三維物體子結構的製作方法
2023-06-01 23:01:11
背景技術：
通過增材製造工藝生成的三維物體可以以逐層方式形成。在增材製造的一個示例中，通過固化構造材料的層的部分來生成物體。在示例中，構造材料可以是粉末、流體或片狀材料的形式。通過將試劑印刷在構造材料的層上，可獲得預期的固化和/或物理屬性。能量可被施加到該層，並且已施加試劑的構造材料可一經冷卻就聚結和固化。在其它示例中，可通過將擠出的塑料或噴射的材料用作構造材料來生成三維物體，構造材料固化以形成物體。
一些生成三維物體的列印工藝使用從三維物體的模型生成的控制數據。該控制數據可例如指定向構造材料施加試劑的位置或構造材料自身可被放置的位置，以及要被放置的量。
附圖說明
為了更完整的理解，現在參考結合附圖進行的下述說明，其中：
圖1是其中生成三維半色調閾值矩陣的方法的示例的流程圖；
圖2是其中生成三維半色調閾值矩陣的方法的示例的流程圖；
圖3是用於生成用於製作三維物體的控制數據的處理設備的示例的簡化示意圖；以及
圖4是用於生成用於製作三維物體的控制數據的方法的示例。
具體實施方式
本文描述的一些示例提供用於生成可被用以製作三維物體的控制數據的裝置和方法。一些示例允許對具有各種指定的物體屬性的任意三維內容進行處理並將其用於生成三維物體。這些物體屬性可以包括：外觀屬性(顏色、透明度、光澤度等)、電導率、密度、孔隙度和/或諸如強度等機械屬性。
在本文的一些示例中，三維空間以「體素」即三維像素為特徵，其中每個體素佔據離散體積。在對三維物體進行數據建模時，給定位置處的體素可以具有至少一個特徵。例如，它可以為空、或者可以具有特定的顏色、或可以表示特定的材料或特定的物體屬性等。
在一些示例中，對表示三維物體的數據進行處理，以生成將被用於生成物體的控制數據。
在一些示例中，材料體積覆蓋表示對列印材料數據進行定義，例如，對列印材料(例如，將被沉積到構造材料層上的試劑或者在一些示例中的構造材料自身)的數量、以及若恰當則對列印材料的組合進行詳細設計。在一些示例中，這可以被規定為比例體積覆蓋率(proportionalvolumecoverage)(例如，構造材料層的區域的x％應該具有施加於其上的試劑y)。這種列印材料可以與諸如例如顏色、透明度、柔韌性、彈性、剛度、表面粗糙度、孔隙度、導電性、層間強度、密度等的物體屬性相關、或者被選擇以提供諸如例如顏色、透明度、柔韌性、彈性、剛度、表面粗糙度、孔隙度、導電性、層間強度、密度等的物體屬性。
可以使用半色調(halftoning)技術來確定如控制數據中所指定的每種列印材料(例如，試劑的一滴)應被施加的實際位置。
例如，物體模型數據內的一組體素可以具有相關聯的一組材料體積覆蓋率矢量。在一個簡單的情況下，這樣的矢量可以指示三維空間的給定區域的x％應具有施加於其上的特定試劑，而(100-x)％應不用試劑。隨後，材料體積覆蓋表示可以提供用於「半色調」處理的輸入，以生成可由增材製造系統用來製作三維物體的控制數據。例如，可以確定，為了產生特定的物體屬性，構造材料層(或層的一部分)的25％應具有施加於其上的試劑。半色調處理例如通過對每個位置與在半色調閾值矩陣中提供的閾值進行比較，來確定試劑滴落在哪裡，以便提供25％的覆蓋率。
在一些示例中，用於表示三維結構或物體的數據被「柵格化」，即被轉換為一系列的離散位置。經柵格化的數據可以處於三維列印裝置的可列印解析度下，控制數據可以被提供至該3d列印裝置。
在一些示例中，生成控制數據，使得根據該數據生成的物體具有子結構。例如，該物體可旨在具有開放的網格狀結構，這可以使其較輕和/或耐衝擊和/或減少材料的使用量。術語「子結構」被用於與物體模型的形狀和形式區分開。
圖1是用於生成三維半色調閾值矩陣的方法的示例。這樣的矩陣可用來生成具有子結構的物體。
在塊102中，接收表示三維材料結構的子結構模型。該材料結構可例如表示網狀或晶格狀結構。在體素的方面考慮，被材料結構佔用的物理空間可包括相對大比例的未佔用或空的體素。該結構可以是連續的規則結構，諸如由空間填充多面體或稜柱體((因此可以形成規則結構)形成的網格或三維晶格；或不規則(例如，分支狀或靜脈狀)。該結構可以是一致的，或可在其體積上變化。
在一些示例中，子結構模型可以是明確的、完全定義的三維模型，例如被定義為矢量物體。在其它示例中，模型可以以數學或算法基礎被定義，例如被定義為當被執行時能夠構造或生成子結構模型的表示的計算機可讀指令。
在塊104中，子結構模型中的、存在結構的每個位置被半色調閾值填充，以提供三維半色調閾值矩陣。該半色調閾值矩陣可適合用於生成控制數據，該控制數據用於利用增材製造設備製造三維物體，例如使得所生成的物體具有由子結構模型指定的子結構。
圖2是示出了生成三維半色調閾值矩陣的方法的第二示例。在塊202中，接收指示要被生成的物體的信息。該信息例如可包括尺寸、形狀、輪廓和解析度的信息中的任何一個。在塊204中，接收表示三維材料結構的子結構模型，例如上面關於塊102所描述的。
在該示例中，在塊206中，根據指示要被生成的物體的信息來縮放三維材料結構。這允許生成合適尺寸的子結構模型。
在一些示例中，縮放材料結構可包括：平鋪(tile)或複製該結構的基本「種子」元素。在其它示例中，縮放材料結構可包括：縮放材料結構或其基本元素本身：例如，如果結構由立方結構組成，則立方體的尺寸可根據該信息來設置。縮放可包括匹配要被生成的物體的總尺寸(使得例如物體和材料結構是基本上相同的尺寸，或可用相同大小的體素陣列描述)。在其它示例中，縮放可包括匹配物體的部分的尺寸使其具有該子結構(即，子結構可根據所生成的物體而變化)。縮放可包括考慮要被生成的物體的最小特徵的尺寸，並且確保這樣的細節可用合適比例的材料結構表示。縮放還可包括考慮針對要被生成的物體指定的屬性，諸如位於特定體積中的材料的量，以確保物體具有指定的強度。
縮放可自動或利用用戶輸入實現。在一些示例中，特定結構(例如，規則的立方晶格)可以以多個解析度/比例被定義(例如，將不同尺寸的立方體用作基本元素)，使得縮放三維材料結構包括選擇預定義的結構中的一個。
接著，生成具有(縮放的)材料結構的子結構模型的柵格化表示(塊208)。在一些示例中，該表示可包括多個平面，每個平面被柵格化為離散位置。如上文概述，如果材料結構包括相對大比例的未佔用體素的或空的體素，則每個平面可以是部分或稀疏地填充的值陣列。在一些示例中，陣列是二元的：結構存在於一位置或不存在。在一些示例中，陣列可以是多個二進位位圖的形式，每個二進位位圖表示材料結構的平面。
指示在塊210中，接收到半色調閾值數據。在一個示例中，該數據可以作為半色調閾值矩陣接收。在一個示例中，閾值矩陣可以包括與三維子結構模型自身相同的維度(即，為三維閾值矩陣)。在其他示例中，閾值數據可以以不同的形式(例如，可以使用更大的閾值矩陣中的部分)來供應、或者可以根據存儲的計算機可讀指令來生成、等等。
在該示例中，半色調數據包括閾值陣列。在一個示例中，閾值用於執行半色調操作，該半色調操作將閾值矩陣的值與用於指示列印材料(例如試劑(多個試劑)或試劑組合)的概率分布的值(例如表示為mvoc(材料體積覆蓋率)矢量)進行比較。這將根據閾值來選擇單個的「狀態」(可能的材料或材料組合中的一個)。
列印材料體積覆蓋率可以在物體內部發生變化，並且在構建半色調閾值數據的時候可以對該種變化加以考慮。例如，本來具有「連續色調」閾值的閾值矩陣(或多個矩陣)可以被格式化以具有局部變異性。在一些示例中，材料體積覆蓋率可以在平面之間發生變化。
在塊212中，用半色調閾值來填充材料結構的存在子結構模型的每個位置。在子結構模型已經被柵格化為一系列陣列的示例中，該系列因此而提供(如果視為堆棧)三維半色調閾值矩陣，該三維半色調閾值矩陣攜帶子結構模型的結構：由於矩陣在表徵結構的位置之外的所有位置中為空，所以無論針對該位置指定的體積覆蓋率如何，應用該矩陣都將導致在該空位置處不使用列印材料。該閾值矩陣可以被應用於物體模型數據，以生成用於製作三維物體的控制數據(塊214)。
半色調閾值可以根據諸如空隙和群集矩陣、誤差擴散技術、基於抖動的技術、am-屏幕、群集點型圖案等半色調技術來確定。在其他示例中，不是提供三維矩陣並使用它來填充子結構模型，而是可以使用例如根據這些技術之一而確定的半色調數據，來直接填充子結構模型。
圖3示出可以被用於生成用於製作三維物體的控制數據的處理裝置300的示例。該示例中的裝置300包括：接口302、圖像處理器304、映射模塊306、半色調發生器308、以及子結構模塊310。
在圖3的示例中，用於表示三維模型物體312的數據包括：物體模型數據316以及物體屬性數據318。物體模型數據316可以對模型物體312的至少一部分的三維模型進行定義。在圖3中，物體312是簡單的立方體，但是將會理解，物體可以具有其他更為複雜的形式。模型物體312可以對三維坐標系統中的物體的全部或部分的形狀和範圍(例如，物體的實心部分)進行定義。物體模型數據316可以通過計算機輔助設計(cad)應用來生成。物體屬性數據318對將要生成的三維物體的至少一個物體屬性進行定義。在一種情況下，物體屬性數據318可以包括：針對將要生成的物體的至少一部分的顏色、柔性、彈性、剛度、表面粗糙度、孔隙度、層間強度、密度、導電性等。物體屬性數據318例如可以針對將要生成的物體的整體來定義(例如，全局屬性數據)、或者針對將要生成的物體的一個或多個部分來定義(例如，局部屬性數據)。物體屬性數據318還可以被用於針對物體的一部分或多個部分來定義多個物體屬性。
當用於生成三維物體時，控制數據314將基於輸入物體數據316、318以及子結構模型310中指定的結構來生成物體。
更詳細而言，接口302接收用於表示三維模型物體312的數據316、318。在一些示例中，接口302可以將物體模型數據316和物體屬性數據318作為單個文件來接收；在其他示例中，接口302可以將物體模型數據316和/或物體屬性數據318的部分作為多個數據對象來接收，其中物體模型數據316和物體屬性數據318分布在多個相關聯的數據結構中。在一個示例中，物體模型數據316可以包括在三維(本文中也稱為[x，y，z])空間中定義的體素。給定的體素可以具有用於指示模型物體312的一部分是否存在於該位置的相關數據。如上所述，物體屬性數據318可以包括全局的物體屬性數據和局部的物體屬性數據，例如，如在物體屬性數據318中定義的某些物體屬性值可以與用於定義物體的每個體素相關聯，和/或，某些物體屬性值可以與一組體素(例如，範圍從單個體素到與該物體相關聯的所有體素)相關聯。在一種情況下，用於表示三維物體的數據包括三維物體的模型，該三維物體的模型具有在模型內的每個位置(例如，在每個[x，y，z]坐標)處指定的至少一個物體屬性。
在該示例中，圖像處理器304從接口302接收物體模型數據316和物體屬性數據318。圖像處理器304至少對物體模型數據316進行處理，並且生成三維物體的柵格化表達。在示例中，圖像處理器304可以生成隨後被柵格化的三維物體的模型的平行平面的切片。每個切片可以涉及增材製造系統中的構造材料的相應層的一部分。在使用三坐標的系統(例如使用[x，y，z]坐標)的三維空間中，這些平行平面可以是z切片、是平行於x軸和y軸(或xy平面)的平面。每個z切片可以包括具有公共z坐標並在x和y維度上延伸的模型的部分。z切片的數量可以取決於z維度的細節的解析度和/或構造材料的層的輸出解析度。
在該示例中，圖像處理器304輸出多個二維柵格對象320，每個二維柵格對象320表示在其中定義了模型物體312的三維空間的平面。這些二維柵格對象中的每一個二維柵格對象可以包括諸如位圖等的圖像。
在該示例中，圖像處理器304將至少一個物體屬性值與柵格對象中的每個位置相關聯。例如，每個柵格對象可以包括在x和y維度上延伸的一組像素；然後可以將每個像素與至少一個物體屬性值相關聯。在物體屬性中的一個定義了顏色的情況下，可以在色彩空間中定義顏色，諸如：單色連續色調空間(例如，灰度級)；紅色、綠色、藍色(rgb)色彩空間；國際照明委員會(cie)1931xyz色彩空間，其中使用三個變量('x'，′y'和'z'或三色的值)來對一顏色進行建模；cie1976(l*，a*，b*-cielabor'lab')色彩空間，其中三個變量表示亮度('l')和相對的顏色尺寸('a'和'b')；或任何其他色彩空間或被導出的色彩空間。這些色彩空間中的顏色值可以包括連續色調值，例如預定義的數值範圍內的值。例如，在簡單的情況下，rgb顏色值可以包括三個8比特的值，因此，每個紅色值、綠色值和藍色值可以在0至255的範圍內。可以隱式地和/或顯式地定義物體屬性，並且物體屬性可以包括尤其以下中的任何一個：靈活性值；彈性值；剛度值；表面粗糙度值；孔隙度值；強度值和密度值。
映射模塊306接收圖像處理器304的輸出，並將由圖像處理器304生成的柵格化表達映射到三維物體的體積覆蓋表示。在該示例中，映射模塊306接收如上所述的柵格對象。這些可以逐個地(例如以表示物體的上升高度的順序)接收，或作為集合(例如，模型物體的所有切片)接收。在一個示例中，映射模塊306將物體屬性映射到材料體積覆蓋率(mvoc)矢量。在一些示例中，映射模塊306可以從接口302直接地接收物體模型數據316和物體屬性數據318。
mvoc矢量可以具有多個值，其中每個值針對三維物體的層中的可尋址位置中的每種列印材料或列印材料的每種組合定義一個比例。例如，在具有兩種可用的列印材料(例如，試劑)m1和m2的增材製造系統中，其中每種列印材料可以獨立地沉積在三維物體的層的可尋址區域中，在給定的mvoc矢量中可以存在22(即，四個)比例：沒有m2時針對m1的第一比例；沒有m1時針對m2的第二比例；針對m1和m2過度沉積(即，組合)時的第三比例(例如，m2沉積在m1上，或者反之亦然)；以及針對不存在m1和m2時的第四比例。在這種情況下，mvoc矢量可以是：[m1，m2，m1m2，z]、或者具有示例值[0.2，0.2，0.5，0.1]，即，在z切片中給定的[x，y]位置處，沒有m2時的20％的m1，沒有m1時的20％的m2，50％的m1和m2，以及10％的空。由於每個值都是一個比例，並且值集合表示可用的材料組合，所以每個矢量中的值的集合總和為1或100％。
例如，在試劑有色的情況下，mvoc矢量可隨後被確定以生成選擇試劑組合，該選擇試劑組合生成與提供的物體屬性(例如提供的rgb值)之間的匹配。該匹配可在映射中隱含。
半色調模塊308和子結構模塊310對體積覆蓋表示(例如包括至少一個mvoc矢量)直接且獨立地進行操作，或已被結合使得子結構被半色調模塊308填充以提供半色調閾值矩陣。子結構模塊310的材料結構可包括任何結構，諸如規則三維格子(例如，基於諸如立方體和八面體等的任何空間填充多面體的蜂窩狀結構)、空間填充多面體或仿生學形狀(例如，脈狀或樹枝狀設計)。這些子結構類型中的每個可被稱為子結構模型。在一些示例中，子結構模型可通過具有輸入三維模型來明確地定義和/或使用cad程序設計，該輸入三維模型描述其整體的幾何結構，例如在矢量域。在其它示例中，子結構模型的結構可隱式地或分析地定義，例如就是基於規則格子、空間填充多面體或分形，或者根據機器可讀指令生成。在一些示例中，子結構模型可由可鋪排的元素組成，使得結構(例如立方體結構或八面體結構，或樹枝狀元素)可在形成子結構模型時重複。這種可鋪排的元素可用作種子以提供要被生成的物體的子結構。在一些示例中，子結構模塊310可平鋪基本元素或種子，例如立方體或其它形狀，以提供子結構模型322。在一些示例中，子結構模塊310可生成子結構模型322的柵格化表示。
半色調模塊308和子結構模塊310或直接且獨立地、或組合地對體積覆蓋表示(例如包括至少一個mvoc矢量)進行操作，從而通過半色調模塊308對子結構進行填充，以提供半色調閾值矩陣。子結構模塊310的材料結構可以包括任何結構，諸如常規的三維晶格(例如，基於任何空間填充多面體(諸如立方體和八面體等)的蜂窩狀結構)、空間填充的多面體、或生物模擬的形式(例如靜脈或分支狀的設計)等。這些子結構類型中的每一種類型可以被稱為子結構模型。在一些示例中，子結構模型可以通過具有例如在矢量域中描述其整體幾何形狀的輸入三維模型來明確地定義、和/或使用cad程序來設計。在其他示例中，子結構模型的結構可以例如基於規則晶格、填充空間多面體或分形體來隱式地或解析地定義、或者另外根據機器可讀指令來生成。在一些示例中，子結構模型可以由可平鋪(tile-able)元素形成，使得結構(例如立方體結構、或八面體結構、或分支狀元素)在形成子結構模型的過程中可以被重複。可以使用這樣的可平鋪元素作為種子來提供將要生成的物體的子結構。在一些示例中，子結構模塊310可平鋪基本元素或種子(例如立方體或其它形狀)，以提供子結構模型322。在一些示例中，子結構模塊310可生成子結構模型322的柵格化表示。
在一些示例中，子結構模塊310可改變基本單元或種子的大小。這可確保物體的特徵，諸如更精細的特徵可被表示在所生成的物體中。
在圖3的示例中，子結構模型322包括堆疊的立方體網格或其佔用的體積相對稀疏的立方晶格結構。子結構模塊310可有效地複製或平鋪表示多個立方體或立方體網格的數據，直至子結構模型322佔用與模型物體312相同的體積。在其它示例中，其它形狀或形態可被複製和平鋪以形成子結構模型322，或者子結構模型可以例如通過空間填充多面體作為一個整體例如填充預定體積來「生長」，該預定體積可以與模型物體312的體積相同。
半色調模塊308提供半色調閾值數據，在一個示例中該半色調閾值數據具有至少一個存儲的半色調閾值矩陣。
半色調模塊308和子結構模塊310一起生成半色調閾值矩陣，其填充有指令以選擇性地使列印材料被沉積在存在子結構的位置上，並且該半色調閾值矩陣例如可以以針對平面中的像素的一組離散列印材料選擇的形式，應用於體積覆蓋表示(例如，mvoc矢量)以生成控制數據，其中跨越該平面的區域的離散值可表示體積覆蓋表示中所述的比例。在一些示例中，子結構模型322在被填充之前被柵格化。在圖3的示例中，物體的一些平面將具有方格網狀圖案，而其它平面將包含稀疏矩陣，表示堆疊的立方體的向上延伸側的橫截面。
在圖4中列出了生成用於製作三維物體的控制數據的方法的示例。在塊402中，獲取三維位圖，該三維位圖包括表示三維模型物體(其可以是物體的全部或一部分)的m×n×l體素陣列，其中m、n和l是正整數，並且其中每個體素位於唯一的三維位置。在一些示例中，m×n×l體素陣列是圍繞(enclose)三維模型物體的至少一部分(並且在一些示例中是全部)的長方體。在塊404，將表示三維物體的每個體素映射到體積覆蓋表示，體積覆蓋表示在一位置處將列印材料指定為一組可用列印材料的比例。在一些示例中，在被如此映射之前，可將模型物體柵格化為多個平面。使用的平面的數量可取決於若干因素中的一個任意因素，例如，提供屬性和/或表面處理的構造材料的類型、聚結劑的類型、所使用的聚結改性劑的類型、每層的厚度等。
在塊406中，獲取子結構模型，該子結構模型包括表示材料結構的m×n×l體素陣列。這種子結構模型可以遵循預定的原則，以種子或基本元素(諸如立方體或其他空間填充多面體等)為基礎，或通過種子或基本元素(諸如立方體或其他空間填充多面體等)來生長。可存在多個子結構模型，並且獲取子結構模型可包括選擇子結構模型。子結構可以是相對開放的網格結構。子結構可能會隨其體積而變化。子結構模型被半色調數據填充以提供三維半色調閾值矩陣。在一些示例中，在被填充之前，子結構可被柵格化為平面。平面的數量可與作為模型物體的切片的數量相同。
接著，將體積覆蓋表示與表示相同三維位置的閾值矩陣的閾值進行比較，以生成控制數據，該控制數據用於基於模型物體列印三維物體並且具有根據子結構模型的材料子結構(塊408)。
在本文中的一些示例中，模型物體以物體可被生成的順序被提供。但是，所生成的物體預期具有不作為模型物體數據但是作為半色調操作的一部分來提供的子結構。這允許子結構隨後在設計流程中被指定和/或應用，並因此新的或不同的子結構可更容易地應用於要被生成的物體。
本公開中的示例可以被提供為方法、系統或機器可讀指令，諸如軟體、硬體、固件等的任何組合。這種機器可讀指令可被包括在其中或其上具有計算機可讀程序代碼的計算機可讀存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom，光學存儲器等)上。
參考根據本公開的示例的方法、設備和系統的流程圖和/或框圖來描述本公開。雖然以上描述的流程圖顯示特定的執行順序，但執行順序可以與所描述的不同。關聯一個流程圖而描述的塊可以與另一流程圖的那些塊相組合。應當理解，流程圖和/或框圖中的每個流程和/或塊、以及流程圖和/或框圖中的流程和/或圖形的組合可以通過機器可讀指令來實現。
機器可讀指令可以例如由通用計算機、專用計算機、嵌入式處理器或其它可編程數據處理設備的處理器來執行，以實現說明和附圖中所描述的功能。具體地，諸如處理裝置300等處理器或處理裝置可以執行機器可讀指令。因此，裝置和設備的功能模塊可以由執行在存儲器中存儲的機器可讀指令的處理器、或者根據嵌入在邏輯電路中的指令進行操作的處理器來實現。術語「處理器」應被廣義地解釋為包括cpu、處理單元、asic、邏輯單元或可編程門陣列等。方法和功能模塊可以全部由單個處理器執行、或者在多個處理器之間分配。
這種機器可讀指令還可以存儲在計算機可讀存儲器中，該計算機可讀存儲器可以引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定模式進行操作。
這種機器可讀指令還可以被加載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得計算機或其他可編程數據處理設備執行一系列的操作以產生計算機實現的處理，因此在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供了用於實現由流程圖中的流程和/或框圖中的塊所指定的功能的手段。
此外，本文的教導可以以計算機軟體產品的形式來實現，計算機軟體產品被存儲在存儲介質中並且包括多個指令，該多個指令用於使計算機設備實現本公開的示例中所述的方法。
雖然已經參考某些示例描述了方法、裝置和相關方面，但是在不脫離本公開的精神的情況下，可以進行各種修改、改變、省略和替換。應當注意，上述示例用於說明而非限制本文所描述的內容，並且本領域技術人員將能夠在不脫離所附權利要求的範圍的情況下設計許多備選實現。特別地，來自一個示例的特徵或塊可以與另一示例的特徵/塊組合或被其替代。
用語「包括」並不排除存在除了權利要求中所列出的元素之外的元素，「一」或「一個」不排除多個，並且單個處理器或其他單元可以實現權利要求中所述的幾個單元的功能。
任何從屬權利要求的特徵可以與任何獨立權利要求或其他從屬權利要求的特徵相組合。