边缘方面具有缺点。
[0129]
采用根据本发明的第二实施方案的方法，提供一种甚至更加灵敏的成像设备以监测断层扫描增材制造。
[0130]
根据第二实施方案，本发明涉及一种增加断层扫描增材制造的结构化照射监测的灵敏度的方法，其包括以下步骤：
[0131]-在用于断层扫描增材制造的设备的透明圆柱形容器中提供光响应材料，
[0132]-基于所述三维制品的计算机断层扫描投影由所述设备的第一光源产生二维光图案，
[0133]-由所述光响应材料对其不敏感的第二光源产生结构化照射，
[0134]-将所述结构化照射投影到所述透明圆柱形容器上，
[0135]-设置所述透明圆柱形容器旋转，
[0136]-用配备有照相机透镜的照相机从多个角度同时对所述旋转透明圆柱形容器的内容物成像并记录，
[0137]-一旦所述透明圆柱形容器已经进行了至少一次完整的旋转，同时由在所述前一旋转期间从一定角度记录的图像来进行以所述角度记录的图像的差分叠加，从而增加所述旋转透明圆柱形容器的成像的灵敏度，
[0138]-同时将所述二维图案投影到所述光响应材料中并限定三维剂量分布，
[0139]-由所述处理的差分图像评估三维制品(物体5)是否已经被完全制造，
[0140]-如果三维制品(物体5)被完全制造，则停止投影二维光图案，从而产生所述制品(物体5)，
[0141]-如果三维制品(物体5)未被完全制造，则等待三维制品被制造并保持将二维光图案投影到光响应材料103中(即延长断层扫描增材制造过程)。
[0142]
为了清楚起见，本发明中所使用的术语差分叠加具有与现有技术中相同的含义。
其意味着计算和显示第一图像的叠加，从第一图像减去第二图像，其中在第二图像的所有像素上应用缩放因子。
[0143]
图6示出本发明的设备的第二实施方案的优选变型。断层扫描增材制造设备1用光束2a将二维光图案投影到容纳在透明容器3中的光响应材料103中。透明容器3和光响应材料103被设置成通过旋转平台旋转，同时被光束2a用二维光图案照射。从多个角度照射光响应材料的累积效应是使光响应材料局部光聚合，从而产生物体(三维制品)5。一种或多种颜色的光源70，例如但不限于lcd显示器，向光响应材料103和正在制造的物体(三维制品)5发射结构化照射71，例如但不限于网格。
[0144]
在第二实施方案的优选变型中，所述光响应材料对所述结构化照射的波长不敏感。
[0145]
在第二实施方案的优选变型中，照相机透镜72将被光响应材料103和物体(三维制品)5折射的结构化照射的图像73中继转发到照相机传感器74上。由于所述物体(三维制品)5相对于所述光响应材料103的更高折射率，通过所述物体(三维制品)5传播的所述结构化照射的部分的焦点被移位。所述结构化照射的部分的焦点移位产生所述物体(三维制品)5的图像75。
[0146]
在第二实施方案的另外的优选变型中，可以调节照相机透镜72的数值孔径，其转而调节照相机74的焦深76。
[0147]
在第二实施方案的另外的优选变型中，物体(三维制品)5和结构化照射71的源70两者都聚焦在照相机传感器74上。
[0148]
在第二实施方案的另外的优选变型中，结构化照射71的颜色被顺序地显示并由照相机传感器74以比由光束2a提供的二维光图案更快的速度捕获。由于颜色引起的轻微轴向和横向移位，通过减去所述彩色结构图像可以获得所产生的物体的增强对比度。
[0149]
在第二实施方案的另外的优选变型中，在所述照相机透镜72与所述透明容器(容器3)之间放置滤光器，以滤掉所述二维光图案的波长，但仍透射所述结构化照射的波长。
[0150]
在第二实施方案的另外的优选变型中，控制器用于使照相机74的图像采集与光响应材料103和透明容器(容器3)的旋转同步。
[0151]
图7示出在使用与图6中所展示的第二实施方案类似的变型的断层扫描增材制造设备内进行的实验性测量。液晶显示器将结构化照射71投影到容纳在圆柱形透明容器(对应于容器3)中的光响应材料103上。三维制品(物体5)通过断层扫描增材制造生产。所述三维制品与所述光响应材料之间的折射率差值使所述结构化照射的图像移位，从而实现对所述三维制品的制造的监测和测量。
[0152]
图8的流程图进一步描述使用根据上述第二实施方案的设备增加断层扫描增材制造的结构化照射监测的灵敏度的本发明的方法。该方法包括以下步骤：
[0153]-在用于断层扫描增材制造的设备的透明容器(容器3)中提供光响应材料103(步骤801)。
[0154]-基于所述三维制品的计算机断层扫描投影，通过光束2a由所述设备的第一光源产生二维光图案(步骤802)。
[0155]-如以上所描述的，由其波长不改变所述光响应材料103的相位的第二光源70产生结构化照射71(步骤803)。
[0156]-将所述结构化照射71投影到所述透明容器(容器3)和光响应材料103上(步骤804)。
[0157]-设置所述透明容器(容器3)和光响应材料103旋转(步骤805)。
[0158]-用配备有照相机透镜72的照相机74从多个角度同时对所述旋转透明容器(容器3)的结构照射的内容物成像并记录(步骤806)。
[0159]-等待透明容器(容器3)以完成一次旋转(步骤807)。
[0160]-以在所述前一旋转期间从一定角度记录的图像对以所述角度记录的图像进行差分叠加，从而增加所述旋转透明容器(容器3)的所述结构化照射成像的灵敏度(步骤808)。
[0161]-用配备有照相机透镜72的照相机74从多个角度保持对所述旋转透明容器(容器3)的内容物成像并记录(步骤809)。
[0162]-同时开始将所述二维光图案投影到所述光响应材料103中并限定三维剂量分布，从而在所述材料中产生变化的分布，从而产生所述制品(物体5)(步骤810)。
[0163]-由所述处理的差分图像评估三维制品(物体5)是否已经被完全制造(步骤811)；
[0164]-如果三维制品(物体5)被完全制造，则停止投影二维光图案，从而产生所述制品(物体5)(步骤812)；
[0165]-如果三维制品(物体5)未被完全制造，则等待三维制品被制造(步骤813)并保持将二维光图案投影到光响应材料103中(步骤810)(即延长断层扫描增材制造过程)。
[0166]
图9示出在根据第二实施方案的断层扫描增材制造设备内使用图8的流程图中描述的增加成像灵敏度方法进行的实验性测量。使用根据第二实施方案的断层扫描增材制造设备制造的三维制品(物体5)在光响应材料103内成像。
[0167]
图10的流程图进一步描述使用根据本发明的第二实施方案的结构化照射成像方法和设备以自动停止断层扫描增材制造过程的本发明的方法。
[0168]
该方法包括以下步骤：
[0169]-在用于断层扫描增材制造的设备的透明容器(容器3)中提供光响应材料103(步骤1001)；
[0170]-从多个角度模拟期望的三维制品的二维投影(步骤1002)；
[0171]-通过光束2a由所述设备的第一光源产生所述基于断层扫描的二维光图案(步骤1003)；
[0172]-如以上所描述的，由其波长不改变所述光响应材料103的相位的第二光源70产生结构化照射71(步骤1004)；
[0173]-将所述结构化照射71投影到所述透明容器(容器3)和光响应材料103上(步骤1005)；
[0174]-设置所述透明容器(容器3)和光响应材料103(步骤1006)旋转；
[0175]-用配备有照相机透镜72的照相机74从多个角度同时对所述旋转透明容器(容器3)的结构照射的内容物成像并记录(步骤1007)；
[0176]-同时将所述二维光图案投影到所述光响应材料103中并限定三维剂量分布，从而在所述材料中产生变化的分布(步骤1008)；
[0177]-同时提取期望的制品的所述模拟二维投影与用结构化照射成像系统(70、71、72、74)测量的所述制品(物体5)的二维投影之间的差值(步骤1009)；
[0178]-由在步骤1009中确定的所述差值评估三维制品(物体5)是否已经被完全制造(步骤1010)；
[0179]-如果三维制品(物体5)被完全制造，则停止投影二维光图案，从而产生所述制品(物体5)(步骤1011)；
[0180]-如果三维制品(物体5)未被完全制造，则等待三维制品被制造(步骤1012)并保持将二维光图案投影到光响应材料103中(步骤1008)。
[0181]
图11的流程图进一步描述使用根据本发明的第二实施方案的结构化照射成像方法和设备以校正断层扫描增材制造过程的二维光图案102的本发明的方法。该方法包括以下步骤：
[0182]-在用于断层扫描增材制造的设备的透明容器(容器3)中提供光响应材料103(步骤1101)；
[0183]-从多个角度模拟期望的三维制品的二维投影(步骤1102)；
[0184]-通过光束2a由所述设备的第一光源产生基于断层扫描的二维光图案(步骤1103)；
[0185]-如以上所描述的，由其波长不改变所述光响应材料103的相位的第二光源70产生结构化照射71(步骤1104)；
[0186]-将所述结构化照射71投影到所述透明容器(容器3)和光响应材料103上(步骤1105)；
[0187]-设置所述透明容器(容器3)和光响应材料103(步骤1106)旋转；
[0188]-用配备有照相机透镜72的照相机74从多个角度同时对所述旋转透明容器(容器3)的结构照射的内容物成像并记录(步骤1107)；
[0189]-同时将所述二维光图案投影到所述光响应材料103中，并限定三维剂量分布，从而在所述材料中产生变化的分布(步骤1108)；
[0190]-同时提取所述期望的制品的模拟二维投影与用结构化照射成像系统(70、71、72、74)测量的所述制品(物体5)的二维投影之间的差值(步骤1109)；
[0191]-基于步骤1109中提取的差值，同时评估与由三维期望物体的二维投影表示的数字模型相比，正在制造的三维制品(物体5)的形状是否正确(步骤1110)；
[0192]-如果与数字模型相比，正在制造的三维制品(物体5)的形状是正确的，则保持投影二维光图案，从而产生所述制品(步骤1111)；
[0193]-如果与数字模型相比，正在制造的三维制品(物体5)的形状是不正确的，则使用被结构化照射成像所采集的图像校正二维光图案，并返回至步骤1102(步骤1112)。
[0194]
图12的流程图进一步描述第二实施方案的变型，特别是使用根据本发明的第二实施方案的结构化照射成像方法和设备以自动地且局部地停止已经光聚合的局部体积的曝光的本发明的方法。该方法包括以下步骤：
[0195]-在用于断层扫描增材制造的设备的透明容器(容器3)中提供光响应材料103(步骤1201)。
[0196]-从多个角度模拟期望的三维制品的二维投影(步骤1202)。
[0197]-通过光束2a由所述设备的第一光源产生基于断层扫描的二维光图案(步骤1203)。
[0198]-由其波长不改变所述光响应材料103的相位的第二光源70产生结构化照射71(步骤1204)。
[0199]-将所述结构化照射71投影到所述透明容器(容器3)和光响应材料103上(步骤1205)。
[0200]-设置所述透明容器(容器3)和光响应材料103(步骤1206)旋转。
[0201]-用配备有照相机透镜72的照相机74从多个角度同时对所述旋转透明容器(容器3)的结构照射的内容物成像并记录(步骤1207)。
[0202]-同时将所述二维光图案投影到所述光响应材料103中，并限定三维剂量分布，从而在所述材料中产生变化的分布(步骤1208)。
[0203]-同时提取所述期望的制品的模拟二维投影与用结构化照射成像系统(70、71、72、74)测量的所述制品(物体5)的二维投影之间的差值(步骤1209)。
[0204]-在该变型中，不是所制造的三维制品的形状与数字模型相比。在此，基于在步骤1209中从一定角度提取的差值，同时评估是否已经聚合了一个新体素或几个新体素(步骤1210)。
[0205]-如果未检测到新的聚合的体素，则保持将二维光图案投影到光响应材料中并返回至步骤1209(步骤1211)。
[0206]-如果一个新体素或多个新体素已经聚合，则同时校正二维光图案，使得不再以所述角度从对应于聚合的体素的一个像素或多个像素投影光(步骤1212)。
[0207]-同时检查来自所有二维光图案的所有像素是否不再投影光，换言之，它们是否都关闭(步骤1213)。
[0208]-如果仍然以所述校正的二维光图案投影光，则转至步骤1203。
[0209]-如果来自所有二维光图案的所有像素都关闭，则停止制造过程，从而产生所述三维制品(步骤1214)。
[0210]
根据本发明的第三实施方案，提供用于投影图案的加速校正程序。根据该实施方案，对正在形成的物体的每个捕获的图像进行处理，以检测图像的哪些像素对应于已经固化的光响应材料的区域。该处理可以例如通过将每个图像与在曝光开始之前以相同角度获取的参考图像(背景图像)进行比较，并且然后应用阈值以检测改变的像素(“固化”的像素)来完成，如针对先前实施方案更详细地解释的。处理的其他示例包括边缘检测滤波器或基于人工智能的图像识别。正在形成的物体的背景图像和所捕获的图像可以用像第一实施方案中使用的成像系统6、7、8那样的成像系统来记录。然而，第三实施方案不限于成像系统。
[0211]
从特定旋转角度(即照相机图像被记录的角度)来看，该处理产生对应于已经固化的正在被打印的物体的部分的像素图。使用该像素图，在该组投影光图案中的对应角度处的对应像素被禁用(设置为0)或衰减(设置为显著更低的值)，以防止在该位置处过度固化。
[0212]
因此，用该加速校正程序，可以在不知道物体形状的情况下处理照相机图像，但是它仍然产生对光图案的期望校正。更具体地，在该实施方案中，照相机图像既不与物体的二维投影相比较，也不与物体的三维模型相比较，然而该方法仍然产生校正的光图案，其避免在打印过程的任何点期间已经固化的物体的部分的过度曝光。由于减少了计算量，该校正程序可以更容易地以高处理速度且实时地实施。
[0213]
应当理解，以给定角度捕获的照相机图像可以用于校正以类似角度的一个或多个
光投影，这取决于照相机的采集速率是否等于或不同于光图案的投影速率。还应当理解，可以以相同的角度或相似的角度采集多个照相机图像，以便观察从该特定角度看光响应材料如何随时间变化。
[0214]
因此，根据第三实施方案，该方法优选地包括如在图13的流程图中展示的以下步骤：
[0215]-在透明容器中提供光响应材料(步骤1301)；
[0216]-从多个角度，由从物体的原始3d模型计算(模拟)断层扫描增材制造所需的二维光图案(步骤1302)；
[0217]-通过光束2a由所述设备的第一光源产生二维光图案(步骤1303)；
[0218]-设置所述透明容器(容器3)和光响应材料103(步骤1304)旋转；
[0219]-用成像系统，诸如成像系统6、7、8，以多个角度产生透明容器(容器3)和光响应材料103的背景图像(参考图像)(步骤1305)；
[0220]-将所述二维光图案投影到光响应材料中(步骤1306)；
[0221]-当光响应材料正在固化时从多个角度同时记录其图像(步骤1307)；
[0222]-通过应用阈值来处理照相机图像以检测光响应材料的哪些区域已经固化(步骤1308)；
[0223]-检查是否检测到任何固化的区域(步骤1309)；
[0224]-如果没有固化的区域，则继续投影光图案而不进行修改(步骤1312)。
[0225]-如果存在固化的区域，则检查固化的量是否足以停止打印过程(步骤1310)。
[0226]-如果固化的量足够，则终止打印过程(步骤1311)。
[0227]-否则，对于检测到固化的区域的每个照相机图像，以相应的角度禁用或衰减光图案中的相应区域(步骤1313)并继续制造过程。
[0228]
本发明还涉及一种如以上已描述的系统。详细地，本发明涉及一种用于获得一组校正的投影图案(9)并且用于在体积反投影打印机(1)中打印物体(5)的系统，其包括
[0229]-用于提供待聚合的树脂103的树脂容器(3)，其中所述树脂容器(3)是可旋转的；
[0230]-用于提供待被引导入树脂容器3中的光束(2a)的单元，所述单元包括dlp调制器(2b)和优选的至少一个透镜(2c)；
[0231]-围绕树脂容器(3)设置的成像系统(6、7、8；70、71、72、74)，其中所述成像系统(6、7、8)包括照相机(7；74)和至少一个透镜(8；72)；和
[0232]-用于计算新的一组投影图案(9)的处理单元。