大幅面DLP型3D打印机错位均摊接缝消除方法及系统与流程

本发明涉及3d打印技术领域，具体是大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法及系统。

背景技术：

近几年，由于设备价格下降以及相关开源项目出现，3d打印技术得到了广泛的关注。3d打印是一种增材制造技术(additivemanufacturing，am)，依据分层制造原理采用精确堆积的方式，逐层累加材料构造三维模型的实体。相较于传统制造方式，该技术简化了开模和试模的过程，缩短产品研制周期，减少材料浪费，能够快速构建内部结构非常复杂的物体。

基于数字光处理(digitallightprocessing，dlp)技术的dlp型3d打印机，依据掩膜投影立体光刻的技术原理，以dlp投影仪为曝光成型设备，以光敏树脂为打印原材料，逐层固化的打印层堆叠生成三维实体。dlp投影仪实现了三维模型横切面图案的高清投影，将切面图案用紫外光投影到液态光敏树脂上，可快速固化超薄的3d打印层。相较于其他3d打印技术，该技术具备打印精度高、成品表面光洁度好的突出特点，在精密铸造、生物医疗等方面应用广泛，成为当下3d打印行业研究的重点。

dlp型3d打印机受限于投影仪的投影尺寸，目前主要用于小尺寸零部件的打印，很难完成较大模型的成型工作。综合dlp型3d打印机在大幅面打印领域的研究现状，大部分是通过单投影仪移动拼接或多投影仪协同投影的方式，构成更大的成型幅面，但对投影拼接处接缝问题的研究较少。大幅面移动拼接方面，2002年smith在机械系统上安装投影设备，并控制投影设备在x轴和y轴上移动，扩大了投影幅面。chenmingwu等人2016年设计的deltadlp3d打印机，使用三个机械臂带动成型平台移动拼接，接缝处理方面，lifangwu等人2018年提出了多投影仪能量均匀方案，该方案使用多台投影仪采用交接处部分重叠的投影方式，并调整像素灰度掩膜，从而输出能量均匀的紫外光，一定程度上处理了接缝处的光照强度不均带来的接缝问题，但基于该方案设计的机器，其成型尺寸的扩大依赖于曝光设备的增加，成本较高，增加了设备维护的难度。

拼接投影时，当多次投影的图案交接处无法做到像素级别的对接，易形成接缝，通常表现为运动距离过大时，生成的模型在两次投影交接处存在缝隙，模型易断裂；当运动距离过小，两次投影的交接处由于反复曝光，光照强度大于其余部分，形成一个坚硬突出的部分，影响模型表面质量。因此，针对dlp型3d打印机的大幅面移动拼接及接缝消除方案的研究，对于提高模型质量具有重要意义。

因此，如何以较小成本扩大3d打印机成型尺寸，并且解决投影拼接处接缝问题，提高模型的整体质量，减少硬件复杂度是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是为了解决现有技术中扩大3d打印机的成型尺寸成本高，拼接投影是时已形成接缝，影响模型的整体质量的问题。

本发明实施例提供大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法，包括：

对三维模型进行均匀切片，生成切面位图；

对所述切面位图进行错位切分，生成切分位图；

移动投影仪对所述切分位图进行移动错位拼接，生成三维模型实体。

在一个实施例中，对三维模型进行均匀切片，生成切面位图，包括：

根据预设厚度，利用垂直于z轴的平面将三维模型均匀切片，生成切面位图。

在一个实施例中，对所述切面位图进行错位切分，生成切分位图，包括：

对所述切面位图进行切分，生成切分图案；

根据预设偏移像素，计算所述切分图案的有效像素；

根据所述切分图案的有效像素，对所述切分图案进行填充，生成切分位图。

在一个实施例中，根据所述切分图案的有效像素，对所述切分图案进行填充，生成切分位图，包括：

对所述切分图案进行填充，使所述切分图案的有效像素与投影仪像素分辨率宽度一致，需要满足以下条件：

其中，wr表示投影仪投影分辨率宽度，li表示第i层最左侧一块切分图案x轴方向有效像素，ri表示最右侧一块切分图案x轴方向有效像素，mi表示除最左侧和最右侧的中间部分的切分图案有效像素。

在一个实施例中，移动投影仪对所述行移动错位拼接，生成三维模型实体，包括：

记录步骤：判断所述切分位图是否为全黑图片，记录所述切分位图的全黑分类标志；

判断步骤：根据所述切分位图的全黑分类标志，判断所述切分位图是否需要曝光；如果所述切分位图需要曝光，则进行计算步骤；

计算步骤：获取待曝光切分位图的有效像素，并根据所述有效像素计算到达下一个曝光位置的待移动距离；

曝光步骤：根据所述待移动距离，移动投影仪到下一个曝光位，进行计算步骤，直至完成一层切面的曝光；

生成步骤：对下一层切面进行计算步骤与曝光步骤，定位每张切分图片的曝光位置，叠加打印层生成三维模型实体。

第二方面，本发明还提供一种大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除系统，包括：

切片模块，用于对三维模型进行均匀切片，生成切面位图；

错位切分模块，用于对所述切面位图进行错位切分，生成切分位图；

生成模块，用于移动投影仪对所述切分位图进行移动错位拼接，生成三维模型实体。

在一个实施例中，所述切片模块，包括：

根据预设厚度，利用垂直于z轴的平面将三维模型均匀切片，生成切面位图。

在一个实施例中，所述错位切分模块，包括：

切分子模块，用于对所述切面位图进行切分，生成切分图案；

有效像素计算子模块，用于根据预设偏移像素，计算所述切分图案的有效像素；

填充子模块，用于根据所述切分图案的有效像素，对所述切分图案进行填充，生成切分位图。

在一个实施例中，所述填充子模块，包括：

对所述切分图案进行填充，使所述切分图案的有效像素与投影仪像素分辨率宽度一致，需要满足以下条件：

其中，wr表示投影仪投影分辨率宽度，li表示第i层最左侧一块切分图案x轴方向有效像素，ri表示最右侧一块切分图案x轴方向有效像素，mi表示除最左侧和最右侧的中间部分的切分图案有效像素。

在一个实施例中，所述生成模块，包括：

记录子模块，用于判断所述切分位图是否为全黑图片，记录所述切分位图的全黑分类标志；

判断子模块，用于根据所述切分位图的全黑分类标志，判断所述切分位图是否需要曝光；如果所述切分位图需要曝光，则进行计算步骤；

待移动距离计算子模块，用于获取待曝光切分位图的有效像素，并根据所述有效像素计算到达下一个曝光位置的待移动距离；

曝光子模块，用于根据所述待移动距离，移动投影仪到下一个曝光位，进行计算步骤，直至完成一层切面的曝光；

生成子模块，用于对下一层切面进行计算步骤与曝光步骤，定位每张切分图片的曝光位置，叠加打印层生成三维模型实体。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法，针对基于dlp技术3d打印机成型尺寸较小的问题，采用移动拼接的方法，通过移动dlp投影仪扩大投影范围，打破dlp投影仪对3d打印机成型尺寸的限制，并且以较小的附加成本扩大3d打印机成型尺寸。针对由于屏幕畸变、安装误差导致的采用移动拼接方法打印模型会出现接缝的问题，基于错位均摊的原理，提出了ss-sem算法，错位的方法让接缝误差不会在一处累积，打印出来的模型表面更自然，消除了接缝，达到提高模型质量的目标，同时减少了硬件复杂度，具有很好的可扩展性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步地详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法的示意图；

图3为本发明实施例提供的步骤s102的流程图；

图4为本发明实施例提供的切片及再切分处理的示意图；

图5为本发明实施例提供的接缝位置示意图；

图6为本发明实施例1提供的采用不同的拼接方法打印成品对比示意图；

图7为实例2提供的小狼头模型的示意图；

图8为实例2提供的涡轮模型的示意图；

图9为实例2提供的文字浮雕模型的示意图；

图10为实例2中采用方案1-4打印小狼头的打印成品图；

图11为实例2中采用方案1-4打印涡轮的打印成品图；

图12为实例2中采用方案1-4打印文字浮雕的打印成品图；

图13为实例2中采用不同的移动拼接方案的耗时比较折线图；

图14为本发明实施例提供的大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除系统的框图；

图15为本发明实施例提供的基于dlp原理的3d打印机的机械示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1-2所示，本发明实施例提供的大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法，该方法包括：步骤s101～s103；

s101、对三维模型进行均匀切片，生成切面位图。

其中，根据预设厚度，利用垂直于z轴的平面将三维模型均匀切片，生成切面位图；设置预设厚度为0.025mm～0.05mm，从模型底部开始逐步向上切割模型，得到一系列模型横截切面，生成n层切片的切面位图。

s102、对所述切面位图进行错位切分，生成切分位图。

s103、通过移动投影仪对所述切分位图进行移动错位拼接，生成三维模型实体。

本实施例中，基于错位均摊(误差平摊)的思想，通过ss-sem算法将每一层的接缝区域错开，使接缝处的误差被均摊到各层的不同位置上，接缝误差不会在一处累积，打印出来的模型表面更自然，消除了接缝，达到提高模型质量的目标，同时减少了硬件复杂度，具有很好的可扩展性。并且通过移动错位拼接打印三维模型实体，可以通过较小的附加成本扩大3d打印机成型尺寸。

在一个实施例中，参照图3所示，步骤s102，对所述切面位图进行错位切分，生成切分位图，包括：

s1021、根据预设偏移像素，计算所述切分图案的有效像素；

s1022、对所述切面位图进行切分，生成切分图案；

s1023、根据所述切分图案的有效像素，对所述切分图案进行填充，生成切分位图。

例如，如图4所示，将三维模型切分三块，a表示切片步骤、b表示切分步骤、c表示切分图案填充步骤，每个切分图案的像素宽度根据偏移像素数计算，将切分图案的像素宽度定义为有效像素，之后扩充到更大幅面，增加切分块数即可。

其中，各层接缝的错位通过改变每层最左侧和最右侧切分图案的宽度实现。对所述切分图案进行填充，使所述切分图案的有效像素与投影仪像素分辨率宽度一致，需要满足以下条件：

其中，wr表示投影仪投影分辨率宽度，li表示第i层最左侧一块切分图案x轴方向有效像素，ri表示最右侧一块切分图案x轴方向有效像素，mi表示除最左侧和最右侧的中间部分的切分图案有效像素。

具体的，有效像素的计算过程如下：

为了保证生成的图片与投影仪分辨率一致，全屏投影时不至于拉伸变形，需要将切分图案放在图片左侧，右侧不足的部分填充黑色的背景，由于最左侧和最右侧图案宽度随着层数不同有所变化，影响步骤s103中的移动错位拼接，所以，引入o(偏移像素数，offsetpixels，单位：pixels)作为相邻层的接缝位置偏移参数，引入变量e(有效像素数，effectivepixels)记录切分图案在切分位图中占据的像素宽度。

设投影仪分辨率宽(x轴方向)为wr，模型要被切分成n层，第i层(i＝1，2，3，...，n)切面位图切分后，形成m张切分位图，第j张(j＝1，2，3，...，m)切分位图的有效像素e(i，j)的计算方法如下：

根据o和wr可以计算一个门限值t，t将用于判断e(i，j)的变化方向并辅助计算e(i，j)的值。

根据o和wr可以计算一个门限值t，t将用于判断e(i，j)的变化方向并辅助计算e(i，j)的值。

得到t后，分别计算各个位置上的切分位图的e的值。

其中，第i层最左侧的切分有效像素根据式(2)得到的门限值计算；除去最左侧和最右侧的切分，中间部分的切片有效像素均为投影仪分辨率像素宽；根据式(1)可知，第i层最左侧和最右侧切分的有效像素和为wr，因此最右侧切分有效像素数可使用wr-e(i，1)计算，e(i，j)的计算结果如式(3)所示：

在本实施例中，如图5所示，d表示接缝位置，采用错位切分算法，接缝的排列会呈现为v字形，不会在均摊过程间产生偏移位置的突变，接缝误差不会在一处累积，较好地解决接缝问题，提高模型的整体质量。

在一个实施例中，移动投影仪对所述切分位图进行移动错位拼接，生成三维模型实体，包括：

记录步骤：判断所述切分位图是否为全黑图片，记录所述切分位图的全黑分类标志；

判断步骤：根据所述切分位图的全黑分类标志，判断所述切分位图是否需要曝光；如果所述切分位图需要曝光，则进行计算步骤；如果所述切分位图的全黑分类标志为全黑，则无需曝光，直接生成三维模型实体；

计算步骤：获取待曝光切分位图的有效像素，并根据所述有效像素计算到达下一个曝光位置的待移动距离；

曝光步骤：根据所述待移动距离，移动投影仪到下一个曝光位置，进行计算步骤，直至完成一层切面的曝光；其中，控制dlp投影仪沿x轴移动到下一个曝光位；

生成步骤：对下一层切面进行计算步骤与曝光步骤，定位每张切分图片的曝光位置，叠加打印层生成三维模型实体；其中，控制成型台面沿z轴上抬一层，对下一层切面进行计算步骤与曝光步骤。

本实施例中，采用移动错位拼接可以使接缝处的误差被均摊到各层的不同位置上，接缝误差不会在一处累积，打印出来的模型表面更自然，消除了接缝。

具体的，如图6所示，对所述切分位图进行移动错位拼接的效果如下所示：

实施例1：

比如，本实施例中使用的dlp投影仪，分辨率参数为1280*800，投影的范围是63.36mm*39.63mm。

分别采用未拼接(e)、一层分两次移动拼接且不处理接缝(f)、设置重叠像素并编辑重叠区域为灰色(g)以及采用ss-sem算法(h)方案四种方式打印出来的样品图，打印大小为30mm*15mm*2.5mm的长方体小块。

采用未拼接(e)的方法成型后就是较为完整表面光滑的一块，但尺寸不可扩展，其成品可作为接缝处理效果参照物。

采用一层分两次移动拼接且不处理接缝(f)的方法，0.1mm的接缝误差始终在一处堆积，呈现出较为明显的接缝，并且中间拼接的部分非常脆弱，会从成型台面取下时就沿着拼接处断裂成两块。

采用设置重叠像素并编辑重叠区域为灰色(g)和ss-sem算法(h)的方法，均没有产生缝隙。但在模型表面，设置重叠像素并编辑重叠区域为灰色(g)的方法在灰度重叠区域固化硬度略区别于其他位置，像素点的对接偏差也集中在这一区域体现。

采用ss-sem算法(h)的方法打印的模型接缝处的误差被均摊到各层的不同像素位置上，模型最后成型的一层切片上(厚度为0.05mm)由于没有上层切片的覆盖，显现一条不明显的痕迹，可以忽略不计。

下面通过一个完整的实施例来说明大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法的实验效果的。

实施例2：

比如，为不使用拼接方法打印的模型，原模型的长、宽均小于投影仪投影面的长和宽，方可打印，将原模型的长宽高均扩大2倍，超出投影仪一次投影的成型范围，需使用移动拼接才可以打印。如图7-9所示，本实施例选取长26.37mm、宽20.49mm、高9.50mm(记作v1)的小狼头、长25.00mm、宽25.00mm、高10.44mm(记作v2)的涡轮以及长38.0mm、宽14.8mm、高1.5mm(记作v3)的文字浮雕stl模型作为测试样例，打印结果与效果评估处的结论一致。

如图10-12所示，将无拼接打印、拼接但不消除接缝、重叠像素处理接缝、采用ss-sem算法错位拼接处理接缝的方法分别记作方案1～4(在图10-12中分别记作1、2、3、4)，模型的具体参数以及打印耗时参见下表：

由上表可知，小模型由于尺寸小，切分层数少，打印用时最短。采用拼接方法打印的模型由于层数扩大为原来的2倍，并且每一层成型移动的距离变大，成型时间变长。在不采用接缝消除方法打印的模型中，如图10所示，小狼头的局部放大图中，小狼头的中间尤其是鼻子处有明显的接缝，如图11所示，涡轮的局部放大图中，涡轮中间有一条贯穿整个圆筒上下的缝隙，如图12所示，文字浮雕的局部放大图中，文字浮雕中间有明显接缝并且底部有部分像素没有很好地对接上，同时接缝区域相对脆弱，模型容易沿着接缝处断裂。而采用灰度重叠像素和ss-sem算法方案打印的模型，质量均有所改善。但是灰度重叠方案在重叠部分区别于其他区域，是误差累积的地方，重叠区域略微凸出于其他部分并且图案像素对接偏差也集中显现在此。ss-sem算法用移动错位拼接的方案只在最上层切分位图成型的交接处体现出细微的接痕，表面质量更好。

采用移动拼接的三种方式的打印模型，耗时比较如图13所示，ss-sem算法错位拼接处理接缝(方案4)的方法，每一层相比较于不采用均摊消除接缝方法的普通移动拼接方法，每一层根据参数设置可能会多出一块切分，则成型每一层会多一个曝光周期。但是随着一层拼接的次数增多，多出来的时长占比会逐渐减小。重叠像素处理接缝的方案(方案3)，打印成型时间与错位拼接方法相当，但是在切片阶段需要编辑每一张切分图片与其他切分重叠区域的像素，使之从白色变成灰色，因此切片处理时间较长。

本实施例中，针对基于dlp技术3d打印机成型尺寸较小的问题，采用移动拼接的方法，通过移动dlp投影仪扩大投影范围，打破dlp投影仪对3d打印机成型尺寸的限制。针对由于屏幕畸变、安装误差导致的采用移动拼接方法打印模型会出现接缝的问题，基于错位均摊的原理，提出了ss-sem算法：首先使用垂直于z轴的平面将模型均匀切片得到n层切片的切面位图后，通过错位再切分的方法，根据偏移像素参数，对每一张切面位图错位分割，得到宽度不同的切分图案，并且对切分图案的右侧进行黑色像素填充，获得dlp投影仪一次投影尺寸大小的切分位图，使得每一层切片形成拼接位置与相邻层错开的m张切分位图，这些切分位图的有序集合构成了错位拼接打印的数据源；其次采用移动错位拼接成型的方法，根据偏移像素定位每张切分图片的曝光位置，控制投影仪沿着x轴移动，实现了切分位图的错位成型，叠加打印层可生成三维模型的实体。错位的方法让接缝误差不会在一处累积，打印出来的模型表面更自然，消除了接缝，达到提高模型质量的目标。此外，本实施例具有良好的可扩展性，当需要打印更大幅面的模型时，仅需要增加dlp投影仪移动的次数，即在机械设计上扩展dlp投影仪移动范围以及成型台面大小，软件上切片预处理程序给出了参数配置接口，设置更大的切片块数等参数。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除系统，由于该装置所解决问题的原理与前述大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的一种大幅面dlp型3d打印机错位均摊接缝消除系统，参照图14所示，包括：

切片模块141，用于对三维模型进行均匀切片，生成切面位图；

错位切分模块142，用于对所述切面位图进行错位切分，生成切分位图；

生成模块143，用于移动投影仪对所述切分位图进行移动错位拼接，生成三维模型实体。具体的，控制投影仪在x轴上进行移动拼接，通过增加导轨等机械部件，可以很方便地扩展y轴方向上的拼接功能。

在一个实施例中，所述切片模块141，包括：

根据预设厚度，利用垂直于z轴的平面将三维模型均匀切片，生成切面位图。设置预设厚度为0.025mm～0.05mm，从模型底部开始逐步向上切割模型，得到一系列模型横截切面，生成n层切片的切面位图。

在一个实施例中，所述错位切分模块142，包括：

切分子模块1421，用于对所述切面位图进行切分，生成切分图案；

有效像素计算子模块1422，用于根据预设偏移像素，计算所述切分图案的有效像素；

填充子模块1423，用于根据所述切分图案的有效像素，对所述切分图案进行填充，生成切分位图。

在一个实施例中，所述填充子模块1423，包括：

对所述切分图案进行填充，使所述切分图案的有效像素与投影仪像素分辨率宽度一致，需要满足以下条件：

其中，wr表示投影仪投影分辨率宽度，li表示第i层最左侧一块切分图案x轴方向有效像素，ri表示最右侧一块切分图案x轴方向有效像素，mi表示除最左侧和最右侧的中间部分的切分图案有效像素。

在一个实施例中，所述生成模块143，包括：

记录子模块1431，用于判断所述切分位图是否为全黑图片，记录所述切分位图的全黑分类标志；

判断子模块1432，用于根据所述切分位图的全黑分类标志，判断所述切分位图是否需要曝光；如果所述切分位图需要曝光，则进行计算步骤；如果所述切分位图的全黑分类标志为全黑，则无需曝光，直接生成三维模型实体；

待移动距离计算子模块1433，用于获取待曝光切分位图的有效像素，并根据所述有效像素计算到达下一个曝光位置的待移动距离；

曝光子模块1434，用于根据所述待移动距离，移动投影仪到下一个曝光位，进行计算步骤，直至完成一层切面的曝光；其中，控制dlp投影仪沿x轴移动到下一个曝光位；

生成子模块1435，用于对下一层切面进行计算步骤与曝光步骤，定位每张切分图片的曝光位置，叠加打印层生成三维模型实体。

其中，如图15所示，本系统以基于dlp原理的3d打印机为基础的，将dlp投影仪1固定设置在x轴丝杆2，使dlp投影仪1可以沿着x轴左右水平移动，将成型台面3固定设置在z轴丝杆4上，使得成型台面3可以沿着z轴上下垂直移动，在x轴丝杆2的下方设置dlp光引擎5，dlp光引擎5沿x轴进行水平移动，扩大dlp投影仪1的投影范围，进而打破dlp投影仪1对3d打印机成型尺寸的限制。当需要打印更大幅面的模型时，仅需要增加dlp投影仪1移动的次数，即在3d打印机上通过增加导轨等机械部件扩展dlp投影仪1移动范围以及成型台面3大小，进而扩展y轴方向上的拼接功能，使得本系统具有良好的可扩展性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。