用於實體模型的增材製造的支撐結構的製作方法

2023-05-31 04:16:06

本申請要求2014年6月13日提交的美國臨時專利申請62/011,932號的優先權，在此通過引用的方式將其併入本文。

技術領域

本公開內容一般涉及計算機輔助設計、虛擬化以及製造系統（「CAD/CAM系統」），產品生命周期管理（「PLM」）系統，以及管理用於產品和其他項目的數據的類似系統（統稱為「產品數據管理」系統或PDM系統）。

背景技術：

支撐結構是確保使用諸如熔融沉積成型（FDM）或立體光刻的技術而成功地增材製造零件所需的額外的支架（scaffold）型結構。該零件通常在計算機輔助設計（CAD）系統中使用實體模型而限定並且使用計算機輔助製造（CAM）系統而準備用於製造。當前的商業CAD/CAM系統不具有足夠的功能以用於創建用於實體模型的增材製造的支撐結構。改進的系統是期望的。

技術實現要素：

各種公開的實施例包括用於使得商業CAD/CAM系統的用戶能夠在用於限定零件幾何結構並產生製造操作的相同系統內創建並修改支撐結構的方法和系統。可以直接地在實體模型上形成支撐件，由此避免對數據或幾何結構的轉換的需要。可以使用NX CAD/CAM系統（諸如可從德克薩斯洲普萊諾的西門子產品生命周期管理軟體有限公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. , Plano, Texas）獲得）的用戶定義特徵功能來創建支撐件，由此能夠實現在CAD/CAM系統自身內的容易的修改和存檔。

其他實施例包括用於實體模型的增材製造的支撐結構的系統和方法。該方法包括接收用於待製造的實物目標的實體模型，該實體模型包括多個邊界表示（b-rep）的表面。該方法包括分析b-rep表面以形成用於潛在的支撐位置的點樣本。該方法包括對應於點樣本的至少一些而聚類實體模型上的點以創建支撐位置。該方法包括在實體模型中形成柱體支撐件，該主體支撐件在支撐位置處連接至原始實體模型。該方法包括存儲實體模型，包括存儲柱體支撐件。

前述已經相當廣泛地概述了本公開內容的特徵和技術優點，使得本領域技術人員可以更好地理解以下詳細描述。將在下文中描述本公開內容的構成權利要求主題的另外的特徵和優點。本領域技術人員應當意識到的是，他們可以容易地使用所公開的概念和具體的實施例作為對用於實現本公開內容相同目的的其他結構進行修改或設計的基礎。本領域技術人員還應當意識到的是，這樣的等同構造沒有脫離本公開內容的最廣泛形式的精神和範圍。

在開始下面的具體實施方式之前，闡述貫穿本專利文獻使用的某些單詞或短語的定義可以是有利的:術語「包括(include)」和「包括(comprise)」及其派生詞語意指沒有限制的包括；術語「或」是包括性的，意指和/或；短語「與…相關聯」和「與其相關聯」及其派生短語可以意指包括、被包括在內、與…互連、包含、被包含在內、連接至或與…連接、耦接至或與…耦接、能夠與…通信、與…協作、交錯、並列、與…接近、綁定至或與…綁定、具有、或具有…的性質等；以及術語「控制器」意指控制至少一個操作的任何設備、系統或其一部分，而不論這樣的設備是通過硬體、固件、軟體或以上中的至少兩者的組合來實現。應當注意的是，與任何特定的控制器相關聯的功能，無論本地或遠程，可以是集中式的或分布式的。貫穿本專利文獻提供某些單詞和短語的定義，並且本領域技術人員應當理解的是，這樣的定義即使不是在大多數實例中但仍在許多實例中適用於這樣被定義的單詞和短語的現有及未來使用。儘管一些詞語可能包括各種各樣的實施方式，但是所附權利要求可以明確地將這些詞語限制到具體的實施方式。

附圖說明

為了更完整地理解本公開內容及其優點，現結合附圖參考下列描述，其中相同的附圖標記表示相同的目標，以及其中：

圖1示出數據處理系統的框圖，實施例能夠在該數據處理系統中被實現；

圖2A示出根據公開的實施例的待增材製造的原始幾何結構的示例；

圖2B示出待增材製造的原始幾何結構的示例，該示例包括如在本文中公開的支撐結構；

圖3示出根據公開的實施例的工藝的流程圖；

圖4示出根據公開的實施例的由柱體支撐件支撐的小的測試板，每個柱體支撐件在單個點處接觸該板；

圖5A－圖5C示出根據公開的實施例的不同支撐結構的形狀；

圖6示出根據公開的實施例的避免碰撞的示例；

圖7示出根據公開的實施例的搜尋避免碰撞投影圖形的示例；以及

圖8A和圖8B根據公開的實施例示出外側支撐位置能夠向外成角度以避開實體模型的幾何結構。

具體實施方式

下面討論的圖1至圖8B以及用於在本專利文獻中描述本公開內容的原理的各種實施例僅是通過示例的方式來說明，並且不應以任何方式被解釋成限制本公開內容的範圍。本領域技術人員將理解的是，可以以任意適當設置的裝置來實現本公開內容的原理。將參照示例性非限制性實施例來描述本申請的多種創新性教導。

增材製造（在本文中也被稱作「AM」或「3D列印」）是一種製造技術，在該製造技術中通常從構建板開始向上分層增材地構建實體的實物目標。「構建板」在本文中也被稱作印表機基部、床體或接觸構建板。同樣地，這些系統理想地具有用於支撐面向構建方向的反向的獨立的區域的機構。這些結構還被要求在製造工藝期間保持零件的所有特徵就位以避免任何結構扭曲。這通過使用「支撐結構」而實現，該支撐結構是支撐這些區域並且確保使用諸如FDM或立體光刻技術成功地增材製造零件的附加的支架型結構。該零件通常在CAD系統中使用實體模型而限定並且使用CAM系統而準備用於製造。當前的商業CAD/CAM系統不具有足夠的功能以用於創建用於實體模型的增材製造的支撐結構。

在大多數情形中，實體模型被導出至獨立的軟體包中以用於創建支撐件幾何結構。在導出期間或者在獨立軟體包內，實體首先能夠被轉換成多邊形網格，從而導致精度損失，導致數據轉換問題，並且導致對於增材製造技術的終端用戶的增加的工作流複雜性。除了其他的以外，在本文中圖示了下述實施例：其使得商業CAD/CAM系統的用戶能夠在用於限定零件幾何結構並產生製造操作的相同系統內創建並修改支撐結構。支撐件被直接形成在實體模型上，由此避免對於數據或幾何結構轉換的需要。

在一個說明性實施例中，使用CAD/CAM系統的「用戶定義特徵」功能來創建支撐件，由此能夠實現在CAD/CAM系統自身內的容易的修改和存檔。用戶定義特徵是CAD應用程式內的實體對象（entity），其允許創建標準特徵，該標準特徵能夠被容易地參數化並且能夠在設計中被重複使用且能夠由庫中的組織而管理。圖示的實施例創建實現雙重（並且有時是矛盾的）目的的支撐結構：該支撐結構在製造期間適當地支撐零件的重量並且在製造完成之後易於移除。額外地，除了其他益處以外，當用戶要使用它們的CAD/CAM環境中的任意其他幾何結構時，這個方法允許用戶在支撐件結構形成之後通過支撐件幾何結構的參數化而改進並編輯這些支撐件結構。另外，使用用戶定義特徵允許以這樣的方式利用規則創建支撐件幾何結構：如果零件的幾何結構被修改，那麼該支撐件幾何結構能夠基於它們的規則和參數化而適用於這些修改，這是該方法的獨特特徵。

圖1示出數據處理系統的框圖，其中實施例能夠被實現為例如特別地由軟體或其他方式配置成執行如在本文中描述的工藝的PDM系統，並且特別地實現為如在本文中描述的多個互聯且通信的系統的每一個。所描繪的數據處理系統包括連接至二級高速緩存/橋接器104的處理器102，二級高速緩存/橋接器104進而連接至本地系統總線106。本地系統總線106可以是例如外圍部件互連（PCI）架構總線。在所描繪的示例中，主存儲器108和圖形適配器110也連接至本地系統總線。圖形適配器110可以連接至顯示器111。

其他外圍裝置，諸如區域網（LAN）/廣域網/無線（例如，WiFI）適配器112，也可以連接至本地系統總線106。擴展總線接口114將本地系統總線106連接至輸入/輸出（I/O）總線116。I/O總線116連接至鍵盤/滑鼠適配器118、盤控制器120以及I/O適配器122。盤控制器120能夠連接至存儲裝置126，該存儲裝置能夠是任意適合的機器可用或機器可讀的存儲介質，包括但不限於：非易失性、硬體編碼型介質，諸如，只讀存儲器（ROMs）或可擦除電可編程只讀存儲器（EEPROMs），磁帶存儲裝置以及用戶可記錄型介質，諸如軟盤、硬碟驅動器以及緊湊型光碟只讀存儲器（CD-ROMs）或數字通用光碟（DVDs），以及其他已知的光、電或磁存儲裝置。

在所示的示例中，音頻適配器124也連接至I/O總線116，揚聲器（未示出）可以連接至音頻適配器以播放聲音。鍵盤/滑鼠適配器118提供連接以用於指向裝置（未示出），諸如滑鼠、軌跡球、軌跡指向器（trackpointer）、觸控螢幕等。

本領域技術人員將了解的是，圖1中所描繪的硬體可以因特定實施方式而不同。例如，其他外圍裝置（諸如光碟驅動器等）也可以被額外地使用或者替代所描繪的硬體。所描繪的示例僅為了解釋說明的目的而提供，並且不意指暗示關於本公開內容的架構限制。

根據本公開內容的實施例的數據處理系統包括採用圖形用戶界面的作業系統。該作業系統允許在圖形用戶界面中同時展示多個顯示窗口，其中每個顯示窗口對於不同的應用程式或者對於相同的應用程式的不同實例提供接口。用戶可以通過指向裝置而操縱圖形用戶界面中的光標。光標的位置可以改變和/或生成諸如點擊滑鼠按鈕的事件以執行期望的響應。

可以採用被適當修改的各種商業作業系統之一，諸如Microsoft WindowsTM的版本（位於華盛頓州雷蒙德的微軟公司的產品）。根據如所述的本公開內容而修改或創建該作業系統。

LAN/WAN/無線適配器112能夠連接至網絡130（非數據處理系統100的一部分），網絡130能夠是如本領域技術人員已知的任何公共或私有數據處理系統網絡或者這些網絡的組合，包括網際網路。數據處理系統100能夠通過網絡130與伺服器系統140通信，該伺服器系統也不是數據處理系統100的一部分，但是可以被實現為例如單獨的數據處理系統100。

在製造工藝期間，旨在被理想地增材製造的幾何結構的零件被支撐或以其他方式被固定就位。初始地，由材料所附接的床體或構建板來支撐增材製造的設計。後來各層附接至之前的層。

對於一些幾何結構，可能無法將其附接至床體或者附接至之前創建的幾何結構的層，因此需要構造一些類型的支撐件。在完成最終設計之後移除該支撐件。

圖2A示出待增材製造的原始幾何結構200的示例。要注意的是，如果使用典型的技術從底部至頂部列印該幾何結構的話，則原始幾何結構200沒有用於最底部的部分的支撐件，並且因此該幾何結構無法被成功地製造。

圖2B示出包括如在本文中公開的支撐結構202的待增材製造的原始幾何結構200的示例。支撐結構202也從底部至頂部列印並且為待列印的幾何結構200提供支撐。要注意的是，在支撐結構接觸原始幾何結構200的位置處，支撐結構202的每一個縮窄至一點，以允許它們被容易地分離並且對幾何結構200的底部表面引起儘可能小的修改。

各種公開的實施例使用多種多樣的實體模型幾何結構以限定並構造支撐件，當支撐件被添加或沉積至最終設計上時能夠將材料保持就位。在製造完成之後，這些支撐件能夠作為後處理步驟而被容易地移除。如在本文中公開的支撐件能夠最小化與零件的接觸以避免零件的損壞或其他損傷，能夠最小化在支撐件中使用的材料，並且能夠最小化零件的構造時間。

幾何結構表示和幾何結構計算能夠使用諸如在Siemens Parasolid 幾何結構內核中發現的高精度邊界表示（b-rep）的實體幾何結構，其可從德克薩斯洲普萊諾的西門子產品生命周期管理軟體有限公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. , Plano, Texas）獲得。

圖3示出根據所公開的實施例的工藝的流程圖。該流程示出方法300，該方法能夠由諸如數據處理系統100（下面通稱為「系統」）的數據處理系統執行。

該系統接收用於待製造的目標的實體模型，該實體模型包括多個b-rep表面（305）。當在本文中使用時，「接收」能夠包括從存儲裝置加載，從另一個裝置接收，經由與用戶的相互作用而接收，或者以其他方式接收。

該系統分析B－Rep表面以形成用於潛在的支撐位置的點樣本（310）。作為這個分析過程的一部分，該系統檢查B-Rep表面的曲率和角度以確定放置支撐點或多個支撐點的最佳位置。

該系統對應於點樣本的至少一些而聚類（cluster）實體模型上的點，以創建支撐位置（315）。當在本文中使用時，「聚類」意指一個或多個點被標識用於每一個支撐位置；在一些情形中，在發現多個點樣本彼此鄰近的情況下，使用單個支撐位置用於這些點的這個「聚類」。

該系統在實體模型中形成在支撐位置處連接至原始實體模型的柱體支撐件（320）。根據各個實施例，該系統能夠根據實體模型的變化而自動地調節柱體支撐件。在各個實施例中，所產生的柱體支撐件被成形成在支撐位置處與實體模型具有最小的接觸，使得能夠由柱體支撐件來支撐所要求的重量並且能夠在不損壞或損傷待製造的目標的表面的情況下容易地移除該主體支撐件。該系統能夠在被設計成最小化與實體模型和接觸構建板的碰撞的位置和角度處形成柱體支撐件。該系統能夠形成支撐柱體使得用於支撐柱體的實體模型的應力集中被最大化和最小化，以控制支撐柱體的彎曲和折斷。

該系統能夠與用戶相互作用以便編輯並改進支撐件（325）。

該系統存儲包括柱體支撐件的實體模型（330）。

該系統能夠列印實體模型以創建實物目標（335）。這能夠例如由與3D印表機通信以列印實體模型的系統來執行。

所公開的實施例嘗試最小化在實體模型和支撐結構之間的接觸，同時考慮在接觸點處的側向、直接和扭轉的應力集中。

增材製造工具用戶可以期望在製造之後的支撐材料的容易的移除。所公開的實施例能夠形成應力集中，該應力集中使得在支撐件接觸零件的位置處發生任何彎曲或斷裂。在每個支撐結構的單個點處的支撐件提供最大的應力集中，並且允許在任何方向上的扭轉和彎曲。線性接觸提供大得多的支撐程度，但是僅能夠在一個方向上彎曲，並且僅能夠用在幾何結構提供「平坦的」位置的情況中。

圖4示出由九個「柱體支撐件」410支撐的小的測試板402，每個柱體支撐件在單個點412處接觸板。在模型和每個支撐件之間的單個接觸點對於移除該支撐件是理想的。然而，如果支撐件幾何結構跨過多個點的話，則旋轉自由度減少並且還影響在任意方向上形成應力集中的能力。為此原因，用其自身的柱體支撐每個點提供最優的方案，而兩個點要好於額外添加的點（不成一條線的點）。

該系統能夠平衡對於單個的、單點支撐柱體的需求與對於最優方案的其他需求。可以存在對柱體的物理尺寸的限制，或者存在對減小柱體的數目以減少總的材料使用的需求。當需要時，由這個系統創建的柱體可以被合併或被「布爾計算」。

可以在經受增材製造硬體的限制的任意方向上構建柱體。理想地，該柱體將筆直向下（或者在一些機器的情況中向上）至機器的床體。然而，有事取決於AM機器的最大角度而需要不同的方向。例如，FDM機器通常能夠在不需要支撐件的情況下創建具有高達45度外伸的幾何結構。隨後，支撐柱體自身能夠被構建至45度角。

所公開的實施例能夠支持任何形狀的柱體。例如，柱體支撐件410被成形為錐體、圓柱體、和另一個錐體的柱體；可以想到滿足以上標準的多種不同形狀的柱體。

根據所公開的實施例，在待支撐的點處初始錐體接觸零件的表面。隨後圓柱體從錐體的基部突出至印表機的基部或構建板。為了最大化至基部的粘附，創建第二錐體並且使其與柱體進行「布爾運算」，該第二錐體具有與突出部和床體共面的基部。這個第二錐體的基部半徑大於圓柱體的半徑，如由柱體支撐件410所示。

圖5A－圖5C示出不同的支撐結構形狀。圖5A示出在基部處附接的柱體510，該基部由半球512表示。

圖5B示出具有較小的基部522的柱體520。這在基部處產生應力集中，使該柱體非常容易從印表機平臺折斷。這個示例最可能變成從印表機平臺「脫開（unstuck）」。

圖5C示出支撐柱體530，支撐柱體530具有與圓柱體基部布爾運算的錐體形狀件（諸如在底部上的「墊」532）。這樣的形狀件在墊接觸印表機基部的位置處產生較小的應力。這存在兩個例外。在一些情形中，第一錐體的高度實際上大於從支撐點到床體的距離。在該情形中，僅使用所需要的錐體的部分並且不創建圓柱體或第二錐體。第二例外是當支撐件基部附接至模型並且不附接至印表機床體時。在該情形中，不使用第二錐體並且可以替換更小（或更大）的基部。這是為了創建應力集中以允許容易地移除支撐件。

所公開的實施例還能夠在創建支撐結構時執行碰撞避免。在某些情形中,構建在現有幾何結構之上的支撐件能夠是個問題。例如，支撐結構要求至模型的連接足夠結實而不會在製造工藝期間斷開連接。然而，這個更結實的連接也使得支撐件在完成模型之後更難被移除。另外，與模型的接觸能夠損壞或以其他方式損傷模型表面，從而導致缺乏吸引力的模型以及更大的後期處理時間。

為了這些原因，通常期望創建這樣的支撐件：其最大化至印表機平臺的連接並且最小化至待列印的真實幾何結構的連接。

圖6示出碰撞避免的示例，其中杯子實體模型600的手柄602需要支撐件。用於手柄的底部的柱體支撐件604能夠直接延伸至印表機平臺或接觸構建板610。然而，在手柄的頂部部分上的柱體支撐件606向外成角度以便避免與手柄底部碰撞。因此，頂部手柄支撐件606避免與杯子手柄602的底部碰撞。這個示例還被用於示出b-rep表面620以及b-rep表面620上的點樣本624（示出為誇張的圓形），點樣本624能夠被聚類並用作支撐位置622。

能夠通過穿過空間投影柱體2D輪廓以確定該輪廓是否與其他幾何結構相交而完成理想方向的識別。一個公開的技術開始將柱體從支撐位置「筆直向下」投影至印表機基部，並且測試與實體模型或其他支撐結構的碰撞。然後，系統從該位置「螺旋式」向外，在每個方向上投影該柱體，並且測試與實體模型或其他支撐結構的碰撞。

圖7示出根據公開的實施例的搜索碰撞避免投影圖形700的示例。中心702是第一嘗試，所有其他嘗試例如在投影圖形700中從該中心螺旋式向外。當發現非碰撞支撐柱體投影時，該支撐柱體投影導致不碰撞幾何結構的最小柱體角（從筆直向下起始）。由於當發現非碰撞支撐柱體投影時能夠停止圖形搜索，所以典型的情形實際上將不會在示例圖形中在所有可能的點處進行投影。

圖8A和圖8B示出的是，外側支撐位置能夠向外成角度以避開實體模型800的幾何結構。在該示例中，外側支撐件802向外成角度以到達印表機基部820而不與實體模型的基部804碰撞。

圖8B更詳細地示出圖8A的區域830。圖8B示出的是，因為內側支撐件808無法到達印表機基部820，因為其角度太大，所以系統能夠代替地將內側支撐件808附接至實體模型800的「柄部（stem）」810。

該系統分析實體模型的b-rep幾何結構以確定支撐點位置。用於創建支撐件的在幾何結構上的位置依賴於對構成待列印的幾何結構的B-rep表面的分析。對應於幾何結構的所有面的表面都被分析。其中表面法線落於由構建方向所限定的某個角度範圍內的那些區域被提取。在提取的區域上計算許多代表性的點位置。支撐柱體結構的頂部錐體將在這些位置處接觸表面。

基於許多因素而優化點位置，諸如點之間的間距，表面的曲率，表面斜率的局部最小值和最大值，以及聚類類似點的需求，諸如在用於「直線支撐件」的直線上的那些點。

當然，本領域技術人員將認識到的是，除非特別指明或根據操作順序的要求，否則上面描述的工藝中的某些步驟可以省略，可以同時地或順序地執行，或者可以以不同的順序執行。

本領域技術人員將認識到的是，為了簡要和清楚起見，在本文中沒有描繪或描述適於與本公開內容一起使用的所有數據處理系統的完整結構和操作。代替地，僅僅描繪並描述了數據處理系統中作為本公開內容所獨有的部分或用於理解本公開內容所必需的部分。數據處理系統100的構造和操作的其餘部分可以遵照本領域中已知的各種當前的實施方式和實踐中的任一種。

重要的是應該注意，雖然本公開內容包括在完整功能系統的背景下的描述，但是本領域技術人員將了解的是，本公開內容的機制的至少部分能夠以指令的形式被分配，這些指令以各種形式中的任一種被包含在機器可用的、計算機可用的、或計算機可讀的介質內，並且不論用於實際執行該分配的指令或信號承載介質或存儲介質的特定類型如何，本公開內容都同等地適用。機器可使用/可讀或者計算機可用/可讀介質的示例包括：非易失性、硬體編碼型介質，諸如只讀存儲器（ROMs）或可擦除電可編程只讀存儲器（EEPROM），以及用戶可記錄型介質，諸如軟盤、硬碟驅動器、以及緊湊光碟只讀存儲器（CD-ROMs）或數字通用光碟（DVDs）。

雖然已經詳細描述了本公開內容的示例性實施例，但是本領域技術人員將理解的是，可以在不脫離本公開內容的最廣泛形式的精神和範圍的情況下對本文中公開的內容做出各種改變、替換、變化和改進。

在本申請中的任何描述都不應該被解讀為暗示任何特定元件、步驟或功能是必須包括在權利要求範圍中的必要要素：專利請求保護的主題的範圍僅由所授權的權利要求所限定。而且，任何這些權利要求都不旨在援引美國法典第35卷第 112(f)條（35U.S.C. § 112(f))的條款，除非確切的詞語「用於……的裝置」之後接有分詞。