[发明专利]一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法

说明书

本发明公开了一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法，将三维模型初步划分成H/h层，H为三维模型的高度，h为每层的打印高度，确定当前层的轮廓；选取当前层的下一层轮廓，将当前层与下一层轮廓差集运算得到正区域、零区域和负区域结果；将正区域和负区域的结果标记，累加到三维模型的边缘结构中；得到若干个实体，标记为高分辨率打印区域；当启用手动指定高分辨率打印区域时，手动选取实体或表面，并标记为高分率打印区域；当不指定高分辨率打印区域时，将整个三维模型与高分辨率区域的差集标记为低分辨率打印区域；同时进行光固化，逐层打印得到最终实体模型。本发明通过多个不同分辨率光源的同时固化成型，优化边缘的连续性和光滑性。

技术领域

本发明属于光固化3D打印技术领域，具体涉及一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法。

背景技术

3D打印技术属于增材制造，通过层层累积不断堆叠出设计的几何结构，能够加工出结构复杂、传统工艺难以加工的几何模型，具有很高的灵活性。

光固化3D打印技术是3D打印的一个重要分支。具体而言，光固化3D打印技术是指利用一定波长范围(通常为365～405nm)的紫外光源，对液体状的树脂进行照射从而使得树脂固化成型，最终加工得到所设计的模型。光固化技术根据光源的类型可大致分为两类，一类是使用点光源的打印方案，即光固化立体成型(SLA,Stereolithography Appearance)，在此基础上，另一类打印技术将点光源更换成面光源，增加打印速率，即数字光处理技术(DLP,Digital Light Processing)。

打印分辨率是光固化3D打印技术的发展最重要的一部分，然而，打印分辨率的提高与打印速度、所能打印的幅面大小是相互矛盾的。纵然3D打印技术的分辨率已经愈发精密，但传统使用单一分辨率的打印方法无法有效地平衡打印速度和打印精度的关系。此外，分层增材制造所带来的阶梯效应破坏了结构边缘(特别是曲面或斜面)的连续性和光滑性，制约着一些对结构边缘光滑性要求严格的器件成型。本专利拟通过使用多个分辨率不同的光源(为方便讲解，此专利仅展示两个光源的情形)构成多分辨打印系统，通过低分辨率光源固化主要的大面积结构，保证打印速度；通过高分辨率光源固化边缘以及细节结构，保证打印效果，优化边缘的光滑性。

现有技术1：为了解决传统光固化打印方案中采用单一分辨率光源，无法有效兼顾打印精度和打印速度的问题，美国伊利诺伊大学的科研人员通过改变聚焦镜头与光源的距离，以改变焦距，如图1所示，从而使得投影光源的分辨率可被调整。根据打印所需的分辨率要求，动态地调整分辨率，在保证精度的同时快速高效地完成了打印工作。

对于上述通过改变焦距来改变打印分辨率的方法，虽然在一定程度上通过降低打印分辨率的方法提高了打印速度，但由于它会改变器件内部的相对距离，使得结构不紧凑，打印精度也会受到光源移动平台的影响、不够稳定。

现有技术2：为了优化结构边界的阶梯效应问题，还有一种通过比较层与层之间的面积大小，找到面积变小的地方，也即边界的位置，通过对边界位置的光照强度进行灰度化(也即在最亮和最暗两个极限之间取值)，从而使得边界上的斜面有较好的加工质量，如图2所示。

对于上述通过灰度化打印结构边缘的光源亮度来优化斜面成型质量的方法，首先是其通过面积的改变来判断是否存在斜面的方法不合理，存在误判、漏判的情况；其次，灰度化的细密程度受到打印分辨率的影响，灰度化后的亮度不会比原来的正常亮度有太大差距，因而能提高的加工质量有限，不能有效优化曲面或斜面的光滑性，特别是对一些比较陡峭的斜面就更难保证优化质量；此外，这需要光源亮度更加细微地、连续地调节，对打印设备提出了更高的要求，相应地会增加整个设备成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多分辨率光固化3D打印系统及边缘优化打印方法，通过多个不同分辨率光源的同时固化成型，可实现快速、精密地打印，并能优化边缘的连续性和光滑性。

本发明采用以下技术方案：