确定用于增材制造的三维模型的取向的方法与流程

1.本发明涉及一种三维对象的增材制造方法。本发明更具体地涉及一种确定要通过增材制造生成的3d模型的取向的方法。


背景技术：

2.在增材制造中，通过液体印刷介质即液体可光固化树脂的光诱导的固化来逐层印刷3d对象，所述液体印刷介质在uv辐射的影响下被选择性地固化。在增材制造的公知变型中，优选地通过平台将3d对象从填充在桶中的液态可光固化材料中颠倒拉出。增材制造的其他变型对于本领域技术人员也是已知的。
3.在3d打印期间，必须将合适的支撑结构附接到3d对象。支撑结构必须被附接的3d对象的表面上的位置取决于待3d打印的3d对象的几何形状和3d对象相对于建造方向的取向。
4.在本领域中通常已知对于3d对象的给定取向，给定几何形状的哪些点需要支撑结构。例如，us 2015/0151492a1公开了一种生成用于要增材制造的3d对象的支撑结构的方法。进一步参考p.alexander等人，“part orientation and build cost determination in layered manufacturing”，计算机辅助设计，卷30，号5，pp 343-356，1998,elsevier science ltd.。此外，ep 2922029a2公开了一种用于将从3d打印机打印的三维(3d)模型可视化的系统。
5.在3d打印、3d对象的清洁、热和/或光化学后固化之后，必须机械地去除支撑结构。去除过程是耗时的，并且例如当用旋转工具去除支撑残留物时或当小的裂纹由支撑去除过程引起时，可能导致打印的3d对象的几何形状的变化。对于诸如牙齿修复物、钻孔模板、牙齿模型等对形状精度具有高质量要求的牙齿部件，机械后处理的结果可能变得关键。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术的缺点，并且提供一种考虑所得到的3d对象的局部质量要求来确定要由增材制造设备生成的3d模型的取向的方法。
7.该目的通过权利要求1中限定的方法实现。从属权利要求涉及进一步的改进。
8.本发明提供了一种确定3d模型的取向的方法，3d模型要由增材制造设备生成，所述增材制造设备包括：桶，用于保持可光固化材料；以及平台，用于保持对应于3d模型的3d对象，其中平台相对于桶相对能够移动。方法包括以下步骤：
9.1.限定3d模型的表面几何形状，其中表面几何形状包括多个表面区段si，其中i表示整数，ai表示i
th
表面区段si的表面面积。根据本发明，3d模型的表面几何形状优选地通过三角测量表示，因为三角测量对于计算是方便的。可替换地，也可以使用具有不同几何形状的其他类型的网格。
10.2.由用户手动或由计算机程序自动地将一个或多个加权因子fi分别分配至表面区段si，其中加权因子fi指示每个表面区段si对由其上任何支撑结构的去除引起的效应的
敏感程度。优选地，对于被认为对任何支撑结构的去除的后处理敏感的表面区段si，加权因子fi大于1，以及对所有其他表面区段si，fi等于1。
11.3.限定评估函数
[0012][0013]
其中θ和分别表示3d对象相对于建造方向的极角和方位取向角，p
supp，i
表示指示各个表面区段si要通过支撑结构支撑的需要的概率，并且由∑表示的求和在所有表面区段si上延伸。评估函数r用总表面积归一化，并且具有负的总符号。可以选择替代的归一化。例如，通过所有支撑概率之和进行归一化可以提供将敏感表面区段上的支撑结构的避免与支撑结构的总数的减少解耦。
[0014]
4.基于评估函数r通过分别相对于极角和方位角优化来确定3d模型(1)相对于平台的取向以避免或尽可能多地减少附接到3d模型的敏感表面区段的支撑结构。
[0015]
本发明的主要有利效果是，通过确定要打印的3d模型的取向，可以影响支撑结构必须附接到的3d模型的位置。更具体地，通过优化评估函数r来确定取向，可以避免或减少3d模型的敏感表面区段中的支撑结构，而是将其定位在其他不敏感区域中。由此，可以避免或减少敏感表面区段中由于机械后处理而可能出现的表面伪影，并且可以尽可能地避免或减少为了精确去除支撑结构而投入额外的人工工作的需要。因此，可以避免用户接受人工返工表面的损害。本发明的另一个主要的有利效果是，通过分配加权函数f，任何支撑结构本身的去除过程也可以受到影响。在牙齿部件的情况下，在分配加权因子f时可以容易地识别和考虑要打印的3d模型的与其他部分相比需要更小的敏感度的表面区段，或者与其他部分相比可以更容易和/或更快地去除支撑结构的表面区段，或者与其他部分相比预期来自人工后处理的损伤更小的表面区段。本发明的另一个主要有利效果是，由于基于加权因子f的评估函数r，方法步骤提供了用于避免在这样的位置处附接支撑结构的自动算法，其中，与要打印的3d模型的其他位置相比该位置具有针对来自机械后处理的负面影响的保护的增加的需要。由此，用户无需手动定向3d对象和/或放置支撑结构。支撑结构的放置的手动操纵需要用户的经验，并且仅在有限程度上是可能的，并且因此可能增加错误打印的风险。因此，本发明的另一个主要的有利效果是可以降低误打印的风险。
[0016]
根据本发明，通过优化评估函数r来确定待打印的3d模型的取向。因此，在3d模型的优化的取向，评估函数r必须具有极值。利用评估函数r的负总代数符号、敏感表面区段的加权因子f＞1和其他的为一的情况以及如上限定的正概率值p
supp，i
，通过评估函数r的最大值给出最佳取向。因此，本发明提供了一种精确的算法解决方案，以找到关于表面区段的保护的优化取向，其中所述表面区段对于机械去除附接在其上的支撑结构的负面影响是敏感的。
[0017]
通常，当具有较高敏感程度的表面区段被布置成远离建造平台定向或相对于建造方向以小角度定向时，则可以避免或尽可能减少要定位在这样的表面区段上的支撑结构。这种原理可以通过几个不同的评估函数r在本发明中实施，这些评估函数r可以用于确定3d模型的优化的取向。在一个实施例中，通过将表面区段投影到平行于建造平台的平面上来估计指示各个表面区段si要通过支撑结构支撑的需要的概率p
supp，i
：
[0018][0019]
其中表示i
th
表面区段si的法向矢量，θ和分别表示3d模型取向的极角和方位角，表示垂直于平台即建造方向上的单位矢量，“·”表示标量积。利用支持概率的这种估计，评估函数由下式给出
[0020][0021]
在替换实施方案中，
[0022][0023]
以及
[0024][0025]
其中max(a，b)表示两个值a,b的最大值并且n是实值指数。
[0026]
本发明还提供了一种计算机程序，该程序具有计算机可读代码，用于使cam模块执行所述方法步骤。本发明还提供一种存储计算机程序的计算机可读存储器。
[0027]
在本发明中，计算机程序提供用于执行分配步骤的装置，其中加权因子fi被分配给每个表面区段。在第一实施例中，由用户通过在3d模型的显示器上用期望的加权因子f分别标记一个或多个表面区段来手动执行分配。在另一个实施例中，加权因子的分配由用于设计要打印的3d模型的cad软件执行。在设计过程中，模型的不同表面区域的函数可以是公知的，并且可以根据与该区域对应的相应表面区段的函数来选择所分配的加权因子。例如，在牙科应用中，与修复物的适当配合相关的牙科修复物的区域可以在设计过程中被识别，并且被分配对来自去除其上的任何支撑结构的影响的高敏感程度。
[0028]
在优选实施例中，计算机程序利用神经网络来使分配步骤自动化，其中加权因子fi被分配给每个表面区段。在这样的实施例中，神经网络可以用于基于3d模型的局部表面几何形状对3d模型的特征区域进行分类。例如，如果3d模型表示牙科工作模型，则合适的特征区域标签可以是牙齿、牙龈、牙槽等。基于该分类，可以将合适的加权因子fi分配给属于特定特征区域的表面区段。在牙科工作模型的先前示例中，可能的合适分配将是对应于属于“牙齿”区域的区段的高敏感性的大因子和对应于属于“牙槽”区域的区段的无敏感性的因子fi＝1。例如，可以利用3d模型来训练神经网络，其中已经由用户手动地或者由cad软件程序识别了特征区域。
附图说明
[0029]
在随后的描述中，将通过使用示例性实施例并通过参考附图来更详细地描述本发明的其它方面和有利效果，其中
[0030]
图1是根据实施例的作为3d模型的半球的示意性垂直截面图，其中，用粗体部分指
示的曲面已经被分配了被认为对后处理敏感的加权因子f＞1；
[0031]
图2是根据一个替代实施例的作为3d模型的半球的示意性垂直截面图，其中用粗体部分指示的平坦表面已经被分配了被认为对后处理敏感的加权因子f＞1。
[0032]
附图中所示的附图标记表示下面列出的元件，并且将在示例性实施例的随后描述中被引用：
[0033]
1.3d模型
[0034]
i：整数
[0035]
s：表面区段
[0036]
si：i
th
表面区段
[0037]
f:加权因子，
[0038]fi
:分配给i
th
表面区段的加权因子
[0039]ai
:i
th
表面部分的表面面积
[0040]
评估函数
[0041]
θ：极角
[0042]
方位角
[0043]ith
表面区段的法向矢量
[0044]
垂直方向的单位矢量
[0045]
图1是作为3d模型(1)的半球的示意性垂直截面图，其取向已经通过根据本发明的实施例的方法确定。
[0046]
在该方法的限定步骤中，首先限定3d模型(1)的表面几何形状。表面几何形状包括多个表面区段si，其中i是整数。3d模型(1)的表面几何形状优选地由三角测量表示，其中i
th
表面区段是具有表面面积ai的三角形(未示出)。在另一限定步骤中，限定评估函数，使得
[0047][0048]
评估函数r取决于加权因子fi和p
supp，i
，该加权因子分别指示表面区段si对去除任何支撑结构的影响的敏感度程度，p
supp，i
指示表面区段将需要通过支撑结构来支撑的概率。由∑表示的求和在所有表面区段si上延伸。
[0049]
如图1所示，用粗体部分表示的整个曲面已经被分配了被认为对后处理敏感的加权因子f＞1。平坦表面已经被分配了加权因子f＝1。在确定步骤中，基于具有所分配的加权因子f的评估函数r来确定3d模型(1)相对于建造方向的取向。在图1中，半球，即3d模型(1)被定向在r是最大值的优化的方向上。3d模型(1)可以由增材制造设备(未示出)生成。增材制造设备具有用于保持光固化材料的桶，以及用于保持对应于3d模型(1)的3d对象的平台。平台相对于桶相对能够移动。当利用增材制造设备生成3d模型(1)时，所有支撑结构将位于平坦表面上，并且因此将保护弯曲表面免受由支撑结构的机械去除引起的影响。
[0050]
图2是根据一个替代实施例的作为3d模型(1)的半球的示意性垂直截面图。在该替代实施例中，用粗体部分指示的弯曲表面已经被分配了加权因子f＝1。该平坦表面被分配
了加权因子f＞1，该表面被认为对由机械去除支撑结构而产生的影响敏感。在图2中，半球，即3d模型(1)被定向在r是最大值的优化的方向上。当利用增材制造设备生成3d模型(1)时，所有支撑结构将位于弯曲表面上，并且因此平坦表面将被保护免受机械后处理。
[0051]
已经选择图1和图2中的上述两个示例性实施例，以通过使用相对简单的3d模型(1)来说明本发明。当然，该方法可以容易地应用于更复杂的几何形状，如牙齿修复物等。