渐变拼接的多次曝光大画幅3D打印系统及使用方法与流程

本发明涉及3d打印领域，特别是涉及一种渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印系统及使用方法。

背景技术：

现如今3d打印技术已经运用在多个领域，其中光固化3d打印技术因为其打印速度较快、尺寸精度高等优点，更是被广泛的运用在小尺寸高精度的产品生产。dlp光机中其核心显示器件为dmd（digitalmicromirrordevice——数字微镜），目前的最高分辨点数为2560*1600，可以实现高精度的3d打印，但是打印尺寸与精度要求有关，单台光机的打印尺寸为精度乘上最高分辨率即精度越高打印尺寸越小，一般单台dlp光机单边最大打印距离为200mm，因此在保证微米级精度的同时扩大打印面积仍是亟需解决的难题。

中国专利cn205238580u中公开了一种基于dlp投影技术的面曝光3d打印拼接成形系统；该系统以两台dlp光机为基础进行拼接，在拼接处两光机投影重叠，该系统通过使用边缘融合处理器对重叠部分的图像进行处理，使得投影图像无缝衔接，该系统解决了拼接处图像畸变产生的误差，但是没有考虑两个光机之间由于光照强度不一致所产生的不均匀性，较大的光照强度差将会导致打印出的产品产生脆弱点，极大的影响了打印效果。

中国专利cn99822891a中公开了一种高精度大幅面立体投影3d打印系统及其打印方法；该系统采用了计算机控制树脂槽和样品台在水平的xy平面移动的方式进行大画幅的拼接，通过整体的移动加大打印的画幅，但是这种方法在移动过程中会产生较大的误差，误差来源包括图像畸变所产生的边缘处拼接精度差，分区域曝光所导致的拼接处打印产品出现脆弱点。

中国专利cn109732909a中公开了一种打印方法及结构；通过打印样品的面积确定曝光范围并通过移动光机进行打印，光机的移动采取无拼接两维移动的方式，将会降低大画幅样品的打印效率。

中国专利cn208789091u中公开了一种移动拼接式的上投影方式的3d成型系统；通过xy轴模组控制移动曝光，在该系统中缺少对于移动过程的精准控制和光机图像的处理，会降低打印样品的精度。

中国专利cn109968663a中公开了一种投影拼合式3d打印方法和3d打印装置；该装置通过电机控制光机进行两维移动，同时每次的曝光范围为边缘拼接的方式，缺少拼接处图像处理，会影响打印精度。

目前，如何在保证产品尺寸的基础上提高打印精度，消除打印产品脆弱点，提高产品质量是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有大画幅3d打印精度低的缺陷，提供一种能提高打印精度的渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印系统及使用方法。

本发明所采用的技术方案为一种渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印系统，其要点在于：它包括光栅尺、样品池、样品台、计算机、移动平台、若干相同的dlp光机，样品池台为矩形，样品台位于样品池中，样品台为矩形，光栅尺位于样品台上方，并与样品台的一个直角边平行，光栅尺测试探头与光机一起移动，光栅尺测试探头检测光栅尺的位置，并将信号反馈给计算机，dlp光机固定于移动平台，计算机与dlp光机、移动平台、光栅尺测试探头进行信号连接，打印轴与光栅尺方向垂直，以光栅尺为y轴，则打印轴为x轴，若干dlp光机沿打印轴拼接，两台dlp光机的投影图像边缘处重合，拼接后的dlp光机沿光栅尺方向同步移动，计算机根据光栅尺信息读取dlp光机的位置信息，并由计算机进行图像处理，使光机产生相应的投影图像并进行多次曝光。

本发明所指的大画幅是超过单台dlp光机最大打印范围，目前单台dlp光机单边最大打印距离为200mm，本发明所指的大画幅为超过200*200mm²，随着dlp光机质量的改善，本发明的打印下限也随之提高。

设置多个相同dlp光机拼接可在一定程度上增大打印尺寸，理论上相同的光机打印质量相同，但实际上不同的光机还是有微小的区别，本发明创造性地通过多次曝光来克服打印产品拼接处出现脆弱点。

dlp光机最大曝光区的长边位于x轴。这样拼接的光机可以打印出最大的尺寸的样品。

一种渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印系统进行渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印方法，其打印步骤为：a)通过计算机进行图像处理，根据打印精度对三维图像的z轴进行分层，将三维图像转换为多层的二维图像，并存储，然后逐层打印；b）通过计算机进行图像处理，根据dlp光机的曝光范围对打印层的二维图像进行分割，计算机对每个打印区域的打印内容进行存储；c）相邻两台dlp光机在打印轴进行拼接，相邻两台dlp光机的投影图像边缘拼接处具有重合部分；d）通过计算机依据光栅尺读取dlp光机所在位置，并判断当前所处的打印状态，根据当前工作状态，对当前位置的投影图片进行处理，将本次曝光中不进行打印的曝光区做涂黑处理后，进行打印曝光并保存当前状态；e)移动平台沿光栅尺方向移动前进一个距离；f）重复上述d）至e）步骤直至该层平面打印完成；g）将样品池中样品台向下移动一层的距离，进行上一层平面的曝光；h）重复上述a）至g）步骤打印上一层，直至样品打印完成。

本发明将3d打印简化成平面打印，然后固定x轴沿y轴打印，相当于平面又简化成线（条块）打印，逐层打印，即本发明通过打印每一块高质量的条块拼接成一个平面，再打上一层平面，最终完成3d打印。

所述的根据dlp光机的曝光范围对二维图像进行分割，是指在dlp光机最大曝光范围内，将其沿y轴分割成若干个子曝光区，相邻两台dlp光机最大曝光区的x轴拼接处部分重合，dlp光机最大曝光区的y轴的尺寸是子曝光区y轴的尺寸的整数倍，完成一次打印后，dlp光机沿y轴移动一个子曝光区的距离，直至完成一个平面的打印。

即：所述的根据dlp光机的曝光范围对二维图像进行分割，是指分割图像大小为dlp光机最大曝光范围，并以此范围每次分割图像时沿y轴移动子曝光区距离s，进行连续分割；完成所有分割后，将分割的首张二维图像和最末张二维图像沿y轴平均分割成若干子曝光区域；打印时依次递增一个子曝光区域的方式对首张二维图像进行打印，首张二维图像打印完成后dlp光机沿y轴移动移动一个子曝光区的距离进行打印，直至最末张二维图像处，停止移动沿y轴方向依次减少一个子曝光区域的方式进行打印，直至打印区域为0，完成一个平面的打印。这样每个子曝光区得到反复多次地打印，有效防止y轴出现脆弱点。

打印轴方向上拼接的光机数量与样品台在该方向上的长度有关，dlp光机数量大于等于样品台在x轴方向上的长度/（光机最大曝光区域x轴长度-重叠部分宽度/2），确保光机曝光范围可以覆盖整个样品台。

所述的相邻两台dlp光机的投影图像边缘拼接部分处重合，在重合处采用亮度渐变的方式进行叠加拼接。这是本发明的一大创新点：考虑相邻两台光机的基础亮度信息有所差异，为使光机叠加区域亮度值不会产生突变导致拼接的脆弱点，将两台光机采用亮度渐变的方式进行叠加拼接。

一般x轴重叠的部分的范围是16个像素的距离到100个像素的距离。

所述的亮度渐变是指光机在拼接部分产生由内至边缘处逐渐降低的亮度图像，并进行投影，可以得到在两台光机叠加亮度呈现均匀分布，使拼接区域不存在亮度突变。

相邻光机的亮度呈线性变化，使重叠区域光机亮度和呈线性变化，这种拼接方式，解决了多个光机拼接时的光照均匀度调整问题，有利于克服打印产品（x轴）拼接处出现脆弱点，提高打印样品的质量。

由计算机控制移动平台移动，计算机读取光栅尺上的位置信息并对当前所处的位置进行判断，出现位置误差时计算机控制移动平台微调。

本发明创造性地通过计算机与光栅尺信息交流，并以此控制移动平台的位置，将移动平台每次的移动都是对前一次移动的修正，从而避免移动平台运动的累积误差超过允许值。

所述的将拼接后的多台dlp光机进行子曝光区划分，子曝光区根据最大曝光区域沿光栅尺方向的宽度进行均匀划分，一般为宽度的1/20至1/10，将划分后的子曝光区沿光栅尺方向上的宽度表示为s，将子曝光区沿打印轴方向上的长度表示为ln。

所述的通过计算机依据光栅尺读取dlp光机所在位置，并判断当前所处的打印状态，是指dlp光机在第一个和最后一个最大曝光区域中具有与其它曝光区域不同的打印方式，子曝光区根据光机最大曝光区域的y轴方向进行均匀划分，将其10-20等分，成为10-20个子曝光区，第一子曝光区位于第一个最大曝光区域的最先曝光边缘，第一次打印只曝光打印第一子曝光区，曝光打印完成后逐次增加一个子曝光区进行打印，直至光机第一个最大曝光区域的所有子曝光区都被打印完成后，沿y轴方向dlp光机移动一个子曝光区距离，进行正常曝光，曝光范围为光机最大曝光区域，重复上述移动曝光步骤，直至光机移动至该层平面最后一个最大曝光区域的位置，曝光范围逐次减少一个子曝光区进行曝光，直到曝光范围为0时完成该二维平面的曝光，这样每个子曝光区的曝光次数等于单个最大曝光区域内的子曝光区个数。

本发明通过多个dlp光机的拼接实现二维平面一个方向打印尺寸的扩展，通过多次移动实现另一方向上尺寸的扩展，从而达到全平面由一台dlp光机只能打印一个最大曝光区大小的区域扩大到大画幅。本发明创造性地通过移动一个子曝光区并且多次曝光的方式进行二维平面的打印，在增加打印画幅的同时减少打印中可能产生的脆弱点，提高打印质量。

所述最后一个最大曝光区域的位置是指将要打印的图像的y轴方向以子曝光区y轴尺寸进行划分，以最后一个子曝光区为最后一个最大曝光区域最后边缘的一个子曝光区，向前确定最后一个最大曝光区域的位置。本发明是以最后一个子曝光区来确定最后一个最大曝光区域的位置，打完第一个子曝光区后，中间的子曝光区打印方法一致，这样在打印时最为简单经济。

所述当前打印状态包括dlp光机所在位置，dlp光机输出功率，dlp光机投影图像等，出现断电等突然停工现象可通过当前状态进行检修，同时有利于恢复当前状态再次进行打印，减少打印中因打印状态中断产生的材料浪费。

本发明设置多个dlp光机，多个光机拼接可在一定程度上增大打印尺寸，dlp光机沿打印轴方向拼接，在拼接部分令两台dlp光机的投影图像边缘处稍作重合，考虑两台光机的基础亮度信息有所不同，为使光机叠加区域亮度值不会产生突变导致拼接的脆弱点，在两台光机重叠部分，采用由内之外降低的亮度渐变叠加方式。可得到在两台光机叠加亮度呈现均匀分布，拼接区域不存在亮度突变。这种拼接方式，解决了多个光机拼接时的光照均匀度调整问题，减少了打印样品的脆弱点，提高打印样品的可靠性。

本发明在打印轴拼接处采用重合边缘且边缘处亮度渐变的方式进行拼接，相对之前的专利采用的无缝拼接或是直接重合边缘拼接的方式消除了拼接处的亮度突变，从而消除产品中可能存在的脆弱点，确保了打印产品的质量；在光栅尺方向上细化曝光区域和曝光次数，进行小距离的定点移动增加移动可靠性，减少移动误差，子曝光区多曝光的方式，相较于直接大幅移动曝光的方式，消除了光栅尺方向上拼接的亮度突变，增加产品质量，同时通过图像处理确保减少子曝光区之间投影图像的拼接完整性，确保产品精度；同时在打印过程中及时保存当前打印状态，当打印中断时有利于恢复当前状态再次进行打印，减少打印中因打印中断产生的材料浪费。

附图说明

图1一种渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印系统

图２为打印轴渐变拼接方式

图３为流程图

图４为光栅尺方向子曝光区多次曝光打印方式

图5直接拼接方式光机打印轴方向光输出功率图

图6重叠区域亮度渐变光机拼接方式打印轴方向光输出功率图

其中１光机、２光栅尺、３样品池、４曝光子区域、５上方dlp光机边缘亮度渐变方式，６下方dlp光机边缘渐变方式，７为两个光机边缘亮度渐变叠加效果，８本次打印区域，９为未打印区域，10已完成打印区域。

具体实施方式

下面结合视图对本发明进行详细的描述，所列举的实施例可以使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

有多台光机在打印轴方向进行拼接，本发明通过dlp光机在打印轴方向上拼接增大了打印轴方向的打印尺寸，在光栅尺方向上以移动增大了光栅尺方向的打印尺寸，使得整体的打印尺寸增大。

如图1所示，现以两台光机x轴拼接为例，一种渐变拼接的多次曝光大画幅3d打印系统包括光栅尺２、样品池３、计算机、移动平台、两台相同的dlp光机1，样品池与现有技术相同，样品池中样品台具有上下升降的运动装置，以保证逐层打印。打印轴方向上拼接的光机数量与样品台在该方向上的长度有关，dlp光机数量大于等于样品台在x轴方向上的长度/（光机最大曝光区域x轴长度-重叠部分宽度/2），确保光机曝光范围可以覆盖整个样品台。光栅尺２沿移动平台导轨方向设置，光栅尺位于样品台上方，并与样品台的一个直角边平行，dlp光机沿光栅尺方向移动，且移动的是固定距离即最小曝光区距离s，由计算机控制移动平台移动，光栅尺的探头与dlp光机一起移动，光栅尺测试探头实时检测光栅尺的位置，以读取dlp光机所在位置，并将信号反馈给计算机，计算机与dlp光机、移动平台、光栅尺测试探头进行信号连接。计算机读取光栅尺上的位置信息并对当前所处的位置进行判断，出现位置误差时计算机控制移动平台微调，提高dlp光机的移动精度，进而提高打印精度。两台dlp光机固定于同一移动平台上，由同一台电机控制其沿光栅尺方向移动。打印轴与光栅尺方向垂直，以光栅尺为y轴，则打印轴为x轴，两台dlp光机沿打印轴拼接，两台dlp光机的投影图像边缘处重合，拼接后的dlp光机沿光栅尺方向同步移动，dlp光机将由计算机处理并得到的平面二维分割图像投影在样品台3上并进行曝光，两台dlp光机的曝光范围在样品台的打印轴方向以边缘重叠的亮度渐变方式拼接，消除亮度突变，拼接方式如图２中的a、b、c所示。其中图的四周边界线只是表示光线所能到达的区域，并不是真的有实线存在。

其中图2.a是前方dlp光机的打印图像，阴影部分为其与相邻的后方dlp光机的打印重合区，在重合区其亮度由强到弱，所表现的影像由亮到暗，亮度呈线性变化，相同的图2.b为后方dlp光机的影像，相邻dlp光机在重合区亮度的变化一致，方向相反，当二者重合后总的影像如图2.c所示，效果与相同亮度打印一致，最大限度减少了打印样品重合区的脆弱点，这种拼接方式，解决了多个光机拼接时的光照均匀度调整问题，提高打印样品的可靠性。

如图3所示，是使用上述3d打印系统的大画幅3d打印方法的流程图，主要步骤包括：图像渐变算法对dlp光机进行x轴方向拼接、三维模型转化为平面二维图像、二维图像分割、dlp光机位置读取、dlp光机移动，打印状态保存等。

具体操作步骤为：步骤1、两台dlp光机进行拼接，拼接方式为边缘稍作重叠，一般x轴重叠的部分的范围是16个像素的距离到100个像素的距离，重叠部分产生由内至边缘处逐渐降低的亮度图像，进行叠加。步骤2、利用计算机将内存的三维模型转化为多层的二维图像，打印精度越高，分层越细，并对二维图像进行平滑优化处理。步骤3、确定dlp光机所在的曝光区域（是否在第一个或最后一个最大曝光区域）与并确定子曝光区范围。子曝光区是根据光机最大曝光区域的y轴方向进行均匀划分，将其10-20等分，成为10-20个子曝光区，本实施例以10等分为例。步骤4、对平滑的二维图像进行分割，分割图像大小为dlp光机最大曝光区域，每次分割图像移动一个子曝光区，进行连续分割图像。步骤5、计算机通过光栅尺测试探头测得dlp光机所处的光栅尺的位置，并判断当前所处的打印状态，根据当前工作状态，对当前位置的投影图片进行处理，将本次曝光中不进行打印的曝光区做涂黑处理后，进行打印曝光并保存当前状态；其中最主要是判断是否处于第一个子曝光区或最后一个最大曝光区域，这两个区域的打印方式与其它处不同，第一个最大曝光区域的第一子曝光区，位于第一个最大曝光区域的最先曝光边缘，第一次打印只曝光打印第一子曝光区，曝光打印完成后逐次增加一个子曝光区进行打印，直至光机第一个最大曝光区域的所有子曝光区都被打印完成后，这样第一子曝光区打印了10次，完成第一子曝光区的打印，沿y轴方向dlp光机移动一个子曝光区距离，进行正常曝光，曝光范围为光机最大曝光区域，这样每次向前移动一个子曝光区，最后每个的子曝光区都已打印了10次，重复上述移动曝光步骤，直至光机移动至该层平面的最后一个最大曝光区域的位置，光机不再移动，只是曝光范围逐次减少一个子曝光区进行曝光（减少的是光机来的方向的区域），直到剩下最后一个子曝光区时，并对其单独曝光打印，保证最后一个子曝光区也打印了10次，完成该二维平面的曝光，这样每个子曝光区的曝光次数等于单个最大曝光区域内的子曝光区个数。步骤6、根据当前工作状态，对当前位置的投影图片进行处理，即本次曝光中不进行打印的子曝光区做涂黑处理。步骤7、打印经步骤6处理后的投影图片。步骤8、判断光机是否需要移动，即光机是否处于第一个子曝光区或最后一个最大曝光区域，这两个位置不需要移动。步骤9、需要移动光机时，计算机控制移动平台使光机移动一个子曝光区的距离至下一打印位置。步骤10、计算机读取光栅尺位置读数，判断是否移动至准确位置。步骤11、存在移动误差时，计算机控制移动平台进行微调。重复上述5至11步骤，直至打印完成单层二维图像，样品台向下移动一层的距离，进行上一层平面的打印曝光，重复上述5至11步骤，直至打印完成单层二维图像，直至最终完成3d打印。

上述中，步骤1中两台dlp光机拼接处的渐变拼接方式是本发明的主要改进点。如图5所示为两台光机基础亮度具有差异时，直接拼接得到的沿打印轴方向拼接处光功率曲线，可以看出在拼接边缘具有亮度突变点。本发明的两台dlp光机１的最大曝光区域在x轴的连接部分有重叠区；计算机采用图像渐变算法，使得两台dlp光机重叠部分的亮度分别由各自dlp光机由重叠区各自的内侧向边缘处做渐变处理，从内至边缘处逐渐降低的亮度图像，如图6所示经过亮度渐变叠加后，沿打印轴方向拼接处光功率曲线，可以看出在两台光机叠加亮度呈现均匀分布，使拼接区域不存在亮度突变；通过亮度渐变的叠加方式消除了拼接处因为两台dlp光机光输出功率不同而产生的亮度渐变现象，消除打印中可能产生的脆弱点，提高打印样品质量。

步骤5中及时保存当前打印状态，所述当前打印状态包括dlp光机所在位置，dlp光机输出功率，dlp光机投影图像等，出现断电等突然停工现象可通过当前状态进行检修，同时有利于恢复当前状态再次进行打印，减少打印中因打印状态中断产生的材料浪费。

其中，步骤5至步骤7中dlp光机曝光范围分为子曝光区进行多次曝光是本发明的主要改进点。在打印轴（即x轴）方向将多台光机拼接后得到得x轴最大曝光区域，沿y轴方向首先将最大曝光区域的y轴方向进行均匀划分，将其i等分，如10-20等分，成为10-20个子曝光区，本实施例以10等分为例，以最后10个子曝光区组成为最后一个最大曝光区，如图4所示，图中标号８为本次打印区域，标号９为未打印区域，标号10为已完成打印区域。如子曝光区为a，沿y轴方向分别平均划分为i个子曝光区，第一个子曝光区a1和最后一个最大曝光区a最后1-10，其中子曝光区域距离为s。在a1区域曝光时，通过图像处理的方式，使得每次曝光的子区域分别为a1、a1+a2、a1+a2+a3等每次增加一个子曝光区，直到第一个最大曝光区域a1+a2+a3……+a10全部曝光，此时移动光机一个子曝光区的距离s进行曝光，曝光范围为光机的最大曝光区，随后每次曝光完成后，光机均移动一个子曝光区的距离s，曝光范围均为光机的最大曝光区，直到打印至最后一个最大曝光区a最后停止移动，逐次减少一个子区域进行曝光，曝光范围分别为a最后1+a最后2+……+a最后10、a最后2+……+a最后10、a最后9+a最后10、a最后10直至曝光范围为0；以这种方式进行多次曝光，每个子区域曝光次数均为10次。其中每次曝光图像为步骤３中分割后的二维图像，在打印范围小于一个曝光区域时即首个曝光范围和最后一个曝光范围内曝光时，通过图像填充算法，对不需要曝光的子区域进行填黑处理。

由于本发明的特殊打印只在是否处于第一个最大曝光区的第一子曝光区和最后一个最大曝光区，将第一个和最后一个最大曝光区进行y轴曝光子区域的分割，并在曝光时逐次打印曝光子区域，未打印进行填黑处理，因此在y轴划分子曝光区时，可以以子曝光区的y轴尺寸来划分，从最后一个子曝光区向前的i个子曝光区定为最后曝光区。

其余未述部分如样品池等为现有技术。

本发明通过打印轴方向的拼接和光栅尺方向的移动可以极大的提升3d打印器件的大小，同时解决了在拼接和移动过成中由于光机光输出功率不同而产生的产品中的脆弱点，保证产品精度的同时增加产品质量，同时在打印过程中及时保存当前打印状态，当打印中断时有利于恢复当前状态再次进行打印，减少打印中因打印中断产生的材料浪费。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改进与等同替换，均落入本发明保护范围之内。