利用快速STL文件转换的三维打印

摘要

提供了用于在不使用切片堆叠文件的情况下进行制品的固体自由形式制造的方法，快速且高效地—在计算资源方面—转换表示要通过SFFF构建的一个或多个制品的STL文件而不使用传统切割程序。应用编程接口(API)被用来生成与要被从制品的STL文件直接打印的制品的每个特定层相对应的位图。这种转换可紧接在打印特定层之前基本实时地进行。在配置用于SFFF打印机构以打印该特定层的打印指令时使用该位图。

说明书

技术领域

本发明涉及固体自由形式制造的领域，固体自由形式制造又称为增材制造。特别地，本发明涉及用于将立体光刻数据文件(.stl)快速转换成给用于逐层构造物理制品的打印机构的指令的方法，该立体光刻数据文件包含待通过固体自由形式制造来生产的该物理制品的三维数学模型。

背景技术

近年来，固体自由形式制造工艺(亦称为增材制造工艺)已发展到用于直接从制品的电子表示生产物理制品。如本文所使用的术语“固体自由形式制造工艺”(“SFFF”)是指产生三维物理制品并包括从该制品的电子表示每次一层地顺序形成该制品的形状的步骤的任何工艺。固体自由形式制造工艺在本领域中也被称为“分层制造工艺”。当使用逐层构建工艺来产生少数量的特定制品时，它们在本领域中有时也被称为“快速原型制作(prototyping)工艺”。固体自由形式制造工艺科包括一个或多个成形后操作，所述操作增强制品的物理和/或机械属性。固体自由形式制造工艺的示例包括三维打印(“3DP”)工艺和选择性激光烧结(“SLS”)工艺。3DP工艺的一个示例可在2000年3月14日授予Sachs的美国专利号6,036,777中找到。SLS工艺的一个示例可在1991年12月31日授予Bourell等人的美国专利号5,076,869中找到。根据本发明的固体自由形式制造工艺可被用来生产由金属、有机物、陶瓷、复合材料和其它材料构成的制品。通过消除传统上必须的昂贵且耗时的中间步骤，固体自由形式制造工艺的发展已经产生了从概念到制成的制品所需的时间和成本的跳跃式减少。

许多自由形式制造工艺由以下基本步骤构成：(1)向可竖直转位(verticallyindexable)的构建台涂覆第一层构建材料(例如，粉末)并使其平滑；(2)用打印机构扫描构建材料层以向其施加被构建的制品的相关二维层的图像；(3)降低构建台以接收另一层构建材料；以及(4)重复步骤(1)到(3)直到制品完成。逐层构造导致所期望的物理制品的形成。后续处理常被用来增强所构造的物理制品的物理属性。

如本文使用的术语“打印机构”通常是指固体自由形式制造系统的组件，所述组件(1)将正被构造的制品的相关二维层的图像物理施加到构造材料上，所述构造材料位于正在其上构建制品的台上，和/或(2)在该台或前一层上的这一二维层的图像中沉积一层构造材料。例如，在3DP工艺中，打印机构是包括一个或多个打印喷头和相关联的扫描和控制机构的打印头，其将粘合物流体的液滴喷淋到粉末层上以形成物理制品的相关二维层的图像。在SLS工艺中，打印机构是激光器和相关联的扫描和控制机构，其跨粉末层扫描激光束以按照物理制品的相关二维层的图像的形式将其中的粉末熔融在一起。

要被固体自由形式制造构造的物理制品首先被电子地表示为三维模型。典型地，三维模型被以立体光刻文件或“.stl”文件的格式存储。这种格式的文件在本文中也被称为“STL文件”。STL文件典型地由三角形的集合构成，所述三角形集合草拟出物理制品的外部和内部表面。诸如表面法线(即，从三角形的面垂直指向外的短射线)等特征与三角形相关联以指示三角形的哪个表面从该物理物体面向外。面向外的表面有时被称为“外部”或“正”面而面向内的表面有时被称为“内部”或“背”面。

传统上，在固体自由形式制造中，在本文中被称为“切割程序”的程序对STL文件进行操作。切割程序沿三个互相正交的轴(例如，X-Y-Z轴集的Z轴)对STL文件格式的模型进行切割以创建指定层厚度的二维层(即切片)的堆叠。在每个切片内，模型的相关部分由二维闭合多边形集表示。

切割程序通常为独立程序，例如，可从比利时勒芬(Leuven)的Materialise NV获得的Magics RP。然而，切割程序也可以是更大程序的将STL文件或功能类似的文件处理为用于固体自由形式制造机器以构造物理制品的指令的子集。在任一情况下，切割程序的应用产生包括二维切片的堆叠的二进制文件，其中每个二维层由二维闭合多边形集表示。这种二进制文件在本文中被称为“切片堆叠文件”。

传统上，固体自由形式制造机器的控制软件利用切片堆叠文件来逐层地制造物理制品。通常，固体自由形式制造机器控制软件将切片堆叠文件中表示的每个模型层转换为用于控制打印机构以创建物理制品的相应物理层的指令集。这些指令告诉打印机构在何处使得构建材料被(1)粘合在一起，例如通过从激光或电子束设备施加能量或通过将粘合物从喷墨打印头喷射，和/或(2)沉积。打印机构的这一操作在本文中被统称为“打印”且这些指令在本文中被统称为“打印指令”，而不管实际使用的打印机构的类型。

图1呈现了通过固体自由形式制造来创建物理制品的传统工艺的流程图表示。在示例性传统工艺10中，要被构建的物理制品的模型的STL文件数据12被输入到切割程序14中。也被输入到切割程序14中的是要被应用于整个模型的所选层间隔值16。切割程序14使用此输入来创建切割堆叠文件18。每个平面切片由所选的层间隔值16与下一切片分开。来自切片堆叠文件18的数据随后被输入到存储设备20。随后，来自切割堆叠文件18的数据被从存储设备20输入到固体自由形式制造机器的控制软件22中。控制软件22处理切割堆叠文件18数据来创建用于使得打印机构26打印每个层28直到物理制品30完成的打印指令24。

传统方法存在若干缺点。这些缺点之中包括需要利用切割程序所引起的成本。这些成本包括购买或开发、实现、和/或维护切割程序的成本。它们还包括必须被分配给该操作和切割程序的存储以及所得到的切割堆叠文件的硬件的成本。它们进一步包括利用切割程序并随后利用切割堆叠文件的计算成本。此外，存在利用切割程序来创建切片堆叠文件所需的时间成本。

另一个缺点是来自物理制品的原始三维模型的细节和其它信息的损失。每当表示该模型的数据集被转换时，关于该模型的某些细节和信息丢失。切割程序尝试依据特定切割平面来表示它们正在操作的模型。从而，切割程序没有捕捉到来自关于所述切片平面之间存在的细节的原始模型的所有信息并且因此丢失。这意味着原始模型不可从切片堆叠文件得到来用于查看、移动、缩放或其它操作。这还意味着切片堆叠文件可仅被固体自由形式制造机器使用，该机器能够利用在创建切片堆叠文件时选择的特定切片厚度并且能够使用相同的打印设备转位步长和其它参数。这限制了切割堆叠文件从一个固体自由形式制造机器到另一个固体自由形式制造机器的可移植性。

若干年前，本发明的发明人之一在美国专利申请公开US 2010/0168890 Al中公开了利用射线投射来在不使用切割程序的情况下将STL文件转换为给用于物理制品的逐层构造的打印机构的指令的方法。尽管那些方法在许多方面优于传统STL转换方法，然而它们涉及大量计算并且可能导致一些分辨率的损失。

发明内容

通过提供用于在不使用传统切割程序的情况下快速且高效地(在计算资源方面)转换表示要由SFFF构建的一个或多个制品的STL文件的方法，本发明克服了与现有技术相关联的前述问题中的至少一些问题。本发明通过利用应用编程接口(“API”)来生成与要被从制品的STL文件直接打印的制品的每个特定层相对应的位图来实现这一点。优选地，该转换紧接在要被打印的特定层之前基本实时地进行，尽管存储一个或多个(或甚至全部)层的转换结果以供稍后使用也在本发明的范围内。一旦被生成，则位图随后可在配置用于打印机构以打印该特定层的打印指令时使用。在使用光栅化(rasterizing)打印机构(例如，喷墨型打印头、扫描辐射源或选择性掩模的辐射曝光源)的SFFF工艺中，该位图可被用于直接指示要被打印的像素位置。在依赖于向量化指令以便打印的SFFF工艺中(例如，如在SLS工艺、电子束工艺、或熔融沉积工艺中)，可在创建在打印时利用的向量时使用位图。

附图说明

参考附图将能更好地理解本发明的特征和精神的关键。然而，要理解，附图被设计成仅用于说明目的，而不作为对本发明的限制的定义。

图1是通过固体自由形式制造来生产物理制品的现有技术工艺的流程图。

图2是打印盒中的竖直定向的环面的立体示意图。

图3是图2的环面的一部分的立体示意图，其显示了在其面向观看者的一侧上的STL文件棋盘状三角形。

图4是图1的环面的下半部分的立体示意图。

图5是图4的环面的俯视示意图正交投影。

图6是呈现图5的投影在内部面剔除之后的结果的示意图。

图7是呈现图5的投影在外部面剔除之后的结果的示意图。

图8是在场景定型化以异或方式组合图6和7中示出的图示之后的构建层的俯视示意图。

具体实施方式

在本节中，按照足以使本领域技术人员实践本发明而无需过多实验的细节来描述本发明的一些优选实施例。然而，要理解，在本文中描述了有限数量的优选实施例的事实不以任何方式限制如在权利要求书中阐述的本发明的范围。要理解，每当在本文中或在权利要求书中描述了值的范围，该范围包括端点和其间的每个点，就像每个这样的点已被明确描述一样。除非另外说明，如本文和在权利要求书中使用的词语“大约”将被解释为意思是与词语“大约”修饰的值相关的正常测量和/或制造限制。除非另外明确说明，术语“实施例”在本文中用来表示本发明的实施例。

SFFF(固体自由形式制造)装置的要在其中制造一个或多个制品的一个或多个体积部分在本文中被称为“打印盒”，无论该SFFF装置被配置成用于批次处理还是连续处理。为了生产效率起见，常通过在每个SFFF装置构造周期期间制作多个制品和/或单个制品的多个副本来在每个SFFF装置构建周期中利用尽可能多的打印盒体积。在实施例中，要通过SFFF工艺制造的该一个或多个制品中的每个制品首先由STL文件表示。STL文件包含描述其相应的制品的几何形状所必需的信息。为简明起见，下面首先描述要在其中制造单个制品的实施例中使用的一般工艺。

实施例使用API(应用编程接口)来将制品的STL文件转换为个体位图，每个位图对应于用于制造该制品的SFFF工艺打印层之一。要理解，词语“转换”和其各转折在本文中被用来表示STL文件被用作起始点，发明的工艺从所述起始点出发走上到达个体打印层位图的路途。STL文件本身不被发明的工艺改变为别的，而是保留原样以供重新使用。

该转换优选地紧接在打印特定层之前基本实时地针对每个特定打印层进行，尽管存储所述层中的一个或多个(或甚至全部)的转换的结果以供之后使用也在本发明的范围内。

在一些实施例中，对于要被三维打印的制品的至少一个层(并且优选地，所有层)，API被用于利用包含制品的几何形状表示(即模型)的STL文件来进行以下步骤：

1.通过创建第一位图BM1按照位尺寸和要表示每个像素的位的数量来配置渲染上下文，该第一位图被尺寸设定为(a)表示期望打印区域的物理尺寸，且(b)根据打印机的分辨率。

2.指示渲染系统使用BM1作为渲染目标。

3.指示渲染系统进行以下步骤：

a)清空深度和颜色缓冲区；

b)使能深度测试；

c)设立俯视图(或仰视图)正交投影；

d)将背景颜色设置为第一颜色C1；

e)在期望高度Z_n用水平剪裁平面来剪裁该制品的STL文件模型，以丢弃高于Z_n的所有模型几何形状(或当正交投影被设置为仰视图时丢弃低于Z_n的所有模型几何形状)；

f)剔除模型的内部(背)面；

g)用颜色C1渲染该模型；

h)剔除模型的外部(正)面；

i)用第二颜色C2(其不同于C1)渲染模型；以及

j)场景定型(finalize)为BM1，即，将场景定型为目标位图BM1。

4.利用BM1来打印该层。

在利用被创建的位图来打印该层的步骤中，访问位图来创建用于SFFF的打印机构的打印指令。例如，在打印机构包括类似喷墨头的打印头的情况下，位图可被用于指示打印头确切地在打印盒的当时的表面层上在何处沉积粘合物流体或在将任何期望的偏移纳入考虑之后相对地在何处进行这种沉积。作为另一示例，在依赖于用于打印的向量化指令的SFFF工艺中，例如，如在SLS工艺、电子束工艺或熔融沉积工艺中，可在创建在打印时使用的向量时使用位图。

图2到8提供了用于通过SFFF工艺来制造固体环面(制品100)的单个实例的上述工艺的整体描绘。在此描绘中，该工艺的步骤3(c)将使用俯视图正交投影。参考图2，方向标记102示出，出于此讨论的目的，制品100在SFFF装置的打印盒中竖直地定向，其中心轴104平行于打印盒的Y方向。用于制造制品100的初始构建层与打印盒的X-Y平面相交。SFFF装置中将被用来制造制品100的其它构建层中的每个构建层平行于打印盒的X-Y平面。

通过在制品100的面向观看者的表面上显示棋盘状(tessellated)三角形，图3给出了制品100的部分106在用STL文件模型的棋盘状三角形绘制时将像什么的暗示。在此描绘中包括制品100的面向观看者的表面避免了在面向观看者的表面和其对立面两者上的棋盘状三角形同时被看见时出现的混淆(如在STL文件模型的未增强绘制中发生)。

为说明起见，现在将选择在高度Z_0.5处选择的构建层，该高度为制品100的Z轴高度的一半高。图4示出了制品100的从其底部向上到此构建层的立体图，其基本上是当制品100的STL文件模型被用在此高度Z_0.5处的水平面剪裁时制品100的剩余部分。在此构建层高度处，制品100具有两个一致的横截面108a、108b。图5示出了在此构建层高度处的制品100的俯视图正交投影，其具有两个横截面108a、108b，为了清楚在此附图中用向右倾斜的影线示出。

图6示出在剔除模型的内部(背)面之后渲染步骤3(g)的结果，第一图像110。实心竖直影线被用来描绘颜色C1。

图7示出在剔除模型的外部(正)面之后渲染步骤3(i)的结果，第二图像112。左倾的对角影线被用来描绘颜色C2。

图8示出了在步骤3(j)的场景定型化之后用位图BM1表示的构建层。场景定型化实际上将第一或第二图像以“异或”方式组合。两个区域114a、114b由将在SFFF装置中针对该打印层打印的像素构成。这两个层114a、114b对应于图5的两个横截面108a、108b。

在一些优选实施例中，上述工艺被修改以减少位图中的离群(stray)像素或丢失像素的影响，此影响可能起因于可由STL文件三角形的渲染引起的浮点不精确性。在这些实施例中，除了位图BM1外还创建第二位图BM2，并且随后这两个位图被比较以创建第三位图BM3，该第三位图随后被用来打印该层。位图BM2是使用制品的STL模型的与被用于创建位图BM1相对的视图正交投影并相应地调整剪裁来创建的。从而，如果BM1是使用俯视图正交投影以及丢弃了高于高度Z_n的所有模型几何形状的剪裁来创建的，则BM2是使用仰视图正交投影以及丢弃了低于高度Z_n的所有模型几何形状的剪裁来创建的。针对该制品的至少一个打印层，下面给出了该工艺的重新陈述以包括此修改：

1.通过创建第一位图BM1、第二位图BM2以及第三位图BM3按照位大小和要表示每个像素的位的数量来配置渲染上下文，这些位图被尺寸设定为(a)表示期望打印区域的物理尺寸，且(b)根据打印机的分辨率。

2.指示渲染系统使用BM1作为第一渲染目标。

3.指示渲染系统进行以下步骤：

a)清空深度和颜色缓冲区；

b)使能深度测试；

c)设立俯视图正交投影；

d)将背景颜色设置为第一颜色C1；

e)用在期望高度Z_n处的水平剪裁平面剪裁模型，以丢弃高于Z_n的所有模型几何形状；

f)剔除模型的内部(背)面；

g)用颜色C1渲染该模型；

h)剔除模型的外部(正)面；

i)用第二颜色C2(其不同于C1)渲染模型；以及

j)场景定型为BM1。

4.指示渲染系统使用BM2作为第二渲染目标。

5.指示渲染系统进行以下步骤：

a)清空深度和颜色缓冲区；

b)使能深度测试；

c)设立仰视图正交投影；

d)将背景颜色设置为C1；

e)用在期望高度Z_n处的水平剪裁平面剪裁模型，以丢弃低于Z_n的所有模型几何形状；

f)剔除模型的内部(背)面；

g)用颜色C1渲染该模型；

h)剔除模型的外部(正)面；

i)用C2渲染该模型；以及

j)场景定型为BM2。

6.水平翻转BM2。

7.逐像素地将BM1与BM2相比较以确定BM1像素(x_i,y_j)的值与相应的BM2像素(x_i,y_j)的值相同还是不同，并随后：

A)当值相同时，将BM1像素(x_i,y_j)的值设置为BM3的相应像素的值；或者

b)当值不同时，则BM1像素(x_i,y_j)的值被与其相邻的八个像素(即，像素BM1(x_i-1,y_j+1)、BM1(x_i,y_j+1)、BM1(x_i+1,y_j+1)、BM1(x_i-1,y_j)、BM1(x_i+1,y_j)、BM1(x_i-1,y_j-1)、BM1(x_i,y_j-1)、BM1(x_i+1,y_j-1))的值进行比较以确定九个被比较的值中具有大多数实例的值，随后该大多数值将被设置为BM3的相应像素的值；

8.利用BM3来打印该层。

要理解，经修改的工艺中的步骤1仅为方便记载了同时创建所有三个位图，而每个位图可在任何期望时间被创建。还要理解，BM1和BM2具有相同的尺寸，所以它们能被逐像素地进行比较。BM3可与另外两个位图相同尺寸，或比它们大，例如以容纳打印偏移。

还要理解，在步骤7(b)中确定向像素赋予什么值的方法可被修改以使用更多或更少的周围像素以进行比较。例如，该比较可以是仅与在对角线、列或行上与被测试像素毗连的像素。

还要理解，执行步骤6中的位图BM2的翻转以使得位图BM2的像素所表示的位置与位图BM1所表示的那些位置准确相关。可使用其它手段来实现这种相关。例如，如果位图BM1和Bm2的像素选择的方向被拣选以将位图BM1和BM2基本是彼此的镜像图像纳入考虑，则在步骤7中进行的比较可利用不翻转的位图BM2来进行。作为另一示例，位图BM2(或位图BM1)的填充可按照同样避免执行位图BM2(或位图BM1)的单独翻转步骤的方式来进行。

还要理解，只要结果被存储为位图，使用第三位图(例如BM3)来存储BM1和BM2的比较的结果尽管是优选的，但不是必要的。例如，可利用比较结果来重新填充并且随后使用包含结果的一个或多个位图来取代上面步骤8中的BM3。

上述发明工艺可被应用以在SFFF装置构建周期期间制造多个制品和/或单个制品的多个副本。在其中几何形状上不同的制品要在同一打印床上被制造的情况下，所选发明工艺被应用于每个制品的STL文件且所述工艺的结果被组合为单个位图，该单个位图随后被用来打印该层。在相同制品的多个副本要在相同打印床上被制造但是它们在打印床中被不同地定向和/或位于打印床中的不同高度处的情况下，也可进行相同操作。在其中相同制品的多个副本要被制造的情况下，所选发明工艺仅需要被应用于该制品的STL文件一次且结果被存储，随后要被用于打印该层的位图在该层的期望间隔处被用所存储的结果的多个副本来填充。

实施例可用能够渲染三维向量图形的任何API来实践。这样的API的示例包括Khronos集团的OpenGL以及微软的Direct3D。注意，该发明工艺可与普通计算机处理硬件一起使用或结合专用图形硬件使用以进一步增加计算速度。

要理解，该发明工艺可在任何SFFF装置的打印盒中制造制品的一个或多个层时使用，而不管该SFFF装置是否被用于批次处理还是连续处理。

尽管仅示出和描述了本发明的几个实施例，然而对本领域技术人员而言，显然，可对其做出许多改变和修改而不背离如在权利要求书中所述的本发明的精神和范围。本文中标识的所有美国专利和专利申请、所有外国专利和专利申请、以及所有其它文档通过援引被纳入于此，就像以法律允许的全部程度完全阐述于此一样。