CN105120182B - 面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法及装置，包括：对该零件的数字几何模型进行切片处理，获得每一层的零件的实体轮廓以及与实体轮廓相对应的掩膜图像；依次读入零件每层对应的掩膜图像并识别出每层掩模图像中的全部轮廓；计算每个轮廓的像素面积，当轮廓的像素面积等于给定面积阈值时，进行曝光补偿，延长曝光时间；当轮廓的像素面积小于给定面积阈值时，将该轮廓的信息单独存入另一张掩膜图像，进行曝光补偿。本方法采用的支撑曝光补偿方式可以在实现较小支撑直径的顺利成型减少了树脂材料的浪费；同时增加细小特征的曝光时间可以显著提升细小特征的强度，避免了层与层之间上拉运动对细小特征的破坏，提高了零件成功率。

Description

面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种面成型零件支撑结构曝光补偿方法及装置。

背景技术

增材制造是集成了数字制造、先进材料、信息网络等多种技术的新兴制造方法，与传统制造工艺中的切削加工，锻造等工艺方式不同，增材制造是通过增加材料的方法制造出实体物品。在诸多领域有广阔的应用前景，如工业产品概念设计，快速模具制造，医学应用等方面。面成型制造工艺是一种基于投影的增材制造工艺，在成型速度、精度等方面具有明显的优势。

在面成型加工中，支撑对于控制大平面制件的翘曲变形，保证悬臂和孤岛特征的顺利成型起着决定性作用。约束液面面成型工艺中支撑所受的力，除了零件重力之外还包括固化层的拉力。由于固化层对于支撑的拉力远远大于零件自身的重力，通常采用增加圆柱支撑直径的方式，以保证支撑具有足够的强度和稳定性。但是增加支撑的直径会带来两点问题。一是由于造成材料的浪费，提高零件的制作成本。二是如果支撑直径太大，不利于支撑的去除，增加零件后处理难度，同时影响零件表面质量。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，本发明通过对支撑等面积较小的特征采取额外曝光补偿的方法，增加支撑结构强度，提高零件加工质量。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，包括：

步骤一：对零件支撑结构的数字几何模型根据给定的层厚z进行切片处理，并根据得到的二维层面信息生成相应的掩膜图像；

步骤二：读取掩膜图像的总层数，从i＝0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，经图像处理识别出第i层掩模图像中的全部轮廓；

步骤三：读取第i层掩膜图像，获取第i层掩膜图像中轮廓总个数m，从j等于0开始，判断第j个轮廓像素面积是否小于设定值，如果是，将该轮廓面积存入新掩膜图像；

步骤四：投影新掩膜图像对树脂进行固化时间为Ts，投影掩膜图像对树脂进行固化时间为T。

进一步的，所述步骤一中，选择与零件支撑结构相对应的切片层厚度，对该零件的数字几何模型进行切片处理，获得每一层的零件的实体轮廓以及与实体轮廓相对应的掩膜图像。

进一步的，掩膜图像的获取是将获得的各层零件实体轮廓，通过扫描转换的方式存储得到的。

进一步的，所述步骤三中，计算每个轮廓内包含像素的面积，当轮廓内像素面积大于给定面积阈值时对该轮廓不做处理；当轮廓内像素面积小于或等于给定面积阈值时，对该轮廓区域进行曝光补偿。

进一步的，当轮廓内像素面积小于或等于给定面积阈值时，对该轮廓区域进行曝光补偿，具体方法为，将该轮廓内像素面积小于给定面积阈值的轮廓信息单独存入另一张新掩膜图像，当该层掩膜图像正常投影完成后投射新掩膜图像进行曝光补偿，即对该层掩膜图像中小于等于指定面积的轮廓再次照射一段时间。

进一步的，所述步骤三中，对得到的该层全部m个轮廓，从j＝0开始，依次计算第j个轮廓的像素面积。

进一步的，根据高斯分布模型，一点的光能量由周围区域S内的所有像素点来确定，根据所使用树脂材料不同，固化所需光能量阈值E_e需要根据实验确定，相应的面积阈值S_min同时从实验获得。

进一步的，当像素区域面积小于或等于给定面积阈值S_min时，该区域边缘像素光能量小于中心区域能量，而略小于固化阈值，为了使得到的固化形状接近理论形状需要进行曝光补偿，通过将轮廓j的信息单独存入另一张新掩膜图像，当第i层对应的掩膜图像中全部m个轮廓都遍历处理后，投射新掩膜图像曝光时间Ts。

进一步的，投影第i层对应掩膜图像曝光一定的时间T；直到全部n层都完成投影曝光，则完成了零件的加工。

进一步的，投射新掩膜图像曝光时间Ts由经验公式Ts＝C×T得到，其中系数C取0.2-0.3即可。

面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿装置，包括：包括零件成型平台、树脂槽、支座、投影机、机电控制板及线性滑台；

投影机与机电控制板相连，机电控制板与线性滑台相连，线性滑台底端与支座相连，支座上固定有树脂槽，树脂槽内设置有树脂液体，树脂液体上方设置零件成型平台，零件成型平台与线性滑台的上部相连；

开始加工时，零件成型平台在线性滑台的带动下运动至与树脂槽上表面相接触，机电控制板读取待加工零件的总层数n，从i＝0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，并控制投影仪投射该图像；当掩膜图像曝光完成后，第i层的加工结束，机电控制板控制线性滑台带动成型平台上移一个层厚z，开始第i+1层加工，直至i＝n，即完成整个零件的加工。

所述投影机与机电控制板之间及机电控制板与线性滑台之间均通过数据线相连。

所述投影机的投影方向正对支座的中心面处。

所述机电控制板控制线性滑台带动成型平台上下移动。

本发明的有益效果：

本发明相比传统增加支撑直径的方式，本方法采用的支撑曝光补偿方式可以在实现较小支撑直径的顺利成型减少了树脂材料的浪费；同时采用识别轮廓面积小于指定面积阈值的特征这一方式，除识别出支撑结构外，还可以识别出零件中的细小特征，通过增加细小特征的曝光时间可以显著提升细小特征的强度，避免了层与层之间上拉运动对细小特征的破坏，提高了零件成功率；采用本方法后可以使用较小的支撑直径尺寸，在后处理时支撑去除方便，对零件表面质量影响小，因而可以提高表面质量，降低后处理劳动量。

附图说明

图1光能量高斯分布模型与固化形状；

图2本发明依托硬件结构；

图3算法流程图。

图中，1为零件成型平台，2为树脂液体，3为树脂槽，4为支座，5为投影机，6为机电控制板，7为线性滑台。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图2所示，本发明依托硬件结构，包括零件成型平台1、树脂液体2、树脂槽3、支座4、投影机5、机电控制板6、线性滑台7。

投影机5与机电控制板6相连，机电控制板6与线性滑台7相连，线性滑台7底端与支座4相连，支座4上固定有树脂槽3，树脂槽3内设置有树脂液体2，树脂液体2上方设置零件成型平台1，零件成型平台1与线性滑台7的上部相连。

本发明依托的硬件结构工作原理为：当开始加工时，零件成型平台1在线性滑台7的带动下运动至与树脂槽2上表面相接触，机电控制板6读取待加工零件的总层数n，从i＝0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，并控制投影仪5投射该图像；当掩膜图像曝光完成后，第i层的加工结束，机电控制板6控制线性滑台7带动成型平台1上移一个层厚z，开始第i+1层加工，直至i＝n，即完成整个零件的加工。

如图3所示，约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，包括：

步骤一：1.1根据零件的精度要求，选择合适的切片层厚，对该零件的数字几何模型进行切片处理，以获得每一层的零件实体轮廓；

1.2将获得的各层零件实体轮廓，通过扫描转换的方式存储为掩膜图像。

步骤二：读取零件掩膜图像的总层数n，从i＝0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，经图像处理识别出第i层掩模图像中的全部轮廓；

步骤三：3.1对步骤二得到的m个轮廓，从j＝0开始，依次计算第j个轮廓的像素面积；

3.2根据高斯分布模型，一点的光能量由周围区域S内的所有像素点来确定，根据所使用树脂材料的固化阈值，当像素区域等于S_min时，该区域边缘像素光能量小于中心区域能量，而略小于固化阈值，因此需要进行曝光补偿，延长曝光时间Ts；

3.3若轮廓j对应的像素面积小于给定面积阈值S_min，则将轮廓j的信息单独存入另一张掩膜图像。

步骤四：4.1从i＝0层开始利用步骤二中的掩膜图像对第i层曝光一定的时间T；

4.2对于第i层的掩膜图像，利用步骤三得到的新图像进行曝光补偿，即对该层掩膜图像中小于指定面积的轮廓再次照射一段时间Ts。

根据高斯分布模型，如图1所示，一点的光能量由周围区域S内的所有像素点来确定，根据所使用树脂材料不同，固化所需光能量阈值E_e需要根据实验确定，相应的面积阈值S_min同时也可以从实验获得。当像素区域面积小于或等于给定面积阈值S_min时，该区域边缘像素光能量小于中心区域能量，而略小于固化阈值，因此为了使得到的固化形状接近理论形状需要进行曝光补偿，通过将轮廓j的信息单独存入另一张掩膜图像LayerImagei_s，当第i层对应的掩膜图像LayerImagei中全部m个轮廓都遍历处理后，投射LayerImagei_s曝光时间Ts；

投影第i层对应掩膜图像LayerImagei曝光一定的时间T；直到全部n层都完成投影曝光，则完成了零件的加工。

曝光时间Ts可以由经验公式Ts＝C×T得到，其中系数C取0.2-0.3即可。

本发明相比传统增加支撑直径的方式，采用的支撑曝光补偿方式可以在实现较小支撑直径的顺利成型减少了树脂材料的浪费；同时增加细小特征的曝光时间可以显著提升细小特征的强度，避免了层与层之间上拉运动对细小特征的破坏，提高了零件成功率；采用本方法后可以使用较小的支撑直径尺寸，在后处理时支撑去除方便，对零件表面质量影响小，因而可以提高表面质量，降低后处理劳动量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，包括：

步骤一：对零件支撑结构的数字几何模型根据给定的层厚z进行切片处理，并根据得到的二维层面信息生成相应的掩膜图像；

步骤二：读取掩膜图像的总层数，从i＝0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，经图像处理识别出第i层掩模图像中的全部轮廓；

步骤三：读取第i层掩膜图像，获取第i层掩膜图像中轮廓总个数m，从j等于0开始，判断第j个轮廓像素面积是否小于设定值，如果是，将该轮廓面积存入新掩膜图像；

步骤四：投影第i层掩膜图像对树脂进行固化时间为T，投影新掩膜图像对树脂进行固化时间为Ts。

2.如权利要求1所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，所述步骤一中，选择与零件支撑结构相对应的切片层厚度，对该零件的数字几何模型进行切片处理，获得每一层的零件的实体轮廓以及与实体轮廓相对应的掩膜图像。

3.如权利要求1或2所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，掩膜图像的获取是将获得的各层零件实体轮廓，通过扫描转换的方式存储得到的。

4.如权利要求1所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，所述步骤三中，计算每个轮廓内包含像素的面积，当轮廓内像素面积大于给定面积阈值时对该轮廓不做处理；当轮廓内像素面积小于或等于给定面积阈值时，对该轮廓区域进行曝光补偿。

5.如权利要求4所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，当轮廓内像素面积小于或等于给定面积阈值时，对该轮廓区域进行曝光补偿，具体方法为，将该轮廓内像素面积小于或等于给定面积阈值的轮廓信息单独存入另一张新掩膜图像，当该层掩膜图像正常投影完成后投射新掩膜图像进行曝光补偿，即对该层掩膜图像中小于或等于指定面积的轮廓再次照射一段时间。

6.如权利要求1所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，所述步骤三中，对得到的该i层全部m个轮廓，从j＝0开始，依次计算第j个轮廓的像素面积。

7.如权利要求4所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，根据高斯分布模型，一个像素点的光能量由周围区域S内的所有像素点来确定，根据所使用树脂材料不同，固化所需光能量阈值E_e需要根据实验确定，相应的面积阈值S_min同时从实验获得。

8.如权利要求7所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，当像素区域面积小于或等于给定面积阈值S_min时，该区域边缘像素光能量小于中心区域能量，而略小于固化阈值，为了使得到的固化形状接近理论形状需要进行曝光补偿，通过将轮廓j的信息单独存入另一张新掩膜图像，当第i层对应的掩膜图像中全部m个轮廓都遍历处理后，投射新掩膜图像曝光时间Ts。

9.如权利要求8所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法，其特征是，投影第i层对应掩膜图像曝光一定的时间T；直到全部n层都完成投影曝光，则完成了零件的加工；投射新掩膜图像曝光时间Ts由经验公式Ts＝C×T得到，其中系数C取0.2-0.3。

10.如权利要求1、2或4-9任一所述的约束液面面成型增材制造系统零件支撑结构曝光补偿方法的曝光补偿装置，包括：零件成型平台、树脂槽、支座、投影机、机电控制板及线性滑台；

投影机与机电控制板相连，机电控制板与线性滑台相连，线性滑台底端与支座相连，支座上固定有树脂槽，树脂槽内设置有树脂液体，树脂液体上方设置零件成型平台，零件成型平台与线性滑台的上部相连；

开始加工时，零件成型平台在线性滑台的带动下运动至与树脂槽上表面相接触，机电控制板读取待加工零件的总层数n，从i＝0开始，依次读入零件第i层对应的掩膜图像，并控制投影仪投射该图像；当掩膜图像曝光完成后，第i层的加工结束，机电控制板控制线性滑台带动成型平台上移一个层厚z，开始第i+1层加工，直至i＝n，即完成整个零件的加工。