用于微结构的3D打印的系统、方法和文件格式与流程

用于微结构的3d打印的系统、方法和文件格式
1.相关申请
2.本技术是于2020年3月25日提交的标题为“systems,methods and file format for 3d printing of microstructures(用于微结构的3d打印的系统、方法和文件格式)”的美国申请序列号62/994,582的临时(35usc 119(e))的非临时，并且本技术是于2020年7月30日提交的标题为“systems,methods and file format for 3dprinting of microstructures(用于微结构的3d打印的系统、方法和文件格式)”的美国申请序列号63/058,782的临时(35usc 119(e))的非临时。这些申请的全部内容通过引用以其整体并入本文。
3.受版权保护的材料的通知
4.在美国和其它国家的版权法下，本专利文献中的部分材料受到版权保护。版权的所有者不反对任何人对专利文献或专利公开的复制，因为它出现在美国专利商标局公开可用的文件或记录中，但是无论如何都保留所有版权。版权所有者因此不放弃使本专利文档保持保密的任何权利，包括但不限于根据37c.f.r.
§
1.14的权利。


背景技术：

5.存在许多不同类型的用于从数字3d模型构造三维对象的3d打印技术。3d打印过程可以使用各种过程，其中使用计算机控制来沉积、接合或固化材料，以使用塑料、液体或粉末颗粒以及其它材料来创建对象。


技术实现要素：

6.最近的3d打印技术可以允许复杂的几何形状(geometries)，而这些复杂的几何形状难以或不可能用常规制造技术来制造。在一些实施例中，发明人意识到，可以使用高分辨率立体光刻3d打印，特别是数字光处理(dlp)打印技术，其允许小于100μm的打印分辨率。高分辨率3d打印可以允许人们产生复杂的结构以减轻对象重量、构造超材料、实现仿生设计或简单地实现美学表面纹理。
7.尽管已经提高近来的3d打印机的分辨率，但是直接打印诸如毛皮、羽毛、微格子(microlattice)或编织织物的非常致密的微结构是不切实际的。这可能主要是由于缺乏具有精细材料结构的cad模型的有效数字表示。通常，3d打印机和相关的cad/cam设计软件通常被优化用于处理中到大规模的固体对象。这些对象可以用三角网格(mesh)来忠实地表示，其可以在各方之间转变为.stl或其它网格类型的数据格式。它们的特征还在于它们的平滑的光洁度，这已经成为最新3d打印机的主要特征。然而，当涉及表示和处理密集微结构时，表示这些微结构的文件变得非常大，并且将这些复杂结构切片以用于打印也可能是计算昂贵的。
8.在本文所述的一些实施例中，提供了用于打印3d微结构的系统、方法和新文件格式。这种微结构可以具有例如从0.001到5mm的高精度特征。这些特征可以包括表面浮雕纹理、三维编织结构、网格、毛皮或羽毛状结构。这些小的特征通常需要高保真度以捕获柔软
性、拉伸性和触感的细微差别。利用常规cad方法，每个单股的精确3d模型在理论上可以产生这些细微差别的高保真度表示，但是这种文件将非常大并且将难以处理和打印。例如，典型的毛皮样本每平方英寸可能包含数千个毛状物(hair)，意味着具有数百万个三角形的简单服装设计可能是麻烦且不切实际的。
9.为了解决文件经济性和几何保真度之间的这种两难问题，提供了一种用于表示3d微结构的新文件格式(本文称为meso格式(.meso或.meso))，以用作设计者和3d打印机之间的高级接口。在一些实施例中，该文件交换格式建立了用于我们的打印生态系统内的计算设计和数据传输的有效工作流，以从草图和设计得到完成的打印。
10.在一些实施例中，提供了.meso文件格式和切片过程，其为材料设计和工程打开了新空间。一个目标是支持设计者和工程师对先前被认为在计算上昂贵或不可能的密集微结构进行建模。具体地，这种密集结构可以用于如下进一步概述的不同应用。这样的实施例可以允许一个或多个改进，包括：
11.减少材料使用和重量：大块固体结构可以被精心设计的微格子结构代替。在一些实施例中，格子的几何形状(geometry)确定设计的总体机械性质。这样，制造商可以减少用于3d打印的材料，并且减少整体设计的重量。
12.机械超材料：通过结合微顺应性、接合或铰链结构，提供了设计和制造表现出负泊松比的机械超材料(例如，在与所施加的力垂直的方向上变厚并且因此具有高能量吸收和抗断裂性的拉胀结构或材料)的能力。这样，可以产生表现出某些结构特性的新机械元件。
13.仿生设计：天然材料可以优于人造材料，这主要是由于它们的分层结构。像毛皮或羽毛的材料难以用传统的cad软件来建模，并且难以用其它制造方法来精确地复制。在本文所述的一些实施方式中，大幅降低了建模的复杂性，同时保持了用于3d打印的这种结构的密度和精细细节。
14.定制的表面纹理：商业上使用的许多物理产品包含表面纹理，诸如皱纹、凹痕、凸起、浮雕等。根据一些实施例，可以以极高的分辨率设计和制造这样的纹理。这种纹理可以容易地个体地定制，而不是大量生产。
15.根据一个方面，提供了包括数据结构的用于表示3d对象的数据格式。格式包括：节点信息，其识别3d线框对象内的多个3d坐标；线信息，其识别共同识别3d线框对象内的线对象的多个节点；以及外壳信息，其识别线对象附接到的表面，其中，数据结构的解释用于控制3d打印操作。根据一个实施例，数据结构还包括填充(populate)函数，填充函数定义线对象到表面上的多个点的重复复制。根据一个实施例，数据结构还包括混合函数，混合函数适于混合至少两个几何形状。根据一个实施例，数据结构还包括网格信息，网格信息描述传统(legacy)网格几何形状。根据一个实施例，数据结构还包括分支函数，分支函数描述附接到线对象的一个或多个子对象。根据一个实施例，数据结构还包括控制线对象的厚度、形状和/或扭曲中的至少一个的参数。根据一个实施例，数据格式在由计算机系统接收和解释时渲染3d对象的表示。根据一个实施例，数据结构用于生成3d拭子或涂抹器。根据一个实施例，数据结构用于生成至少两个设计的混合设计。
16.根据一个方面，提供了一种用于处理3d对象的数字表示的方法。方法包括：提供3d对象的线框表示，线框表示定义至少一个线；确定待处理的3d对象的切片；针对所确定的切片确定至少一个相交点，至少一个相交点定义线框表示的至少一个线与3d对象的切片的相
交；以及针对相交点确定要渲染的与相交点相关的对应形状。根据一个实施例，要渲染的与相交点相关的对应形状的动作还包括基于至少一个线的至少一个参数来确定对应形状。根据一个实施例，至少一个参数包括包含线对象的厚度、形状和扭曲的组中的至少一个或多个。根据一个实施例，确定要渲染的与相交点相关的对应形状的动作还包括基于切片和至少一个线之间的相交角度来确定对应形状。根据一个实施例，确定要渲染的与相交点相关的对应形状的动作还包括基于切片与至少一个线的形状之间的相交角度来确定对应形状。根据一个实施例，方法还包括确定要处理的3d对象的至少一个不同切片，并且针对切片和至少一个不同切片，由不同处理实体并行地处理它们。根据一个实施例，向不同处理实体提供关于与要处理的相关联切片相交的线框表示的任何线的信息。根据一个实施例，切片的动作被执行作为打印步骤的一部分。根据一个实施例，方法还包括用于针对3d对象的至少一个部分确定网格表示并且将网格表示的切片与线框表示的对应切片组合以形成组合切片的过程。根据一个实施例，方法还包括使用向量空间来针对要处理的3d对象的每个切片计算与3d对象的对应切片相交的多个线的动作。根据一个方面，方法还包括使用线性等式来确定与3d对象的对应切片相交的多个线。根据一个方面，方法还包括针对3d对象的每个切片确定表示与3d对象的相应切片相交的线框的线的相交点集合的动作。
17.根据一个方面，提供了一种用于处理3d对象的数字表示的方法。方法包括：提供3d对象的线框表示；将线框表示分割成多个块；将多个块中的每一个指派给对应处理实体；以及由对应处理实体基本上并行地渲染多个块中的每一个。根据一个实施例，方法还包括将线框表示分割成多个块的动作还包括针对多个块中的至少一个确定与多个块中的至少一个相交的线框表示的线对象的子集的动作。根据一个实施例，方法还包括确定线框表示的多个块中的至少一个的表示的动作。根据一个实施例，方法还包括将线框表示的多个块中的至少一个的表示提供给其被指派的处理实体的动作。根据一个实施例，方法还包括针对多个块中的至少一个提供线信息给其被指派的处理实体的动作，线信息与和多个块中的至少一个相交的线相关。根据一个实施例，方法还包括将所渲染的多个块中的每一个块合并到表示3d对象的模型中的动作。根据一个实施例，方法还包括将线框表示的线表示为一系列节点。根据一个实施例，方法还包括通过包括线的厚度、形状和扭曲中的至少一个的多个参数来表示线。
18.根据一个方面，提供了一种3d打印的拭子或涂抹器。拭子或涂抹器包括：球形物，其具有提供结构强度和流体保持的内部格子(lattice)结构、在内部格子结构上的加强网状结构——其有助于球形物的形状并且吸收流体、从加强网状结构突出的多个毛状物；以及与球形物连接的手柄。根据一个实施例，手柄包括平行股的线，平行股的线被绑定在一起并且通过股之间的环加强。根据一个实施例，手柄包括栅格化的杆壁结构和内部剪切加强元件。根据一个实施例，手柄包括具有平行股的减小的直径的断裂点。根据一个实施例，毛状物在它们的中间部分附近被加强。根据一个实施例，毛状物以螺旋阵列布置。根据一个实施例，内部格子结构在球形物和手柄之间是连续的。根据一个实施例，内部格子结构由从自由形式曲线偏移的外壳打印。根据一个实施例，毛状物具有小于约100μm的直径。根据一个实施例，拭子由包括多个线信息的数据结构定义，线信息识别共同识别至少一个线对象的多个节点。
19.根据一个方面，提供了一种3d打印的拭子或涂布器。涂抹器包括：球形物；以及杆，
其中，球形物包括作为杆的延伸部分的内芯，其中，内芯将球形物连接到杆并且向拭子或涂抹器提供刚性。根据一个实施例，球形物包括源自内芯的毛状物的径向阵列。根据一个实施例，毛状物的径向阵列间隔在约50μm至约200μm之间。根据一个实施例，球形物包括在毛状物结构内部上的初级外部网状结构，其有助于球形物的形状并且吸收流体。根据一个实施例，球形物包括提供附加刚性的嵌套在外部网和内部芯之间的次级内部网状结构。根据一个实施例，球形物包括从初级外部网状结构突出的多个毛状物。根据一个实施例，杆包括由呈圆柱形形式的菱形栅格图案的线元件构成的初级结构。根据一个实施例，杆包括由附接至菱形栅格图案的内螺旋表面构成的次级结构，次级结构提供内部剪切阻力。根据一个实施例，杆包括由在外部螺旋的较薄线元件构成的纹理饰面，以提供精饰(refined finishing)。
20.根据一个方面，提供了一种3d打印的涂抹器。涂抹器包括：球形物，其具有提供结构强度的内部格子结构、从内部格子结构突出的多个刷毛、在沿着刷毛的长度的位置连接到刷毛的多个加强线；以及与球形物连接的手柄。根据一个实施例，沿着刷毛的长度的位置在刷毛的中点附近。根据一个实施例，刷毛的长度被限制，使得刷毛被限定在边界几何形状内。根据一个实施例，每根刷毛的直径在meso文件中个体地指定。根据一个实施例，刷毛具有小于约100μm的直径。根据一个实施例，涂抹器由包括多个线信息的数据结构定义，线信息识别共同识别至少一个线对象的多个节点。
21.根据一个方面，提供了一种用于设计用于3d打印的织物或物品的方法。该方法包括：生成由包括具有第一值集合的多个参数的第一文件表示的第一设计；生成由具有用于参数的第二值集合的第二文件表示的第二设计；以及在第一值和第二值之间内插参数的值以生成第三设计，第三设计是第一设计和第二设计的混合，其中，第三设计是适于3d打印的织物或制品。根据一个实施例，第一设计和第二设计不由三角形元件的网格表示。根据一个实施例，第一设计和第二设计具有相似的拓扑。根据一个实施例，织物是毛皮、羽毛、格子或编织的。根据一个实施例，织物具有约100μm的最小长度尺度。根据一个实施例，织物具有每平方英寸至少1,000个毛状物。根据一个实施例，参数选自纤维的直径、纤维的扭曲角度、纤维的横截面轮廓或其任何组合。根据一个实施例，设计包括存储在共享点的列表中的共享顶点。根据一个实施例，内插的动作还包括确定应用第一值和第二值之间的加权平均以生成第三设计。根据一个实施例，方法还包括，针对3d制品，调节多个实例上的加权平均以用于生成第三设计。根据一个实施例，方法还包括：提供与第一设计相关联的索引；应用变换矩阵以确定第二设计；提供权重值，权重值至少指示第一几何形状或第二几何形状中的至少一个的加权部分；以及使用权重值应用加权平均以确定第三设计。
22.根据一个方面，提供了一种用于设计用于3d打印的织物或物品的方法。方法包括：提供由包括定义多个纤维的顶点的列表以及定义纤维的特征的参数集合的文件所表征的设计；以及选择用于参数的值集合，值集合在3d打印时产生设计的期望性质。根据一个实施例，设计在3d打印时被重复或平铺。根据一个实施例，参数是纤维的直径、纤维的扭曲角度、纤维的横截面轮廓或其任何组合。根据一个实施例，参数是分支函数。根据一个实施例，设计具有由单独的线框和参数的个体值定义的每个纤维。根据一个实施例，设计不通过单独的线框定义每个纤维。根据一个实施例，纤维被表示为外壳表面的填充函数。根据一个实施例，数据结构还包括体积映射函数。根据一个实施例，数据结构还包括线框对象的顶点的阵
列。根据一个实施例，方法还包括识别定义线对象的中心折线(polyline)脊(spine)的顶点的信息。根据一个实施例，数据结构还包括线对象在顶点中的每个顶点处的直径。根据一个实施例，数据结构还包括识别起始面在起始点处的法线方向的信息。根据一个实施例，数据结构还包括线对象沿着其顶点的旋转信息。根据一个实施例，方法还包括以下动作：将线框表示分割成多个块；将多个块中的每一个指派给对应处理实体；以及由对应处理实体基本上并行地渲染多个块中的每一个。根据一个实施例，将线框表示分割成多个块的动作还包括针对多个块中的至少一个确定与多个块中的该至少一个相交的线框表示的线对象的子集的动作。根据一个实施例，方法还包括确定线框表示的多个块中的至少一个的表示的动作。根据一个实施例，方法还包括将线框表示的多个块中的至少一个的表示提供给其被指派的处理实体的动作。根据一个实施例，方法还包括针对多个块中的至少一个提供线信息给其被指派的处理实体的动作，线信息与和多个块中的至少一个相交的线相关。根据一个实施例，方法还包括将所渲染的多个块中的每一个合并到表示3d对象的模型中的动作。根据一个实施例，方法还包括将线框表示的线表示为一系列节点。根据一个实施例，方法还包括通过包括线的厚度、形状和扭曲中的至少一个的多个参数来表示线。
23.应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假设这些概念不是相互矛盾的)都被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，本公开内的主题的所有组合被预期为本文公开的发明主题的一部分。此外，应当理解，一个或多个3d打印系统可以用于实现一个或多个系统、方法和文件格式，以3d打印这种微结构。例如，一些实施例可以结合于2019年8月27日提交的美国专利申请序列号16/552,382中描述的一个或多个系统使用，该专利申请通过引用以其整体并入本文中。然而，应当理解，其它打印机方法和系统可以与如本文所述的实施例一起使用。
24.下面详细讨论这些示例性方面和示例的其它方面、示例和优点。此外，应当理解，前述信息和以下详细描述两者仅是各个方面和示例的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和示例的性质和特征的概述或框架。本文公开的任何示例可以与任何其他示例以与本文公开的对象、目的和需要中的至少一个一致的任何方式组合，并且对“示例”、“一些示例”、“替代示例”、“各种示例”、“一个示例”、“至少一个示例”、“这个和其他示例”等的引用不一定是相互排斥的，并且旨在指示结合示例描述的特定特征、结构或特性可以被包括在至少一个示例中。本文中出现的这些术语不一定全部指相同的示例。
附图说明
25.本文参考附图讨论了至少一个实施例的各个方面，附图不旨在按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分，但不旨在作为对本发明的限制的定义。在附图、详细描述或任何权利要求中的技术特征后面跟随有附图标记的情况下，附图标记被包括在内的唯一目的是增加附图、详细描述和/或权利要求的可理解性。因此，附图标记或它们的不存在都不是要对任何权利要求要素的范围具有任何限制作用。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相同的附图标记表示。为了清楚起见，不是每个部件都在每个图中被标记。在附图中：
26.图1示出了根据各种实施例的能够处理线框模型的分布式计算机系统的框图。
27.图2示出了根据各种实施例的用于对线框模型信息进行操作的过程。
28.图3示出了根据各种实施例的用于基于切割平面和线的相交来确定形状的过程。
29.图4示出了由多个处理实体并行地对3d对象表示进行操作的过程。
30.图5a示出了用于表示线框信息的示例方法。
31.图5b示出了可以通过切割平面与3d对象相交而形成的各种对象形状。
32.图6示出了根据各种实施例的.meso格式的示例。
33.图7示出了根据各种实施例的简单线的示例线框表示。
34.图8示出了能够表示表面的示例外壳表示。
35.图9示出了使用加权平均来混合形状的方法。
36.图10示出了用于沿表面混合形状的方法。
37.图11示出具有从主线延伸的分支或子线框的线的示例线框表示。
38.图12示出了在表面上填充的多个线的图。
39.图13示出了根据各种实施例的用于对3d对象进行切片的示例过程。
40.图14示出了根据各种实施例的用于对线框表示进行切片的示例过程。
41.图15示出了根据各种实施例的用于并行处理3d模型的部分的示例过程。
42.图16a至16b示出了图像后处理的各种实施例。
43.图17a示出了根据各种实施例的示例光强度梯度滤波操作。
44.图17b示出了根据各种实施例的示例光强度空心梯度滤波操作。
45.图18a示出了3d对象的示例起始切片。
46.图18b示出了其中应用了光强度空心梯度滤波的图18a的示例起始切片。
47.图19示出了没有应用滤波器的切片的处理。
48.图20示出了根据各种实施例的其中应用滤波从而降低激活的相邻像素的强度的切片。
49.图21a示出了可以使用各种实施例创建的示例性简单纤维。
50.图21b示出了图21a的简单纤维的示例横截面。
51.图22示出了根据各种实施例的简单纤维的示例数据表示。
52.图23a示出了可以使用各种实施例创建的示例节点毛状物。
53.图23b示出图23a的节点毛状物的示例横截面。
54.图24a示出了可以使用各种实施例创建的示例扭曲毛状物。
55.图24b示出了图24a的扭曲毛状物的示例横截面。
56.图25示出了根据各种实施例的将多个填充函数应用于同一网格面的示例。
57.图26示出了毛状物被施加到表面的统一填充函数。
58.图27示出包含每个包含不同权重的多个混合几何形状的示例羽毛布局。
59.图28a至28b示出用于生成图27所示的羽状设计布局的两个不同的父几何形状。
60.图29示出了可以使用诸如图30所示的模块化单元生成的格子结构。
61.图31示出了可以使用如图32所示的映射编织单元生成的编织结构。
62.图33a至33d示出了多个3d格子结构，其可以被组合以产生拭子结构，诸如图34a至34b中作为示例所示出的拭子结构。
63.图34a至34b示出了整个示例拭子结构。
64.图35示出了根据一些实施例的示例轴结构。
65.图36a至36b示出了拭子设计的其它实施例。
66.图36c示出了如本文所述和图36a至36b所示的拭子设计与传统植绒拭子(flocked swab)相比的实验结果。
67.图36d示出了如本文所述和图36a至36b所示的拭子设计与传统植绒拭子和棉花拭子相比的实验结果。
68.图37示出根据各种实施例的示例化妆品涂抹器设计。
69.图38示出了根据各种实施例的变化的化妆品涂抹器设计。
70.图39a至39c示出了根据一些实施例的各种其它类型的化妆品涂抹器。
71.图40示出了使用线框表示的睫毛的示例设计。
72.图41示出根据一些实施例的变化的睫毛设计。
73.图42示出了根据各种实施例的使用线框表示的柱支架技术。
74.图43示出了根据一些实施例的用于锚固悬垂毛状物的框架支架。
75.图44示出了根据各种实施例的示例茧支撑策略。
76.图45a和45b分别示出了茧支架和横截面的示例。
具体实施方式
77.如上所述，各种实施方式涉及用于表示3d对象的系统、方法和数据结构。具体地，3d对象由包括一个或多个线和/或由线构成的其他对象类型的线框模型来表示。
78.图1示出了根据各种实施例的能够处理线框模型的分布式计算机系统100的框图。例如，一个或多个用户可以利用设计系统(例如，系统102)或能够处理和/或存储一个或多个线框模型103的其他系统。这样的系统可以包括例如能够定义一个或多个线框模型的3d对象设计软件。
79.在一些方面，提供了根据各种实施例的能够接收线框模型并且处理它们的处理系统101。如上所述，使用线框模型来减少特定对象的重量而不是将它们表示为实心元素可能是有益的。因为系统与线框模型一起工作，所以提供了有助于以更容易处理的方式表示线的文件格式。例如，处理系统101可以包括能够对一个或多个线框模型进行切片以确定(例如，诸如通过3d打印机)待渲染和/或打印的切片引擎104。
80.此外，在一些实施例中，处理系统101可以包括能够并行处理线框模型的不同部分的一个或多个处理实体105。这是重要的，因为在传统的建模类型处理中，模型的并行处理是不可能的。处理系统101还可以包括一个或多个后处理功能106，其可以用于产生可以由输出级107中的其他处理实体查看、打印或以其他方式使用的输出格式。
81.如上文所讨论的，与线框信息一起工作的一个优点是线框对象的元素可以由可以被处理且以比传统类型的3d建模更容易的方式的线表示。图2示出了根据各种实施例的用于对线框模型信息进行操作的示例过程200。
82.具体地，在框201，过程200开始。在框202，系统接收表示特定3d对象的线框信息。在框203处，系统确定要处理的3d对象的切片。在框204，系统针对每个切片确定线框与切片的相交以确定一个或多个相交点。即，给定特定切割平面，3d模型的一个或多个线框元素将与切割平面相交，从而定义将在该特定切片中渲染的多个点。在框205，系统针对每个相交
点确定要渲染的对应形状。在框206，过程200结束。
83.如上所述，可以针对与切割平面相交的每个点确定对应形状。与该点相关联的形状可以根据存储在线框模型中的信息以及相对于穿过它的线的切割角度的确定而在切割地点渲染。图5示出了角度如何影响切割平面与各种圆锥截面的相交形状。
84.图3示出了根据各种实施例的用于基于切割平面和线的相交来确定形状的过程300。在框301，过程300开始。在框302，系统针对与特定切片相交的线确定该线与切片之间的相交角度。如图5所示，形状可以基于切割平面与对象的相交角度而改变。针对简单的圆形线对象，相交角度可以渲染圆形、抛物线、椭圆或双曲线。此外，系统可以确定与切片相交的那条线的相关联的参数。例如，在线框模型数据文件内，可以使用若干参数来描述特定线。例如，一个或多个参数可以控制线对象的厚度、形状和/或扭曲。在框303。在框304，系统基于参数和/或所确定的相交角度来确定要针对点渲染的对应形状。可以针对与切割平面相交的任何数量的线元素重复该过程。针对切割平面的每次迭代，可以计算2d表示，其可以在(例如，在特定层上打印的)输出中渲染。
85.此外，如上所述，由线框表示所表示的3d对象可以由多个处理实体更有效地处理。图4示出了用于由若干处理实体并行地对3d对象表示进行操作的过程400。
86.在框401，过程400开始。在框402，系统接收表示3d对象的线框信息。如下文进一步论述，线框信息可以以.meso格式存储并且表示。在框403，系统将3d对象的线框表示分割成多个块。在框404，系统将多个块指派给相应的处理实体。每个处理实体并行操作并且渲染其被指派的块(例如，在框405中)。在框406，系统可以执行一个或多个后渲染操作，诸如所渲染的块的滤波、平滑和/或组合。在框407，过程400结束。
87.如上文所论述，可以简化用于确定切片数据的计算，因为线框模型可以被解释为线。在一些实施例中，不是解析到网格模型，.meso数据被“直接”解释为线。在一个实施方式中，针对被定位在3d空间中的线框模型的2d线，针对每个切片层，计算模型的线与切片层之间的相交。3d空间中的该相交点可以被转换成3d空间中的针对每层(x，y，z)的切片数据的2d坐标，以使层#123在层#123的(u，v)上。在一些实施方式中，针对每个相交点(针对每层)，必须绘制到切片上的线相交的形状然后由.meso线的参数(诸如直径、轮廓形状、扭曲和相交角度)确定。然后，该信息用于计算(用于圆形meso线轮廓形状的)对应适当抛物线锥形相交，如图5a所示。
88.如图所示，取决于切片平面与对象的相交角度，形状可以是如图5a中作为示例示出的任何数量的形状(例如，抛物线、圆、椭圆、双曲线)。然后将计算出的锥形相交添加到切片数据。
89.因为线框模型可以被解释为线，并且对于每个切片，可以以简单方式计算线框模型的相交，所以可以并行地操作模型的处理。也就是说，针对线框模型的部分，线相交和锥形相交计算可以在计算上并行化。这使得它可能与并行切片算法相结合而对于大量数据非常可缩放。同样，这种切片样式由.meso文件格式的各种实施例实现为直接在文件格式内提供的诸如轮廓形状、线直径等的线参数。以下是描述各种实施例的示例实施方式，并且应当理解，各种特征可以独立使用或与本文描述的其他特征组合使用。
90.示例meso数据结构
91.在一些实施例中，提供了一种本文称为.meso(或.meso)数据结构的数据结构，其
存储与线框模型相关联的线信息。在一些实施方式中，.meso结构是用于am处理的网格重构和扫描路径生成的基于索引的数据结构。尽管.meso结构是专门设计用于3d打印中间结构，其聚焦在纤维状结构上，这种格式可以应用于其它区域。这种纤维结构可以包括但不限于纤维、羽毛、格子、编织结构和/或组合地使用各种元素的复合结构。尽管已经使用了其它基于索引的几何形状格式(例如，.obj)，但是.meso数据结构可以提供对操作和中尺度几何形状的支持。
92.设计考虑
93.在一些实施方式中，.meso格式可以表现出以下设计考虑中的一个或多个：
94.简易性：将材料抽象为线框和外壳。采用节点图形设计几何形状。
95.通用性：可以设计宽范围的材料，如毛皮、羽毛、格子、编织或表面纹理。
96.保真度：维持设计的精细特征。
97.可伸缩性：可以按比例缩放设计成米长的材料。可以按比例缩放设计纳米尺度的结构。
98.后向兼容性：具有现有网格。
99.未来相容性：未来特征。
100.在一些实施例中，.meso格式的一些实施例可以提供文件尺寸的尺寸减小和/或用于打印的减小的处理负载。在一些实施方式中，使用第一尺寸减小机制。首先，在一些实施例中，.meso文件格式是基于索引的数据格式，其是提供文件尺寸的显著减小的特征。在该格式的一个实施方式中，文件的第一部分包含3d坐标，即所谓的模型节点。这样做的一个益处是避免了冗余信息被存储多次。文件的第二部分包含用于先前定义的节点之间的连接的数据。在.meso中，体积和网格创建了先前定义为节点的参考坐标。通过引入基于索引(节点)的文件格式化，冗余信息的主要部分可以由初始节点定义来替换。例如，立方体的顶点被定义为节点一次，并且之后仅其索引被网格引用，而不是在文件中的不同点处多次保存节点坐标。
101.可以在其中.meso格式中使用的另一种文件尺寸减小机制是大量以数据格式本身隐含存储的信息。图5b示出了如何实现文件尺寸减小。虽然3d打印中的标准3d文件格式明确地将所有信息存储在文件中，但是.meso存储文件中的数据的更高抽象。这意味着如线框(线形体积)或外壳(表面成形体积)的结构仅由它们的所谓脊描述。当比较上述图的中间的线体积时，实现了文件大小的减小。虽然标准文件格式将明确地且单独地存储所有顶点和网格并且因此存储8个顶点和12个网格三角形，.meso格式可以保存仅具有2个脊节点坐标以及线的轮廓和直径信息的这种结构。文件大小的减小通过数据格式的先验知识来实现，即，它将构造线框线结构。仅存储该线的基本核心信息。稍后在生产之前对网格的重构或编译过程也包含足够解析智能以仅处理线的基本核心信息。通过更高编码程度实现文件大小的减小，这意味着数据的更精细和智能的解析。
102.在文件格式的一般性和其对于特定目的有用性之间可以存在折衷。在这种折衷中，可以优先考虑以中尺度进行3d打印的目的，这在优化交换格式方面提供了保证。此外，存在特别适用于创建紧凑文件结构的.meso文件结构的一些特征，包括：
103.自相似性
104.诸如毛皮和格子的元素通常由类似或相同的模块单元构成。这些单元可以以具有
单元之间的变换的小变化的2d、3d或分形图案重复。因此，格式可以将一系列几何形状描述为其父变型。
105.形状混合
106.自相似单元之间的变换能力还允许相似的拓扑学的离散状态之间的一定程度的混合。这是自然界的共同特征；从不同物种之间的骨骼特征到鸟上的羽毛比例。这意味着设计者/制造者可以创建新几何形状作为类似拓扑学的若干离散形状的加权混合。
107.不同特征
108.在中尺度下，几何形状的一些特征变得比其它特征更突出。这对于归因于机械性能的特征尤其如此。当某些尺寸的细节接近打印机分辨率的极限时，它们变得不太相关。这允许设计者强调主要几何参数，诸如横截面轮廓，其可以影响毛皮的触感。代替自由形式的形状，设计者可以参数地描述细微结构。
109.通过这种实现，代替将这些几何形状存储为体积网格，根据一些实施例的.meso格式使用简化参数描述集合来存储个体纤维的几何属性。这种技术允许使用.meso的任何程序以较少的信息快速重构大量的几何图形。
110.这些参数提供了用于网格重构的指令。例如，从具有直径、扭曲角度、横截面轮廓等参数的折线曲线重构纤维的三角形。几何形状的这种抽象表示可以在尺度和分辨率之间取得平衡。例如，毛皮的小样本可以由数千/数百万的个体毛状物组成。一方面，每个毛状物应该具有可以个体地操作的特征和形式，另一方面，它们是类似基本形状的变体。在一些实施例中，.meso格式利用细微纤维的特质；该示例格式采取一些底层组织的假设，同时允许用户确定毛皮的更有表达力的属性。
111.除了减小的文件大小之外，与其它网格格式相比，一些.meso格式可以提供若干其它益处。由于每个几何形状都以参数方式描述，因此很容易在下游修改这些底层参数，诸如每个纤维的变化长度或缩放直径。这在协作中特别有用，因为它保持了设计的可编辑性。它还提供了一种简单的和有组织的结构，该结构允许用户容易地提取有用的信息。
112.这导致了对于示例.meso数据结构的一些实施例是唯一的文件结构的一些特征，包括：
113.数据之间的高相关性
114.obj是常用的基于索引的文件格式。与其中三角形的每个顶点被存储为个体坐标的stl不同，在obj文件中，从点的共享列表检索三角形的顶点。这避免了表示共享顶点时的冗余，并且维持网格拓扑学信息，从而产生紧凑且一致的网格。
115.在一些实施方式中，.meso格式可以使用相同的逻辑来减少文件大小。利用几何形状之间的高自相似性，在一些实施方式中，.meso格式可以允许在参数函数中引用一些几何形状。这提供了附加数据效率水平，因为详细几何形状的实例仅被记录一次并且被引用多次。一个示例包括在子d功能中的子线框的引用，其中线框和网格面的一个实例可以通过重复来创建任意数量的子。图6示出了根据各种实施例的示例.meso格式。
116.对象内插
117.形状混合。以通过内插若干不同形状来推导新形状。
118.数据结构概述
119.meso文件主要包含两种几何信息：1)几何形状和2)参数函数。
120.几何形状包括点(顶点)、线(线框)和表面(面)。这些几何形状被表示为节点之间的连接，其中在每个节点处编码有附加信息。参数函数是参数函数将被应用于其上的主要几何形状。
121.参数函数是包含参数的对象，其是在重构和切片期间用于特定函数的指令。参数函数是数据结构中的独立对象，其可以由几何形状引用，作为扩展它们自己的描述的方式。在大多数情况下，这些函数用于从当前几何形状生成子。
122.在一个实施方式中，.meso格式基于json模式来建立。它独立地或与任何其它对象组合地包含以下对象中的一个或多个：
[0123][0124][0125]
报头
[0126]
.meso格式可以包括报头，该报头包含用于对软件进行切片以处理文件的信息。这可以包括例如识别其中打印由文件所定义的对象的材料(例如，materialid)和将打印对象的机器的类型(例如，machineid)的信息，以及启动切片过程所需的设置。它还包含关于所有权和日期的信息。在一些实施例中，文件可以包括控制实际几何形状切片的切片设置。
[0127]
节点
[0128]
表示文件中所有主要几何形状的顶点的3d坐标阵列。当导入文件时，该阵列将被索引。
[0129]
坐标[point3d]节点的x,y,z坐标
[0130]
线
[0131]
每条线包含节点阵列和每个节点处的属性，这使得能够实现高度抽象的参数表示的毛状物状或格子结构。将编索引线框的集合。图7示出了根据各种实施例的简单线的示例线框表示。
[0132][0133][0134]
网格
[0135]
网格提供了与增材制造中通常使用的其他文件格式如.stl的兼容性。这应该是防水网格。
[0136]
外壳
[0137]
每个外壳包含面的阵列。每个面包含3至4个实例的节点信息。由于厚度被指派给每个面，所以外壳可以是封闭或开放的歧管或非歧管。图8示出了能够表示表面的示例外壳表示。
[0138]
节点[int]外壳面节点的索引厚度[double]每个节点处的网格面的厚度。填充填充函数的名称。体积映射体积映射函数的名称。水平[int]指示该网格面的切片水平的标签。参见水平描述。
[0139]
水平标志用于指示在切片期间要被施加到该几何形状上的设置和行为。
[0140]
[0141][0142]
每个体积保持用于该体积的切片设置的参考/索引。手段：仅为每个体积保存所有x设置一次、为它们赋予id、引用和安全id，将保存文件尺寸并且表示可灵活且自适应的格式化。
[0143]
此外，掩饰几何形状可以用于创建(多个)暗区。可以提供离散标志来限制用户可用的切片设置。
[0144]
混合
[0145]
混合形状由主要几何形状的权重定义。其节点位置和属性是其所涉及的那些主要几何形状的加权平均。
[0146]
节点[int]节点的索引。混合几何形状的原点变换矩阵要应用的变换。父[int]父几何形状的索引。权重[double]父几何形状的权重。
[0147]
图9示出了使用两种不同类型的设计之间的加权平均来混合形状的方法。图10示出了用于沿表面混合形状的方法，并且可以沿表面在多个维度中混合设计。应当理解，可以使用混合函数来混合任何数量的设计。
[0148]
轮廓
[0149]
轮廓包含一系列2d向量以扩展/加厚线框的每个顶点。这些向量被转置成每个顶点处的局部定向，其与曲线法线和前向量对齐。
[0150]
轮廓定点[2d point]表示轮廓外形的向量阵列。厚度[double]中空管的厚度。设置为0以创建实线。
[0151]
分支
[0152]
分支包含用于将子线框放置到主线上的参数。图11示出具有从主线延伸的分支或子线框的线的示例线框表示。
[0153][0154]
填充
[0155]
填充包含用于将子线框放置在主外壳面上(例如，将毛状物结构放置在表面上)的参数。图12示出了在表面上填充的线的图。
[0156][0157]
体积映射
[0158]
盒映射包含变换主要几何形状和使其变型的参数。将主要几何形状从原点的单元盒重新映射到目标盒中的uvw坐标。
[0159]
节点[int]表示目标盒的8个拐角的8个顶点的索引。子[int]要重新映射的子线框的索引。细分沿着盒的边缘的细分计数
[0160]
切片
[0161]
术语3d打印中的切片广泛用于描述结束时产生3d打印生产数据的过程。因此，大多数切片软件的输入是以某种数据格式(诸如，.stl,.obj或者.meso)编码的虚拟模型数据。在通过切片软件之后，数据被转换成制造机器可解释的格式以控制机器行为，诸如电机控制单元的定位、激光路径、投影图像等。
[0162]
因为在一些实施例中，可以使用的制造过程是dlp打印，所以切片软件可以主要聚焦于投影光序列，作为与诸如平台移动速度的其他辅助打印设置组合的切片的最终结果。由于切片分类没有在整个生产的概述中包含模型数据、切片、打印和机器设置之间的相互依赖性的全特征视图，因此设计者倾向于使用术语编译，如在编译到产品数据或编译到打印时。
[0163]
dlp的最新技术水平以及3d打印行业中最常使用的其他切片软件是3d网格切片。通过用于3d模型数据的stl格式化的流行性证明是合理的，切片算法将其他数据格式重构回经由标准切片算法待切片的stl样式网格。尽管该过程确保了高后向兼容性，但是这可能以效率为代价而发生，并且忽略了优化的巨大潜力。尤其是为了从原型制造到大规模生产的按比例放大3d打印，诸如在时间花费方面的计算努力以及成本的因素是提高生产率水平的重要措施。
[0164]
除了.meso数据格式的已经陈述的优点之外，也可以创建设计语言在被读取、解释和编译为可打印的生产数据时是高效的。在一些实施例中，可以存在两(2)个切片引擎作为可以用于将.meso数据编译成可打印机器数据的芯：
[0165]
网格重构切片引擎
[0166]
直线框切片引擎
[0167]
.meso网格重构切片
[0168]
如图13所示，根据各种实施例的用于对3d对象进行切片的示例过程在以平行方式逐渐移动通过3d对象的切片平面中进行。第一切片引擎，即网格重构切片，被设计用于向后兼容，其能够处理诸如.stl和.obj的标准数据格式。此外，在一些实施例中，例如，提供了将具有除了.meso之外的例如.stl的多种不同数据格式的文件进行组合并且切片所组合的模
型数据的能力。虚拟模型被转换成二维网格，其当闭合时形成要被切片和打印的体积。在一些实施例中，算法的一个方面是创建切割平面，其通过具有离散步长增量的模型连续前进。针对dlp印刷，该相交平面可以表示待投影到树脂上的光的投影表面。因此，针对每个平面增量步骤计算切割平面和网格封闭体积之间的相交切割，并且将其保存为灰度位图图像数据。
[0169]
在网格切片的一些实施例中，基于网格面剔除操作来选择gpu切片算法。通过评估面向增量步骤的有效视场之内和之外的三角形网格的数量来检测所包括的体积。为了使该切片技术在gpu上运行，可以利用具有所确定的面向方向的2d网格来重构整个模型。平面和模型体积的二维相交切割被保存为位图格式的图像数据。每个相交切割，也称为层或切片，稍后投射到树脂上。
[0170]
gpu切片算法可以是例如具有网格面剔除切片算法的网格重构。算法通过增加和减少面向内和面向外的网格表面的量来确定当前切片层是在体积的内部还是外部。例如，针对简单的立方体：在正视图中，在立方体的外部，两个立方体面都面对当前视图层。面向内的面的总量是2。对于偶数面的数量增量，算法确定在该区域的体积之外。如果当前视图层被放置在立方体的内部并因此切割该立方体，则面向内的面的数量为1，其为奇数，因此将其评价为在体积的内部。则切片中的相应像素将被评估为被填充。
[0171]
例如，在切割其之前，可以使用不重构.meso文件的实际网格的直线切片算法。gpu切片算法用于直接在切片上创建线投影切割。网格重构从以.meso的显式信息中生成所有隐式信息作为来自.meso的网格。该数据用于网格重建面剔除切片。对于直接线切片，之前没有进行所有隐式信息的网格重构。当该线框线与当前分片层相交时，在对该线框线进行精确切片的同时“及时”地完成对该信息的解码。在线框线与切片层相交的情况下，诸如直径、扭曲角度等的显式线框线信息用于评估该线的投影切割，以被保存为切片上的像素。
[0172]
.meso直接线框切片
[0173]
第二切片引擎，直接线框切片，针对内部.meso数据格式进行优化。图14示出了根据各种实施例的用于对线帧表示进行切片的示例过程。通过考虑到.meso数据格式没有结合网格并且因此没有结合表面，但是基于整个主体的更抽象的描述，到目前为止，特别地集中于基于线的结构，有可能绕过网格重构和网格切片技术。直接线切片引擎使用.meso指定结构内的最小构件块的概念表示，线的一维数学概念。
[0174]
来自于三维空间中的一维线的布置的线性代数概念，引擎利用该向量空间通过线性方程计算与切割平面的所有线相交。同样，该切割平面可以以离散的步骤逐层地移动通过如图14所示的模型空间。对于每个增量，计算2d平面和所有1d线之间的所有相交，从而产生相交点(暂时)。这些相交点在3d空间中的定向可以在切片切割平面的局部参考坐标系(以红色表示)中描述。
[0175]
如上所述的.meso数据格式包含关于每条线的信息，诸如直径、轮廓扭曲角度等，然后在这一点上使用这些信息(比较：在切片之前用于将模型重构为网格以用于网格重构切片)。利用相交点、线的起始点和结束点的信息以及轮廓、直径等的附加信息，可以计算所投影的2d平面，这对于创建期望的3d体积输出可能是必要的。例如，圆柱形圆形轮廓线的投影的数学描述可以从如上所讨论的锥形截面切割推导。
[0176]
结合可应用的并行切片(例如，模型减少算法)，这可以提高切片的计算效率，尤其
是对于大的模型尺寸。通过绕过全局模型网格重构而实现的.meso文件的直接线切片允许对.meso文件的局部子分区运行切片算法，并且结合最后算法步骤中的线参数的即时参与，该算法对于分布式切片是任意可缩放和可并行化的。
[0177]
并行切片/分布式模型算法/模型减少
[0178]
在一些实施例中，提供了用于并行切片的模型减少算法，其源自由直接线切片方法开放的可能性，以在单个模型内并行化切片算法。标准数据格式遵循相当间接的方法，以通过定义网格来制定体积，该网格在其被被完全关闭的情况下可能创建体积。这不仅为常见的和非常频繁的错误留下了大量空间，诸如未封闭的网格和表面导致具有全局错误的格式的故障和非故障安全行为，而且未能传递关于体积的定位、起始点和结束点以及它们的局部范围的信息。图15示出了根据各种实施例的用于并行处理3d模型的部分的示例过程。
[0179]
在一些实施例中，.meso格式提供体积的起始点和结束点，这对于将模型分配到本地子模型中以及将计算任务分配到多个较小子模型中的处理是有益的。这里提供的模型减少算法可以被分类为所谓的划分和混淆算法。在一些实施例中，发明人已经认识到，被称为“映射减少”的大数据算法可以用于以更有效的方式处理大3d数据模型。
[0180]
模型减小算法的核心概念是将用于标准切片的尺寸过大的模型分割成若干较小的模型，其可以在分布式计算机集群架构(或者也可以仅多线程或其他处理实体)中并行处理。模型数据分解的关键是3d数据的空间相关性，其可以由于所包括的线的起始点和结束点以.meso被访问。不幸的是，这种信息不是以标准格式(诸如.stl或.obj)供应。
[0181]
基于所有线的空间定位，可以对整个数据集进行分类。例如，对于平行切片，分类标准是切片方向(z轴)。根据该排序顺序，模型可以被分离成多个局部完全独立的子模型，也称为块。用于加速切片的拇指法则可以是将模型分离成等于集群(和/或诸如虚拟处理器、线程或其他处理实体的其他处理实体)中可用的处理芯的量的多个块。在模型不具有用于分离模型的清晰/空白区域的相当常见的情况下，例如，从全局模型开始到全局模型结束的线，存在处理它的若干方式。一种方法是将那些线复制和转移到每个遍历的块中。另一种方法是通过将过大/过长的线分离成多个较小的线来自动重构数据集。
[0182]
在一些实施例中，每个块是具有“父”meso模型的所有属性的完全自充分的meso子模型。因此，每个块可以作为其自己的实例被个体地切片。从针对单个处理实体(例如gpu存储器)太大而不能有效地切片的一个大的.meso模型，系统可以将模型分布到多个meso子模型(其尺寸对于处理实体来说有效地切片)。利用在父.meso模型内的子模型的布置和结构的信息，所有子模型的结果切片可以被组合/融合/叠加至父meso模型的整体切片结果。
[0183]
通过使用其包含个体和离散体积对象(参见meso体积类)加上基于节点的系统的.meso格式数据，可以以容易有效和快速的方式处理大模型。相反，传统的单个网格数据文件不能以这种快速方式被分布到子模型和空间块中。
[0184]
在一个实施方式中，可以利用诸如以下的算法来完成子模型/块的空间排序：在meso父模型体积空间中定义块(例如在切片方向上等距，例如在y维中四个相同长度的块)。然后，meso父模型的所有节点在内部被指派/标记到它们所属的块，即它们在空间上位于哪个块中(或者有疑问地，它们被标记用于两个块)。对于每个块，创建meso子模型，其中写入所有meso对象/线，其在该块内具有节点(另外，到达中的对象/线，其具有位于到该块的近距离内的节点，并且它们的体积半径可以潜在地到达所述块中)。用于所有子模型的节点可
以保持不被接触，如同在父模型中一样。现在，所有子模型可以完全独立地被发送到虚拟和/或物理上分离的处理实体(例如，执行工作站、gpu、云实例等的切片引擎程序/例程)。在子模型被完全处理之后，得到的切片数据被合并到全局父meso模型体积空间中(例如，简单地按照沿切片方向的等距分块来附加)。
[0185]
模型减少算法可以应用于并行化3d切片算法，但是不约束或不限于此。3d建模中的其它应用(诸如最近邻居搜索或滤波操作)也可以受益于分布式和并行计算。
[0186]
中尺度打印应当作为跨学科方法来处理，并且打印的质量取决于各种相互依赖的因素。它们中的一些与计算切片相关。其它领域(诸如机器设置、机器过程控制、树脂材料特性等)不仅决定性地影响印刷质量，而且彼此相互作用以及与切片相互作用。因此，不同的切片强度滤波器例如可以针对不同的树脂或机器设置而具有关于印刷质量和得到的属性的各种结果。这是从虚拟模型到编译时的成品的整个过程的跨学科视图。在一些情况下，这种编译过程的许多方面通过手工和经验性的人类经验来手动完成，以调整用于最佳打印的设置和参数。
[0187]
dlp打印光强滤波
[0188]
在一些实施例中，编译过程还可以包括在每个切片步骤之后的图像/位图数据后处理。为了接收个体层之间的更平滑的过渡，通过不仅确定切片面和3d模型之间的单个相交切割，而且多次切片该模型(由期望的子采样程度参数化)(例如，以等距步长)并且随后平均像素强度来应用深度子采样。图16a至16b中图示深度子采样，图16a至16b示出了使用或不使用深度子采样的图像后处理的各种实施例。
[0189]
这导致由切割和逐层生产印刷品引起的不太锐利和明显的边缘。通过应用这里描述的深度子采样方法，防止了模型几何形状中的倾斜和斜率的不期望的阶梯近似。投影的不同灰度级像素强度产生印刷品的通常更平滑表面。
[0190]
除了深度子采样之外，切片平面内的抗混叠通过多采样抗混叠(msaa)执行。msaa减小了已子采样的切片的像素强度梯度，并且平滑了图像数据中的太尖锐的角和边缘。尤其是对于偏离标准90度、自下而上和自上而下的切片和打印角度，与多采样结合的子采样能够维持以最高像素分辨率打印的能力。
[0191]
然后，应用光强度片段滤波器，以通过调节用于最佳树脂固化的投射光强度来优化印刷品的质量。例如，这可以包括在固化过程期间评估光折射和光吸收以及关于所使用的树脂和期望的几何形状的优化。这个后处理步骤的第一选项是标准默认设置，其将不改变任何像素值，并且在子采样和多采样切片之后通过像素数据。两个其它滤波器类别，梯度和空心梯度滤波以正方形以及径向交替的方式提供。这些滤波器在切片之后将可定制的内核应用于灰度位图数据。例如，用于单个有源像素(例如，小毛状物)的正方形梯度强度滤波器将创建图17a中所示的结果。
[0192]
通过计算用于整个图像的有效像素(不是0)像素的核来应用梯度滤波器。除了以多个像素(正方形的半边长和径向滤波器的半径)给出的滤波器范围之外，可以针对滤波器定义截止亮度和最小亮度。在图17b所示的中空梯度正方形核滤波的示例中，最小亮度被设置为0.1，使得结构的芯不是0，而是0.1。
[0193]
在滤波器将要设置像素值在该阈值以下的情况下，激活最小亮度。然后替代地设置最小亮度的阈值。此外，可以应用相反的截止亮度，具有将低于截止亮度的定义阈值的所
有像素值设置为0的效果。
[0194]
图18a示出了3d对象的拐角的示例平滑函数，并且图18b示出了应用了光强度空心梯度滤波的示例。在图18a中，给出了具有径向核和25的滤波器范围的梯度强度滤波器的示例，以图示平滑的强度拐角的得到效果。此外，图18b示出了应用有径向核和25像素范围的中空梯度滤波。这对于打印中空结构或与应用于打印更大的类似固体和平面的结构的更高的最小亮度值组合而没有复杂化尤其有用。由于涉及的因素数量巨大，对某些树脂和模型几何形状的强度滤波器优化的微调可能是一项困难的任务。这个过程的自动化可以想到更高级的用户输入，诸如定制的材料属性。
[0195]
在编辑过程的切片期间优化的强度滤波的典型应用是中空梯度滤波器，以针对计算优化的均匀固化过程优化关于树脂内的光折射的打印质量。例如，
[0196]
图19示出了没有应用滤波器的切片的处理。如图19所示，没有该滤光器，树脂中的光折射导致最初预期的光折射和uv光的散射，并且因此导致模型中固化树脂的散射。与被固化的独立像素相比，被其它固化区域包围的区域通过光折射接收更多的uv光。当现在与图20中所示的中空梯度径向滤波器的效果进行比较时，该效果可以总结如下：存在的激活的相邻像素越多，并且激活的相邻像素越强烈，像素就变暗。总体结果是，被高强度投影包围的像素通过折射已经以任何方式接收uv固化光，并且不需要固化与被固化的独立像素一样多的光。对于该示例中的优化情况，由直接投射的光和折射散射构成的引入光量是均匀的。
[0197]
通过过程实现的设计/结构
[0198]
简单纤维
[0199]
线框结构允许有效地创建大量的纤维类型。
[0200]
锥形毛状物
[0201]
[0202][0203]
线结构的简单示例是锥形毛状物。图21a示出了可以使用各种实施例所创建的示例简单纤维。图21b示出了图21a的简单纤维的示例横截面。
[0204]
参照图21a和21b，该锥形毛状物由节点和一系列参数定义。
[0205]
节点确定脊的形状。因此，该毛状物经过点n1、n2、n3、.....、n6，这些点参考“nodes”(“节点”)下方列出的坐标。可以通过参考不同的节点或通过改变每个节点的坐标来修改脊。
[0206]
参数确定毛状物的细节形状。轮廓确定了毛状物的横截面形状。在这种情况下，如图22所示选择“square”(“正方形”)，毛状物的直径从节点n1处的1.0mm逐渐变为n6处的0.06mm。“开始”法线被设置为z轴，因此毛状物的底部与底部平面齐平。该毛状物不扭曲，并且“扭曲”中的所有值都被设置为零。
[0207]
可以创建其他类型的结构，包括但不限于：
[0208]
节点毛状物(如图23a和23b所示)并且可以被定义为：
[0209][0210]
扭曲毛状物(如图24a和图24b所示)并且可以被定义为:
[0211]
[0212][0213]
毛皮
[0214]
密集毛皮可以利用meso文件格式以多种方式实现，对保真度和数据效率有不同的影响。例如，每个毛状物可以被表示为单独的线框。在这种情况下，每个毛状物将具有其独特的参数，该参数将允许对个体毛状物进行特征控制。或者，该格式可以表示毛状物的集合作为外壳面的填充函数。利用这种方法，仅需要少量的几何信息来描述毛状物的较大集合。多个填充函数可以被指派给同一网格面以重叠效果。图25示出了根据各种实施例的将多个填充函数应用于同一网格面的示例。图26示出毛状物被施加到表面的统一填充函数。
[0215]
羽毛
[0216]
类似于上面的毛皮示例，可以通过将所有几何形状表示为线框或使用由.meso格式所支持的参数函数来创建高度详细和密集的结构，以实现紧凑数据。在羽毛的情况下，分支函数可以有效地编码分形结构。简单线框可以分叉以形成羽毛。如果子线框也包含分支功能，则这种分形分支可以在若干层上重复。
[0217]
图27中的示例示出了包含129个混合几何形状的羽化布局设计，每个混合几何形状包含用于父几何形状的不同权重。图28a至28b中所示的两个父是包含它们自己的分支功能的线。
[0218]
格子
[0219]
可以通过用模块化单元填充盒映射来生成网格几何形状。模块化单元被捕获在一个单元尺寸的盒中，然后将其重新映射到由体积映射函数中的8个节点所映射的一系列盒上。图29示出了可以使用诸如图30所示的模块化单元生成的格子结构。
[0220]
编织
[0221]
如图31所示的编织结构可以通过将编织单元模块(例如，如图32所示)映射到具有
不同厚度和外壳面尺寸的外壳上来实现。在这种情况下，整个编织结构可以有效地由6条线和一个外壳表示。
[0222]
拭子
[0223]
类似于图34a和34b中所示的拭子设计可以通过收集线来实现。球形物的构造可以包括1)如图33a所示的提供结构刚性和辅助流体保留的内部3d格子结构，2)如图33b所示的定义整体形状并且能够吸收的网状结构，3)如图33c所示的确保球形物的完整性的网状结构的增强元件，和4)如图33d所示的位于网状结构上的细毛状物的螺旋阵列。每个毛状物阵列在它们的中间部分利用薄脊加固。
[0224]
图34a至34b所示的拭子的杆的构造可以使用1)绑定在一起的平行股的线来构造，并且通过2)环和每股之间的对角支架来加强。在图35所示的示例中，杆的特征在于断裂点，该断裂点通过在断裂点减小平行股的短截面的直径来实现。一种替代的杆构造由1)作为主要结构的栅格化的杆壁结构，2)内部剪切加强元件，3)作为在外表面上的进行饰面的螺旋纹理曲线构成。
[0225]
在如图36a所示的杆的一种替代构造中，杆包括1)由呈圆柱形的菱形栅格图案的线元件构成的初级结构，2)由附接到菱形栅格的内螺旋表面构成的次级结构，其提供内部剪切阻力，以及3)由在外部螺旋的较薄线元件构成的纹理饰面，以提供精饰。图36b示出了断裂点，其包括在断裂点处的减小的直径。
[0226]
关于球形物的构造，格子和毛状物的线元件可以卷曲成s形以提供弹性和顺应性。球形物的硬度可以通过控制以下这些因素的组合来确定；毛状物间距、毛状物直径、毛状物曲率/s形、初级和次级网状结构的密度、以及网结构线的直径。通常，具有彼此靠近的元件的结构越密集，球形物将越硬；线元件越厚，球形物将越硬。
[0227]
示例毛状物结构或网状结构的直径可以在例如300μm至50μm之间变化。可以改变示例网状结构的开口以控制流体吸收和释放。网的开口尺寸可以从2mm变化到100μm。
[0228]
通过改变杆的结构的特性，可以实现不同的刚度。例如，杆的颈部区域具有较小的总体直径。金刚石网格沿轴的长度方向是细长的。线元件较薄，而内螺旋表面较窄。这导致杆的柔性和软区域，其可以围绕小半径弯曲。反之亦然，可以获得具有相反特性的坚硬和刚性的手柄区域。
[0229]
可以在沿着杆的任何位置引入断裂点。断裂点是脆性增加的狭窄区域。这通过减小线元件直径和减小总直径来实现。这产生了沙漏形状的区域，其也增加了扭力。该区域利用该区域的两端上的环在视觉上强调以便于标识。
[0230]
可以在沿着杆的任何位置引入指示器。指示器是杆的扩大区域。在现有杆的顶部增加了附加线元件，而不是改变杆的结构。这有助于保持杆的均匀刚度。以菱形栅格图案布置的附加线元件形成指示器结构。
[0231]
关于设计工作流程，球形物的形状可以由边界体积自由地定义。连同功能部件的长度和断裂点和/或指示符(如果有的话)的位置以及所需直径，这些信息被馈送到参数建模软件中，该参数建模软件构建meso结构并且向每个线元件指派相应值。
[0232]
如图36c至36d所示，使用本文所述方法中的至少一些创建的拭子(称为instaswab)可以胜过其它类型的拭子，诸如用于医疗应用的那些，诸如植绒拭子以及用于鼻甲中部、前部或鼻咽拭子的棉花拭子，以适合包括家用测试试剂盒的多种应用。实验室结
果显示，这种拭子比常规棉花拭子具有更高的液体/固体分离率，并且比市场主导的植绒拭子具有更高的微生物转移效率。图36c示出评价拭子如何有效地收集和释放细菌样本的细菌洗脱试验。利用拭子收集细菌样本。将样本释放到介质中，然后将介质稀释成一系列浓度。从每个浓度，计数生长成活菌落的多个细菌单位(菌落形成单位，或cfu)。如图36c所示，琼脂平板上的每个亮点是细菌菌落。良好的拭子释放如此多的活细菌，以至于在大量稀释之后，仍然可以检测它们。这是疾病诊断的最重要的标准之一：发现足够的病原体以进行测试。
[0233]
化妆品涂抹器
[0234]
化妆品涂抹器(例如睫毛刷、泡沫涂抹器、刷子等)可以通过线的集合来实现。.meso格式能够实现高度定制化妆品应用所特有的刷毛特性，所述特性包括1)刷毛毛状物直径，2)刷毛毛状物间距，3)产品保持力，4)总体几何形状。
[0235]
图37所示的化妆品涂抹器包括1)作为初级结构的密集格子芯，2)从格子芯发展的各种长度和直径的刷毛，3)在刷毛的中间部分之间行进的加强线，4)由密集网格结构组成的杆手柄。
[0236]
可以通过meso文件格式促进设计的定制，其中，具有基本曲线的线的简化表示。通过以下步骤引导几何形状来程序化地生成施加器的特征。1)球形物和杆的格子芯通过使外壳围绕3d自由形式曲线偏移而创建。2)线结构围绕芯的杆以指定的角度范围从中心芯向外生长。3)自由形式的3d边界几何形状定义每个线结构的修整长度。4)每条线的直径与轮廓被个别地定义在其meso数据中。这能够实现高度定制整体几何形状。
[0237]
定制随应用而变化。例如，在睫毛膏刷的情况下，可以调节各种参数以适合睫毛膏的施加。例如，可以调节刷毛间距以控制睫毛膏流体的沉积。例如，较稀疏的间隔能够实现繁重的应用，反之亦然。加强线的位置和厚度控制流体在刷子上的保持。图38示出了根据各种实施例的具有不同直径、间隔轮廓和芯形状的各种化妆品涂抹器设计。图39a至39c示出了根据一些实施例的具有不同刷子形状的各种其它类型的化妆品涂抹器。
[0238]
假睫毛
[0239]
假睫毛的制作是高度劳动密集型的操作。然而，发明人意识到，相同或更优的产品可以通过线的集合来实现，并且可以被3d打印。线结构可以用于表示具有可定制曲率和厚度的线阵列。与ramp系统结合，可以获得从0.05到0.15mm的睫毛厚度，其近似于现有的合成单丝睫毛。
[0240]
在一些实施例中，定制可以通过meso文件格式来促进，其中具有基本曲线的线的简化表示。睫毛的特征可以通过以下步骤程序化地产生。1)3d自由线形成基条。2)一系列标准化值和向量定义了每个睫毛的基本位置和方向。3)3d自由形式的线被转置到每个位置上并且对准相应的方向。图40示出了使用线框表示的睫毛的示例设计。图41示出根据一些实施例的变化的睫毛设计。
[0241]
支架
[0242]
支架结构是为印刷对象提供稳定性和锚定点的牺牲结构。还提供了这些结构通常被移除和丢弃。支架结构使用与其它几何形状相同的数据结构，但用标记有唯一标志。
[0243]
在一些实施例中，存在三种类型的支架结构，1)柱支架，2)框架支架和3)前缘支架。
[0244]
柱支架
[0245]
柱支架是锥形线，其通常锚定在其他印刷部件的衬底/方便位置上，并且以最小的覆盖区接触印刷部件。
[0246]
柱支架大部分垂直于树脂水平。这使得在固化树脂的轻微浮力下偏转最小化。在一些实施例中，对于不同程度的附接强度，接触点的直径在0.05至0.1mm之间。小接触点迅速地生长到较厚的杆中。杆或者以较大的覆盖面积锚定到衬底上，或者以最小的覆盖面积着陆在另一个印刷品的顶部上。
[0247]
沿着长印刷品的长度，梯度柱支架阵列可以用于考虑树脂网的曲率。较薄的支架用于朝向印刷品的前部，当其在树脂网底部达到弯曲时，其将塌陷和变形，而较厚的对角支撑的支架用于朝向印刷品的端部，其保持刚性。刚性梯度允许支架结构以可预测的方式顺序地塌陷。图42示出了根据各种实施例的使用线框表示的柱支架技术。
[0248]
框架支架
[0249]
框架支架是由线形成的网状结构，其为悬垂的毛状物提供锚定点。
[0250]
悬垂件是指印刷品的没有在先前印刷的层上构建的部分。连续表面的悬垂件可以由柱支架处理，因为平滑表面通常具有少量需要支撑的顶点。然而，悬垂件的精细密集的毛皮不能由柱支架支撑，因为这将产生同样密集的柱支架阵列，其将融合成更大的固体，这难以去除并且使用大量的树脂。
[0251]
框架支架使每个悬垂件的毛状物的尖端与其网状结构的每个节点往复运动。这在所有悬垂毛状物周围形成茧，并且茧利用树状结构锚定。框架支架的穿孔还使对树脂流动的阻碍最小化。图43示出了根据一些实施例的用于锚固悬垂毛状物的框架支架。
[0252]
前缘支架
[0253]
前缘支架是集成的格子状结构，主要目的是在打印过程开始时提供良好的打印锚定。
[0254]
在大多数传统dlp/sla打印方法中，打印方向垂直于树脂水平。构建平台粘附通常通过从构建平台到印刷品垂直地构建某种脚手架结构来处理。它克服重力和来自新固化的层的拉力将印刷品保持在适当位置。这对于具有不规则形状的印刷品也是重要的，该印刷品不能齐平地坐落在构建平台上。这些附着脚手架结构还提供了悬垂表面从其长出的锚定点。
[0255]
与传统系统相反，opt ramps使用卷对卷cdlp结构，其树脂水平与印刷方向成一定角度(通常为45度)。为了获得最佳的打印质量，还需要保持衬底和印刷品之间的间隔。这对“构建平台粘附”问题引入了独特的挑战。打印方向和树脂水平之间的角度使粘附脚手架结构暴露于剪切力。该间隔也暗示大多数印刷物是悬浮的，而不与衬底直接接触。
[0256]
前缘支架是传统垂直打印中的打印床附接结构的替代结构。前缘提供了垂直于打印方向但从衬底升高的锚定区域。分支结构允许充足的树脂流动，同时增加支撑覆盖面积和支撑密度。
[0257]
茧支架
[0258]
打印结构的质量，特别是小特征和精细的毛状物，高度依赖于打印定向。垂直于树脂水平的结构产生最佳结果，而悬臂结构和悬垂件需要支架结构。通常，这些条件通过柱支架结构解决，该柱支架结构为表面生长提供锚定。然而，柱支架不能应用于个体地支撑每个
毛状物的细毛状物结构，这将产生效率低下的密集结构。许多应用(诸如例如刷子)具有指向多个/相反方向的精细毛状物结构。这种茧支撑策略可以用薄的多孔网格支撑大量的精细毛状物结构，该网格继而由柱支撑。图44示出了根据各种实施例的示例茧支撑策略。
[0259]
由于通过对打印方向取点积容易地检测线方向和悬垂件，这表示平行性，所以通过meso文件格式唯一地实现茧支架的生成。网格也可以从meso线数据中提取，其中毛状物的尖端形成三角网格的节点。
[0260]
微小的支撑柱可以从与细微毛状物结构交界的网格生长。支架和毛状物两者的逐渐变细在它们的相交处创建夹点，从而形成方便的断裂点以便于拆卸。这些小毛状物还吸收相邻毛状物长度之间的不规则，从而产生更光滑的茧网格。
[0261]
茧网格为所有精细结构提供附加保护，并且有助于正确的形状形成。茧用作调节树脂的流动的流动屏蔽，从而减少局部湍流并且实现平滑的自然再涂覆。它还提高局部树脂温度并且促进树脂固化。
[0262]
茧结构还能够实现堆叠具有精细结构的对象，以及需要可落在彼此上方的支架结构的其它对象。它防止来自以上几何形状的支架直接落在精细结构上。相反，从上方下来的支架将落在茧上，并且负载沿着网状结构传递。图45a和45b分别示出了茧支架和横截面的示例。
[0263]
上述实施例可以以多种方式中的任何一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施例。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机之间。应当理解，执行上述功能的任何组件或组件集合一般可以被认为是控制上述功能的一个或多个控制器。一个或多个控制器可以以多种方式实现，诸如利用专用硬件或利用使用微代码或软件编程的一个或多个处理器来实现，以执行上述功能。
[0264]
在这方面，应当理解，本发明的实施例的一个实施方式包括编码有计算机程序(即，多个指令)的至少一个非暂时性计算机可读存储介质(例如，计算机存储器、便携式存储器、光盘等)，该计算机程序当在处理器上执行时执行本发明的实施例的上面讨论的功能。计算机可读存储介质可以是可运输的，使得其上存储的程序可以被加载到任何计算机资源上以实现本文所讨论的本发明的各个方面。此外，应当理解，对在执行时执行上述功能的计算机程序的引用不限于在主计算机上运行的应用。相反，术语计算机程序本文以一般意义使用，以引用可用于对处理器编程以实现本发明的以上讨论的方面的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。
[0265]
本发明的各个方面可以单独使用、组合使用或者以未在前面描述的实施例中具体讨论的各种布置使用，并且因此在它们的应用中不限于在前面描述中阐述的或者在附图中图示的部件的细节和布置。例如，在一个实施例中描述的方面可以以任何方式与在其它实施例中描述的方面组合。
[0266]
此外，本发明的实施例可以被实现为一个或多个方法，已经提供了这些方法的示例。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构建其中以与所示顺序不同的顺序执行动作的实施例，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作。
[0267]
在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数词来修改权利要求元素
本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个的任何优先级、先后次序或顺序，或者执行方法的动作的时间顺序。这些术语仅用作将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(但使用序数术语)区分开的标签。
[0268]
本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意味着包括其后列出的项目和附加项目。
[0269]
已经详细描述了本发明的几个实施例，本领域技术人员将容易想到各种修改和改进。这些修改和改进都在本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，而不是限制性的。本发明仅由所附权利要求及其等价物定义。