Способ стереолитографии, включающий выполнение компенсации по вертикали, и устройство, служащее для реализации такого способа

Изобретение относится к стереолитографическому способу для изготовления трехмерного объекта (10) посредством наложения друг на друга последовательности слоев (1-5), получаемых путем отверждения жидкого материала при засветке заданным излучением (6). Способ содержит следующие операции: определение геометрического представления слоев (1, 2, 3, 4, 5); выбор одного или более слоев (2), которые предшествуют слою (4) в указанной последовательности; определение области (9) маски, соответствующей логической конъюнкции геометрических представлений первого слоя (4) и выбранных слоев (2), воспроизведенной на плоскости первого слоя (4); засветку жидкого материала заданным излучением (6) в области (9) маски. Согласно способу, перед определением области (9) маски выполняют модификацию геометрических представлений выбранных слоев (2) с целью их расширения посредством соответствующих дополнительных участков (2а), которые выступают по отношению к геометрическим представлениям соответствующих слоев (2) в той конфигурации, какую те имели до модификации. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к стереолитографическому способу (способу стереолитографии) для изготовления трехмерного объекта путем наложения последовательности слоев жидкого материала, который выборочно подвергают действию заданного излучения, способного вызывать отверждение материала.

В частности, в соответствии с указанным способом, площадь жидкого материала, которую подвергают воздействию заданного излучения в целях формирования каждого слоя объекта, вычисляют на основе геометрии предшествующих слоев самого объекта. Настоящее изобретение относится также к устройству и компьютерному программному продукту, выполненным с возможностью осуществления указанного способа.

Уровень техники

Как известно, стереолитографический процесс делает возможным изготовление трехмерного объекта путем последовательного наложения слоев самого объекта, каждый слой которого получают, начиная со слоя жидкого материала, который способен к отверждению после освещения заданным излучением.

В общем, упомянутое заданное излучение представляет собой лазерный световой пучок (луч), а жидкий материал - светочувствительную смолу, которая под действием лазерного излучения полимеризуется до твердого состояния.

Толщина слоя жидкого материала по существу соответствует толщине слоя, который должен быть отвержден, при этом указанный материал отверждается, когда находится в контакте с предшествующим отвержденным слоем, который служит в качестве опоры.

Согласно стереолитографическому процессу, в первую очередь необходимо определить геометрическое представление последовательности слоев объекта.

Такое представление слоев определяют, например, начиная с определения последовательности секущих плоскостей, расположенных параллельно друг другу, и расстояний между ними, которые соответствуют толщине самих слоев.

Вышесказанное проиллюстрировано путем примера посредством фиг. 1, которая изображает боковой поперечный разрез участка гипотетического трехмерного объекта 10. На фиг. 1 секущие плоскости X показаны параллельными штрихпунктирными линиями. Каждый слой определен, как часть объекта 10, заключенная между двумя соседними секущими плоскостями X, и по периметру ограниченная поверхностью, которая ортогональна секущим плоскостям и приблизительно представляет соответствующую боковую поверхность объекта.

На фиг. 1 указанные ортогональные поверхности представлены посредством соответствующих отрезков ломаной линии вблизи верхней левой поверхности объекта. Один из отрезков обозначен индексом 12.

Слои, которые определены таким образом, на боковом разрезе представляются прямоугольниками, которые на фиг. 2 обозначены индексами с 1 по 5.

В данном примере предполагается, что лазерный пучок, который вызывает отверждение объекта, падает снизу, и поэтому отверждение каждого слоя происходит после контакта с нижней стороной предыдущего отвержденного слоя.

Следовательно, слой 1 - это первый слой, который должен быть отвержден, а слой 5 - последний слой, который должен быть отвержден.

Слой жидкого материала, из которого формируется каждый новый слой объекта, получают путем погружения уже отвержденной части объекта в контейнер, содержащий жидкий материал, таким образом, что расстояние последнего отвержденного слоя от дна контейнера по существу соответствует толщине слоя, подлежащего отверждению, за вычетом величины, которая выражает усадку жидкого материала во время твердения.

Дно контейнера является прозрачным для лазерного пучка, так что последний может достигать жидкого материала.

Очевидно, что описанный выше процесс может быть полностью аналогичным образом применим также и к варианту осуществления, в котором лазерный пучок падает сверху, при этом отличие состоит в том, что каждый новый слой отверждается поверх последнего ранее отвержденного слоя, а не под ним.

Кроме того, в варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, новый слой жидкого материала получают путем погружения уже отвержденной части объекта в жидкий материал таким образом, что поверхность последнего отвержденного слоя располагают на глубине, которая соответствует толщине слоя, который должен быть получен, за вычетом указанной величины, выражающей усадку.

Вышесказанное ясно показывает, что в данном варианте осуществления трехмерный объект получают в перевернутом положении относительно предыдущего случая; следовательно, изготовление объекта, показанного на фиг. 2, происходило бы так, что слой 1 находился бы в самом нижнем положении, а слой 5 - в самом верхнем положении.

В обоих указанных вариантах, в процессе отверждения каждого слоя лазерный пучок падает на площадь поверхности жидкого материала, соответствующую площади слоя, который должен быть отвержден.

Вышеописанному процессу отверждения присущ недостаток, который ограничивает геометрическое представление, которое может быть получено для трехмерного объекта.

Упомянутый недостаток связан с тем, что лазерный луч проникает в жидкий материал на заданную глубину, которая в дальнейшем будет именоваться «глубина отверждения», в пределах которой мощность лазерного луча достаточна для отверждения материала, и заставляет материал связываться с уже отвержденной частью объекта.

Указанная глубина отверждения зависит в первую очередь от прозрачности жидкого материала для лазерного излучения и от того, встречает ли лазерный пучок на своем пути уже отвержденную часть объекта.

Точнее, уже отвержденные части объекта являются по существу непрозрачными для лазерного луча, и, следовательно, служат барьером, препятствующим дальнейшему проникновению луча в жидкий материал.

И напротив, если слой, подлежащий отверждению, содержит участок, который выступает относительно ранее отвержденных слоев, лазерный луч, который падает на жидкий материал на уровне указанного выступающего участка, не встречает никаких препятствий для распространения, и, следовательно, вызывает отверждение жидкого материала на глубину, соответствующую указанной глубине отверждения.

Это условие выполняется, например, для всех слоев со 2 по 5 на фиг. 2, чьи края выступают за пределы предыдущего слоя, который был отвержден непосредственно перед ними.

В упомянутых выше случаях, если толщина слоев меньше глубины отверждения, то освещение соответствующего выступающего участка лазерным лучом, вызывает отверждение жидкого материала с образованием толщины, превышающей толщину самого слоя, то есть - в областях, которые не соответствуют объему объекта, который должен быть изготовлен; вследствие этого, на получаемом таким образом объекте присутствуют искажения поверхности.

Чтобы избежать таких искажений, по меньшей мере для слоев, у которых есть выступающие части, соответствующие толщины не могут быть меньше глубины отверждения, определение которой было дано выше.

Однако это ограничение толщины определяет соответствующее ограничение геометрического описания объекта, что делает указанный способ непригодным для изготовления трехмерных объектов с высоким разрешением, которые для своего описания требуют слоев, толщина которых значительно меньше глубины отверждения.

В рамках попытки устранить указанные недостатки была разработана известная процедура, которая при ее применении к указанному способу позволяет корректировать вышеописанные геометрически искажения.

Данная процедура, которую называют «вертикальной компенсацией», «компенсацией по вертикали» или «Z компенсацией», и которая была раскрыта, например, в патенте США 5999184, состоит в задержке засветки выступающей части текущего слоя, так что это облучение происходит одновременно с засветкой последующего слоя, выбранного таким образом, чтобы сумма толщин текущего слоя, последующего слоя и всех слоев, заключенных между этими двумя слоями по существу соответствовала глубине отверждения для лазерного луча.

Благодаря такой отложенной засветке, отверждение выступающей части любого слоя осуществляется, когда сам слой располагается на максимальной глубине отверждения, и таким образом исключается нежелательное отверждение более глубоких слоев жидкого материала. На практике, вертикальная компенсация может быть выполнена путем определения области маски, которая соответствует площади поверхности жидкого материала, которая одновременно обращена и к текущему слою, подлежащему отверждению, и ко всем слоям, которые при данной последовательности предшествуют текущему слою и расположены на расстоянии от текущего слоя, которое меньше глубины отверждения.

С математической точки зрения, указанная область маски может быть определена, как логическая конъюнкция вышеупомянутых слоев, то есть как пересечение выбранных слоев на одной и той же опорной (reference) плоскости, например, на плоскости текущего слоя.

Указанная логическая конъюнкция содержит области, над которыми проходят все выбранные слои, но не содержит областей, над которыми не проходит хотя бы один из выбранных слоев.

Засветка текущего слоя лазерным лучом ограничена только указанной областью маски.

Результат, который теоретически может быть получен с вышеописанной процедурой компенсации, представлен на фиг. 3 и 4, на которых предполагается, что слой 4 - это текущий слой (который подлежит отверждению), а также предполагается, только для примера, что глубина отверждения равна толщине трех слоев.

Заштрихованная область А на фиг. 4 указывает на уже отвержденную часть объекта, в то время как стрелка М указывает размер области маски.

Фиг. 4 представляет теоретический эффект в результате засветки лазерным лучом 6 области М маски фиг. 3, в которой отверждаемая область В показана штриховкой обратной по отношению к штриховке ранее отвержденной области А.

На фиг. 4 можно заметить, что отверждение участка Р слоя 2, который выступает по отношению к предыдущему слою 1, совершается точно во время экспозиции слоя 4, таким образом, что отверждающее действие лазерного луча по вертикали не превышает теоретического показанного штриховой линией контура 11, трехмерного объекта, подлежащего изготовлению.

Следует понимать, что описанная выше процедура вертикальной компенсации дает возможность образовывать слои, которые тоньше глубины отверждения, и, следовательно, позволяет увеличить разрешение трехмерного объекта по сравнению с предыдущим способом.

Однако, только что описанной процедуре свойственен недостаток, заключающийся в том, что процедура не учитывает фактическое воздействие лазерного луча, которое отличается от описанного выше теоретического поведения.

Во-первых, степень отверждения жидкого материала уменьшается с увеличением глубины из-за постепенного ослабления, которому подвергается лазерный луч при прохождении через сам материал.

Это означает, что лазерный луч отверждает более глубокие слои жидкого материала не полностью.

Во-вторых, лазерные световые пучки, обычно используемые в стереолитографии, являются пучками так называемого «гауссова» типа.

В гауссовом пучке интенсивность энергии в характеристическом сечении пучка уменьшается от центральной точки, соответствующей центральной оси пучка, к периферии, по существу в соответствии с распределением Гаусса.

Вследствие этого, жидкий материал, расположенный на расстоянии от центральной оси пучка отверждается в меньшей степени, чем материал, расположенный ближе к оси пучка.

В-третьих, участки материала, которые в силу описанных выше явлений не подверглись полному отверждению, стремятся отделиться во время обработки объекта, если они не были прикреплены к уже отвердевшему участку.

В силу сочетания вышеописанных эффектов, часть жидкого материала, которая отверждается стабильным образом, меньше, чем теоретическая часть, представленная на фиг. 4.

На фиг. 5 показан пример (не имеющий ограничительного характера) части, фактически отвержденной во время засветки слоя 4 лазерным лучом 6 в той же самой области М маски фиг. 4; на фиг. 5 можно видеть, что фактически отвержденная часть С отличается от теоретически отверждаемой части В, указанной на фиг. 4.

В целом, указанный недостаток вызывает искажение тех поверхностей объекта, которые ограничивают выступающие участки последнего, при этом есть тенденция выталкивания указанных поверхностей к невыступающим участкам.

Это явление особенно важно для тех элементов поверхности объекта, чей размер сравним с глубиной отверждения.

Например, в полученном в сплошном объекте цилиндрическом отверстии, ось которого параллельна плоскостям слоев, и диаметр которого имеет тот же порядок, что и глубина отверждения, будет наблюдаться деформация поверхности в половине отверстия, которая создавалась во вторую очередь.

В документе US 2013/313756 А1 раскрыт иной способ повышения точности трехмерного объекта, получаемого посредством стереолитографии, где множество модифицированных слоев объекта отверждается для получения обращенной вверх ступенчатой поверхности, на которой образуется мениск жидкого материала, который далее отверждается.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в устранении указанных недостатков, которые являются типичными для стереолитографических методов известного типа.

В частности, задачей настоящего изобретения является создание стереолитографического способа, который дает возможность ограничить искажения трехмерного объекта по сравнению с результатами, которые получаются с описанными выше известными способами, одновременно гарантируя ту же самую степень разрешения.

Указанная задача решается посредством стереолитографического способа, соответствующего п. 1 формулы изобретения.

Указанная задача также решается при помощи устройства, соответствующего п. 17 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Возможность решения вышеупомянутой задачи изобретения будет понятна из последующего описания некоторых предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, представленных в виде примера, который не носит ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:

фиг. 1 изображает часть трехмерного объекта;

фиг. 2 изображает представление части объекта фиг. 1 слоями;

фиг. 3, 4 и 5 изображают соответствующие этапы стереолитографического способа, соответствующего известному уровню техники, в применении к части объекта фиг. 1;

фиг. 6-10 изображают соответствующие этапы стереолитографического способа, соответствующего настоящему изобретению, в применении к части объекта фиг. 1;

фиг. 11 представляет блок-схему алгоритма, иллюстрирующего осуществление способа, соответствующего настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Стереолитографический способ, который является предметом настоящего изобретения, приспособлен для изготовления трехмерного объекта путем наложения друг на друга последовательности слоев, каждый из которых получают из соответствующего слоя жидкого материала, который выборочным образом отверждают, подвергая действию заданного излучения.

Указанный жидкий материал в предпочтительном случае представляет собой светочувствительную смолу.

Кроме того, указанное заданное излучение в предпочтительном варианте представляет собой лазерный пучок, который направляют таким образов, чтобы он, падая, постепенно засвечивал всю поверхность слоя жидкого материала, соответствующую участку, который должен быть отвержден.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, указанное заданное излучение, испускается проектором, приспособленным для одновременной засветки всей поверхности слоя жидкого материала, соответствующей участку, который должен быть отвержден.

В любом случае, предпочтительно, чтобы излучение распространялось в направлении по существу перпендикулярном поверхности жидкого материала, соответствующей участку, который должен быть отвержден.

Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, особенно выгоден для изготовления объектов, содержащих участки, которые выступают по отношению к другим участкам, которые подвергались отверждению перед ними.

Способ ниже будет рассмотрен только на примере со ссылкой на часть трехмерного объекта 10, представленного на фиг. 1, и его возможное деление на пять слоев 1, 2, 3, 4, 5, показанных на фиг. 2.

Как уже упоминалось, указанные слои занумерованы в соответствии с порядком их отверждения: слой 1 - это слой, который отверждают первым, в то время как слой 5 - это слой, который отверждают последним.

Кроме того, следует отметить, что каждый из слоев 2-5 содержит участок, который выступает по отношению к предыдущему слою.

В любом случае понятно, что способ, соответствующий настоящему изобретению, может быть применим к трехмерным объектам любой формы.

Как схематически показано на фиг. 11, стереолитографический способ, соответствующий настоящему изобретению, содержит, во-первых, операцию определения геометрического представления каждого слоя из последовательности слоев, на которые был поделен трехмерный объект, подлежащий изготовлению.

В предпочтительном варианте указанное геометрическое представление должно задавать вид набора данных, которые могут быть проанализированы логическим устройством обработки компьютера.

Следует отметить, что для простоты ссылки далее будут делаться на типичный слой, чтобы указать и на соответствующий отвержденный слой трехмерного объекта, и на геометрическое представление данного слоя в целях применения способа, соответствующего настоящему изобретению; в любом случае время от времени адекватное значение можно будет уточнять по контексту.

В частности, выражение «модифицированный слой» означает модифицированное геометрическое представление соответствующего слоя.

Далее, следует отметить, что выражение «текущий слой» указывает слой, который время от времени подлежит отверждению.

Способ содержит применение процедуры вертикальной компенсации, которая уже была описана ранее, по меньшей мере для одного текущего слоя из последовательности слоев.

Данная процедура компенсации содержит выбор одного или более слоев, которые предшествуют текущему слою в последовательности слоев.

Фиг. 6 на примере иллюстрирует ситуацию, при которой текущим слоем (который должен быть отвержден) является слой 4, в то время как слои 1, 2, 3 уже были частично отверждены до уровня заштрихованной области 7. Штриховка представляет слои 1-4, как это следует из их соответствующих геометрических представлений.

Фиг. 7 иллюстрирует операцию выбора слоев, предшествующих текущему слою 4, что в данном случае заключается в выборе только слоя 2, обозначенного непрерывной линией.

Кроме того, согласно способу, определяют область 9 маски, которая проходит до логической конъюнкции текущего слоя 4 и выбранного слоя 2.

Как уже говорилось, логическая конъюнкция слоев соответствует пересечению указанных слоев, воспроизведенному на одной опорной плоскости, например, плоскости текущего слоя, посредством геометрической операции переноса в направлении параллельном направлению распространения заранее заданного излучения 6.

В рассматриваемом случае область 9 маски соответствует области указанной опорной (reference) плоскости, к которой одновременно обращены и текущий слой 4 и выбранный слой 2.

Очевидно, что указанная опорная плоскость является условной плоскостью, используемой для описания способа, применяемого для определения области 9 маски. Следовательно, ее положение не влияет на геометрию области 9 маски.

Фактически область 9 маски не расположена вдоль оси ортогональной слоям объекта, поскольку она не представляет слой объекта, а скорее представляет часть поверхности жидкого материала, подлежащего отверждению для каждого слоя.

После определения области 9 маски способ содержит засветку жидкого материала заданным излучением 6 в области, соответствующей указанной области 9 маски, как показано на фиг. 8.

Согласно варианту осуществления изобретения, область 9 маски определяют только для части трехмерного объекта, примыкающей к его контуру 11.

Области, соответствующие внутренним частям объекта, могут быть отверждены с использованием менее точного способа, в соответствии с которым множество слоев отверждают за одну экспозицию, а не посредством экспозиции каждого слоя, что дает преимущество, заключающееся в сокращении времени необходимого для изготовления объекта. Согласно изобретению, перед определением области 9 маски, геометрические представления выбранных слоев модифицируют таким образом, чтобы расширить их, добавив соответствующие дополнительные участки, которые выступают за пределы соответствующих геометрических представлений, сформированных до модификации.

Вышеописанная операция схематически показана на фиг. 7, на которой можно видеть, что слой 2, показанный прямоугольником в виде сплошной линии, расширен за счет дополнительного участка 2а, который показан заштрихованным прямоугольником, выступающим относительно слоя 2, сформированного до модификации.

Поскольку слой 2, расширенный, как показано выше, распространяется по всей области текущего слоя 4, логическая конъюнкция расширенного слоя 2 и текущего слоя 4 будет порождать область 9 маски, которая содержит также указанный дополнительный участок 2а.

Следовательно, область 9 маски больше, чем область М маски, которая может быть получена способом известным в данной области техники, что можно непосредственно видеть на фиг. 7.

В частности, область, которую теоретически отверждают при помощи заданного излучения на уровне слоя 2, заходит за пределы контура 11 объекта.

Однако, в силу вышеописанных явлений, участок эффективного отверждения ограничен областью, которая является ближайшей к ранее отвержденной части объекта.

На фиг. 8 часть жидкого материала, в которой имеет место процесс эффективного отверждения, заштрихована, при этом отвержденная часть 8а, которая соответствует той части, которая была бы отверждена с использованием известного способа, показана редкой штриховкой, в то время как участок 8b, который отверждается после применения способа, соответствующего настоящему изобретению, показан более плотной штриховкой.

Участок 8b соответствует только части участка, который теоретически был бы отвержден, если бы действие излучения на жидкий материал было равномерным.

Точнее, эффективное отверждение имеет место только в части жидкого материала, которая примыкает к ранее отвержденной части 7, в то время как остальная часть отверждается в недостаточной степени, и, следовательно, имеет тенденцию отделяться во время последующих этапов обработки.

Указанная отвержденная часть больше для поверхностных слоев, чем для более глубоких слоев: например, отвержденная часть на уровне слоя 2 значительно сокращена по сравнению с теоретической частью, что ясно видно на фиг. 8.

Надлежащий выбор размера дополнительного участка 2а дает возможность действовать таким образом, что фактически отвержденная часть будет более точным приближением к контуру 11 объекта по сравнению с тем, что происходит при использовании известного способа.

Поэтому следует понимать, что способ, соответствующий настоящему изобретению, дает возможность воспроизводить трехмерный объект более точно по сравнению с результатами, которые могут быть получены известными способами, и таким образом ограничить искажения и решить задачу изобретения.

Даже если в вышеприведенном примере модифицировать только один слой, варианты осуществления изобретения могут включать в себя выбор большего числа слоев для каждого текущего слоя, и в этом случае область маски следует определять, как логическую конъюнкцию текущего слоя и всех выбранных слоев.

Очевидно, что выбор большего числа предыдущих слоев позволяет увеличить степень точности воспроизведения объекта, и дает возможность определять область маски не только в соответствии с размером слоев, но также в соответствии с контуром объекта, имея в виду его более или менее заметную кривизну, и его более или менее заметный наклон относительно плоскости слоев.

С другой стороны, большее число выбираемых слоев приводит также к увеличению времени вычислений и, следовательно, общего времени необходимого для обработки объекта.

Поэтому, решение о числе выбираемых слоев принимают на основе самых важных аспектов между двумя упомянутыми аспектами.

Чтобы получить наивысшую точность, в предпочтительном случае выбирают все слои, заключенные в пределах глубины отверждения, то есть все слои, отстоящие от текущего слоя 4 на расстояние, которое короче глубины отверждения за вычетом толщины текущего слоя 4.

Например, в случае, представленном на фиг. 6-8, можно выбрать и модифицировать также слой 3 дополнительно к слою 2.

Чтобы уменьшить время вычислений, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, выбирают только часть слоев, заключенных в пределах глубины отверждения.

В предпочтительном варианте выбирают по меньшей мере два слоя: слой, расположенный на глубине отверждения, то есть слой, у которого есть по меньшей мере одно сечение, расположенное на указанной глубине, и промежуточный слой между предыдущим слоем и текущим слоем.

В соответствии с другим вариантом осуществления, область маски также определяют, учитывая также слои, заключенные в пределах глубины отверждения, но не выбранные, используя для последних соответствующую интерполяцию на основе выбранных слоев.

В любом случае предпочтительно, чтобы был выбран слой, расположенный на глубине отверждения, или все же учтен при определении области маски, поскольку это последний слой, который может мешать распространению излучения в те области жидкого материала, отверждения которых приходится избегать.

Что касается оптимального размера дополнительного участка модифицированных слоев, это зависит от нескольких параметров, включая форму объекта, размер, форму и частоту заданного излучения, физические характеристики смолы и т.п.

Указанные параметры предпочтительно задавать время от времени на основе данных, полученных из эксперимента на объектах с подобной геометрией, и/или на основе опыта оператора.

Предпочтительно, чтобы наименьший среди дополнительных участков 2а, используемых для модификации выбранных слоев, имел размер в интервале от 1/4 эффективной ширины пучка заданного излучения 6 до удвоенной ширины указанного пучка на уровне поверхности жидкого материала.

Указанная эффективная ширина определяется, как удвоенное расстояние между точкой в области падения излучения 6, соответствующей максимуму энергии, и точкой в области падения, соответствующей минимуму энергии, достаточному, чтобы вызывать отверждение жидкого материала.

В случае, если заданное излучение 6 имеет вид лазерного пучка по существу кругового сечения, указанная ширина соответствует диаметру области, внутри которой энергия достаточна, чтобы вызывать отверждение жидкого материала. Такую область в технике общепринято называть «пятном».

Испытания, проведенные заявителем настоящего изобретения, показали, что использование дополнительных участков 2а, имеющих указанный минимальный размер, дает возможность в большинстве случаев получать хорошие результаты.

Слои предпочтительно модифицировать таким образом, чтобы размеры соответствующих дополнительных участков, означающие расстояние, на которое указанные дополнительные участки выступают по отношению к соответствующим слоям, сформированным до модификации, были одинаковыми для всех слоев, подлежащих модификации.

Согласно варианту осуществления изобретения, указанный размер варьирует среди слоев, подлежащих модификации, и его вычисляют для каждого слоя, подлежащего модификации, в соответствии с расстоянием последнего от текущего слоя, который подлежит модификации.

В предпочтительном случае указанный размер увеличивается, когда увеличивается расстояние каждого слоя, подлежащего модификации, от текущего слоя, и поэтому указанная функция является возрастающей функцией.

Согласно варианту осуществления изобретения, указанный размер уменьшается, когда увеличивается расстояние каждого слоя, подлежащего модификации, от текущего слоя, и поэтому указанная функция является убывающей функцией.

В обоих только что описанных случаях, в которых размеры дополнительных участков увеличиваются или уменьшаются, когда изменяется расстояние соответствующих слоев от текущего слоя, указанный размер предпочтительно вычислять, как линейную функцию расстояния между слоем, подлежащим модификации, и текущим слоем, таким образом, чтобы размер, вычисленный для каждого слоя, подлежащего модификации, увеличивался или уменьшался пропорционально расстоянию между самим слоем и текущим слоем.

Линейная зависимость дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что предоставляется возможность более быстрого вычисления модифицированных слоев.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, указанный размер вычисляют, как экспоненциальную функцию расстояния между слоем, подлежащим модификации, и текущим слоем.

Во всех упомянутых выше случаях, модификацию каждого слоя предпочтительно выполнять так, чтобы размер соответствующего дополнительного участка был одинаковым вдоль краев самого слоя.

Согласно способу, предпочтительно, как только будет определена область 9 маски, соответствующая слою 4, определять область 13 маски, соответствующую следующему слою 5, как показано на фиг. 9.

В этом случае выбирают слой 3, который модифицируют путем добавления участка 3а, в соответствии с которым затем вычисляют область 13 маски.

Результат, полученный от засветки жидкого материала заданным излучением 6 в области 13 маски, представлен на фиг. 10, где участком, затвердевшим после облучения, является заштрихованный участок 15, в то время как участок 14, заштрихованный в обратном направлении, соответствует ранее затвердевшей части, представленной суммой участков 8а и 8b фиг. 8.

Очевидно, что способ может включать в себя те же самые описанные выше операции также для последующих слоев объекта.

Вышеописанные операции предпочтительно повторять для каждого из слоев группы последовательных слоев, которые определены таким образом, что каждый слой группы выступает относительно предыдущего слоя, как в случае вышеупомянутых слоев со 2 по 5. Очевидно, что указанная группа слоев определяет область трехмерного объекта, которая выступает по отношению к предыдущей области, и ориентирована в противоположном направлении относительно направления распространения излучения 6.

Согласно варианту осуществления способа, операцию определения области маски можно проводить только для тех слоев объекта, у которых имеются выступающие участки.

Преимущество заключается в том, что данный вариант дает возможность сократить общее время вычислений, и, следовательно, обще время необходимое для изготовления объекта без влияния на точность обработки. Фактически, эффект ранее описанного частичного отверждения, и, следовательно, преимущество, которое дает вертикальная компенсация, можно заметить на слоях, у которых имеются выступающие участки.

В соответствии с данным вариантом, слои, для которых не определено никакой области маски, засвечивают заданным излучением по всей их площади.

Согласно другому варианту осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, модификации слоев, выполненные во время определения области маски любого текущего слоя, суммируют с модификациями, выполненными для тех же самых слоев, во время определения областей маски, соответствующих предыдущим слоям.

На деле следует учитывать, что, когда определяют области маски, исходя из множества предыдущих слоев, обычно получается, что один слой принимает участие в определении нескольких областей маски, соответствующих нескольким разным слоям, и, следовательно, модифицируется более одного раза.

К примеру, если рассмотреть случай фиг. 6-8, если область маски, соответствующая слою 4, была определена на основании двух непосредственно предшествующих слоев 2 и 3, эти слои были бы модифицированы в соответствии с вышеописанным способом.

Область маски, соответствующая очередному слою 5, была бы определена на основе соответствующих двух непосредственно предшествующих слоев 3 и 4, которые по этой причине были бы модифицированы.

Согласно только что описанному варианту, вторую модификацию слоя 3 добавляют к модификации слоя 3, которая уже была сделана во время определения предыдущей области маски.

Согласно другому варианту осуществления, при определении области маски модификации подвергают только те слои, которые еще не были модифицированы во время определения областей маски, соответствующих предыдущим слоям.

В этом случае, согласно фиг. 6-8, если область маски, соответствующую слою 4, определяют после модификации слоев 2 и 3, то область маски, соответствующую слою 5, определяют после модификации только слоя 4, так как слой 3 уже был модифицирован.

Очевидно, что только что рассмотренные варианты можно комбинировать с предыдущими вариантами, как индивидуально, так и в сочетании друг с другом.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, операции, касающиеся вышеописанного определения областей маски, выполняют посредством обрабатывающего устройства, содержащего логическое обрабатывающее устройство и средства хранения данных, доступные для обрабатывающего устройства, например, компьютера.

Устройство содержит средства для получения набора данных, содержащего геометрическое представление слоев объекта и средства для получения указанного набора данных и загрузки его в средства хранения данных.

Устройство также содержит средства обработки данных для обработки набора данных таким образом, чтобы выполнить операции, соответствующие выбору слоев, подлежащих модификации, для каждого текущего слоя, и определению соответствующей области маски, как это было рассмотрено выше.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, указанные средства для выполнения операций получения и модификации набора данных реализуют посредством исполнения соответствующих частей программы логическим обрабатывающим устройством.

Таким образом, настоящее изобретение касается также и компьютерного программного продукта, представляющего информационную поддержку, которая обеспечивается указанными частями программы.

В соответствии с вышесказанным следует понимать, что рассмотренный выше стереолитографический способ, а также устройство, которое выполняет операции обработки набора данных в соответствии с указанным способом, и компьютерный программный продукт, который содержит части программы, пригодные для выполнения операций обработки в указанном устройстве, решают задачу изобретения.

В частности, определение области маски каждого текущего слоя исходя из геометрических представлений предшествующих слоев объекта, модифицированных таким образом, чтобы осуществить их расширение, дает возможность засвечивать жидкий материал заданным излучением более точно, и таким образом делает возможным уменьшение искажений фактически получаемого трехмерного объекта.

1. Стереолитографический способ для изготовления трехмерного объекта (10) путем наложения друг на друга последовательности слоев (1-5), полученных из жидкого материала, подходящего для отверждения после засветки заданным излучением (6), в частности, лазерным пучком, при этом способ содержит операцию определения геометрического представления каждого слоя (1, 2, 3, 4, 5) указанной последовательности слоев (1-5) и дополнительно содержит следующую последовательность операций, выполняемых для по меньшей мере одного опорного слоя (4) из указанной последовательности слоев (1-5):

- выбор одного или более слоев (2), предшествующих указанному опорному слою (4) в соответствии с последовательностью слоев (1-5);

- определение первой области (9) маски, соответствующей логической конъюнкции геометрических представлений указанного опорного слоя (4) и указанных одного или более слоев (2), воспроизведенной на плоскости указанного опорного слоя (4);

- засветку указанного жидкого материала заданным излучением (6) в первой области (9) маски,

отличающийся тем, что указанная последовательность операций перед операцией определения первой области (9) маски содержит операцию модификации геометрических представлений указанных одного или более слоев (2) таким образом, чтобы расширить их посредством соответствующих дополнительных участков (2а), которые выступают по отношению к геометрическим представлениям соответствующих слоев (2) в той конфигурации, какую те имели перед указанной модификацией, при этом

указанные дополнительные участки (2а) определены таким образом, чтобы компенсировать снижение отверждающего действия заданного излучения (6) на указанный жидкий материал в силу проникновения заданного излучения (6) в указанный жидкий материал на глубины, соответствующие указанным одному или более слоям (2), так что контур части трехмерного объекта (10), получаемый после отверждения указанной группы слоев, более точно аппроксимирует контур (11) трехмерного объекта (10) по сравнению с тем контуром, какой был бы получен при отсутствии указанных дополнительных участков (2а).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные дополнительные участки (2а) определены на основе следующих параметров: форма и размер части трехмерного объекта (10), соответствующей указанной группе слоев; форма и частота указанного заданного излучения (6); физические свойства указанного жидкого материала.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанная последовательность слоев (1-5) содержит по меньшей мере одну группу следующих друг за другом слоев (1-5), у каждого из которых имеется участок, выступающий по отношению к предыдущему слою, при этом способ содержит операцию выбора в последовательности слоев (1, 2, 3, 4, 5) из указанной группы слоев (1-5) согласно порядку, в котором указанные слои появляются в последовательности слоев (1-5), и выполнение указанной последовательности операций для каждого выбранного слоя, который считают опорным слоем (4).

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные один или более слоев (2) содержат по меньшей мере два слоя, которые не примыкают друг к другу в указанной последовательности слоев (1-5).

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные один или более слоев (2) содержат ряд примыкающих друг к другу слоев в указанной последовательности слоев (1-5).

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные один или более слоев (2) содержат по меньшей мере одни слой (2), такой, что сумма толщин указанного по меньшей мере одного слоя (2), указанного опорного слоя (4) и всех промежуточных слоев (3) по меньшей мере равна максимальной глубине, на которой указанное заданное излучение способно вызывать отверждение жидкого материала и обеспечивать его связывание с предыдущим отвержденным слоем (1, 2, 3) трехмерного объекта (10).

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что каждый из указанных одного или более слоев (2) отстоит от опорного слоя (4) на расстояние, которое не превышает максимальной глубины, на которой указанное заданное излучение способно вызывать отверждение жидкого материала и обеспечивать его связывание с предыдущим отвержденным слоем (1, 2, 3) трехмерного объекта (10), за вычетом толщины опорного слоя (4).

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанную операцию модификации геометрического представления выполняют таким образом, что все дополнительные участки (2а) выступают на одно и то же расстояние за пределы соответствующих одного или более слоев (2) в той конфигурации, какую те имели перед указанной модификацией.

9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что указанную операцию модификации геометрического представления выполняют таким образом, что дополнительный участок (2а), соответствующий каждому слою (2) из указанных одного или более слоев (2), выступает за пределы соответствующего слоя (2) в той конфигурации, какую тот имел перед модификацией, на расстояние, которое вычислено как функция расстояния указанного слоя (2) от указанного опорного слоя (4).

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что указанная функция убывает, когда расстояние указанного слоя (2) от опорного слоя (4) увеличивается.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что указанная функция возрастает, когда расстояние указанного слоя (2) от опорного слоя (4) увеличивается.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что указанная функция является экспоненциальной.

13. Способ по любому из пп. 8-12, отличающийся тем, что каждый из указанных дополнительных участков (2а) выступает за пределы соответствующего слоя (2) в той конфигурации, какую тот имел перед модификацией, на одинаковое расстояние

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что после указанной операции определения первой области (9) маски содержит следующие операции для по меньшей мере второго слоя (5), который идет за указанным опорным слоем (4) в указанной последовательности слоев (1-5):

- выбор одного или более дополнительных слоев (3), предшествующих второму слою (5) в указанной последовательности слоев (1-5);

- исключение из указанных одного или более дополнительных слоев (3) одного или более слоев (2), выбранных перед операцией определения первой области (9) маски;

- модификацию геометрических характеристик слоев (3), оставшихся после указанной операции исключения, таким образом, чтобы расширить их посредством соответствующих дополнительных участков (3а), выступающих по отношению к геометрическим представлениям соответствующих слоев (3) в той конфигурации, какую те имели перед модификацией;

- определение второй области маски, соответствующей логической конъюнкции геометрических представлений указанного второго слоя (5) и одного или более дополнительных слоев (3) в той конфигурации, какую те получили после модификации.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительные участки (2а) определены таким образом, что они выступают за пределы контура (11) трехмерного объекта (10).

16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что наименьший из дополнительных участков (2а), используемых в указанной операции модификации геометрических представлений указанных одного или более слоев (2), имеет размер в интервале от ¹/₄ эффективной ширины пучка заданного излучения (6) до удвоенной эффективной ширины указанного пучка на уровне поверхности жидкого материала.

17. Устройство для обработки набора данных, содержащего геометрическое представление каждого слоя (1, 2, 3, 4, 5) из последовательности слоев (1-5) трехмерного объекта (10), подлежащего изготовлению посредством стереолитографии, при этом указанное устройство содержит логическое обрабатывающее устройство и средства хранения данных, доступные для логического обрабатывающего устройства, причем логическое обрабатывающее устройство содержит:

- средства получения указанного набора данных и его загрузки в средства хранения данных;

- средства для выбора одного или более слоев (2), которые предшествуют опорному слою (4) в указанной последовательности слоев (1-5);

- средства определения первой области (9) маски, соответствующей логической конъюнкции геометрических представлений опорного слоя (4) и одного или более слоев (2), воспроизведенной на плоскости опорного слоя (4),

отличающееся тем, что указанное логическое обрабатывающее устройство содержит средства для модификации геометрических представлений одного или более слоев (2) перед определением первой области (9) маски, при этом указанные средства для модификации геометрических представлений выполнены с возможностью расширения указанных геометрических представлений посредством соответствующих дополнительных участков (2а), которые выступают по отношению к геометрическим представлениям соответствующих слоев (2) в той конфигурации, какую те имели до модификации, при этом

указанные дополнительные участки (2а) определены таким образом, чтобы компенсировать снижение отверждающего действия заданного излучения (6) на указанный жидкий материал в силу проникновения заданного излучения (6) в жидкий материал на глубины, соответствующие указанным одному или более слоям (2), так что контур части трехмерного объекта (10), получаемый после отверждения указанной группы слоев, более точно аппроксимирует контур (11) трехмерного объекта (10) по сравнению с тем контуром, какой был бы получен при отсутствии указанных дополнительных участков (2а).