一种光固化3D打印过程的全向能量场控制方法及系统

本技术涉及光固化控制，具体涉及一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法及系统。

背景技术：

1、光固化3d打印机是一种利用紫外光对光敏树脂进行固化成型，逐层或连续构建3d物体的设备。光固化分为sla点扫描，dlp面成像和双光子等几种类型，其中dlp使用dmd数字微型投影芯片，由众多微小反射镜组成，每个反射镜都能调整光线的透射方向，反射镜的数据决定打印设备的分辨率。由此dlp一次性投影模型的整个切片图像，对单个影像点的树脂进行固化，使其固化为所需打印形状，逐渐层层打印完成整个模型。由于dlp 3d打印技术透射整层图像，不需要进行逐层扫描，由此dlp凭借高速和高精度的优点，广泛应用于大规模工业制造中。

2、理想情况下，对每个投影点的光强是一致的，但实际过程中受设备精度所限，使得整个切片投影平面中不同点的光强度不一致。由此造成在光强度较高的点，树脂受紫外光照射较为充分，造成水平扩散和垂直穿透深度较大，相反对于光强较小的点，水平扩散和垂直穿透深度较小。由此在传统的控制过程中，需要对每个投影点的光强进行调整，抑制光强大的投影点，增强光强小的投影点。

3、但是在超大规模的工业制造中，由于设备长时间不间断的打印，使得透光膜发生老化，并且受打印习惯的不同，在切片投影平面中不同投影点对应透光膜的老化程度是不同的，使得透光膜上出现不均匀的斑块。对于斑块区域膜的透明度较差，会出现较大的散射，由此造成水平扩散加剧，而穿透深度降低。此时若按照传统方式控制光强，将进一步加剧水平扩散且降低穿透深度，甚至导致树脂光固化不完全导致打印失败的问题。此外，在光固化打印过程中，切片的分层是相互粘连的，这样会使得后续层的照射对前期固化的部分造成重复曝光，由此将在垂直方向上逐层曝光积累造成形变变形；最终使得光固化3d打印过程的全向能量场控制精度较低，造成打印成品的精度较低，与设计模型存在偏差。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术的目的在于提供一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

2、第一方面，本技术实施例提供了一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，该方法包括以下步骤：

3、获取光固化3d打印过程中校准块矩阵在焦平面的投影照片，根据校准块矩阵将投影照片平均划分为若干个区块；其中，每个区块包含一个校准块；

4、对区块内的所有影像点进行阈值分析，筛选曝光点，根据所有区块的曝光点数量差异，得到各区块的形态扩散系数；根据各区块的形态扩散系数以及区块内各影像点局部区域的灰度值分布情况，对各影像点的灰度值进行调整，得到各影像点的灰度修正值；重复阈值分析和形态扩散系数调整，直至所有区块的曝光点数量相同；将投影照片上各影像点的灰度修正值，作为焦平面上相同位置点的光强；

5、获取待打印三维模型每层切片在焦平面上的切片投影平面；根据焦平面上各点的光强及其与切片投影平面上的各投影点之间的距离，得到各投影点受到焦平面上各点的亮度影响概率；根据各层切片的切片投影平面设置初始光强掩膜；结合各投影点受到焦平面上所有点的亮度影响概率以及初始光强掩膜，得到各投影点的实际光强；

6、根据所有层切片的切片投影平面上各投影点的实际光强的累加情况，得到全向能量场模型；根据全向能量场模型对各层切片的初始光强掩膜进行调整，得到最优光强掩膜。

7、进一步，所述对区块内的所有影像点进行阈值分析，筛选曝光点，根据所有区块的曝光点数量差异，得到各区块的形态扩散系数，包括：

8、将各区块内灰度值大于或等于预设灰度阈值的影像点标记为曝光点；获取投影照片中所有区块曝光点数量的均值；将各区块内曝光点的数量与所述均值之间的差异，作为各区块的形态扩散系数。

9、进一步，所述各影像点的灰度修正值的获取方法，包括：

10、将所有区块的形态扩散系数按照区块位置组成的图像平滑放大至投影照片尺寸，得到各影像点的形态系数；将所有影像点的形态系数映射至；

11、令投影照片中第i行第j列影像点的灰度值、灰度修正值分别为、，灰度修正函数；

12、将投影照片中第i行第j列影像点的形态系数记为；当小于0时，若，则；反之，；其中，min()为取最小值函数；floor{}为向下取整函数；

13、当大于或等于0时，若，则；反之，则。

14、进一步，所述各投影点受到焦平面上各点的亮度影响概率的获取方法，包括：

15、

16、式中，表示在切片投影平面上的投影点(x,y)受到焦平面上点(i,j)的亮度影响概率，表示焦平面上点(i,j)的光强，exp()表示以自然常数为底的指数函数，表示切片投影平面上的投影点(x,y)到焦平面上点(i,j)的距离，表示预设的高斯半径。

17、进一步，所述根据各层切片的切片投影平面设置初始光强掩膜，包括：

18、对于各层切片的切片投影平面，设置与切片投影平面尺寸相同的初始光强掩膜；若投影点位于切片的投影区域，将初始光强掩膜上投影点位置的光强掩膜值记为1；反之，将初始光强掩膜上投影点位置的光强掩膜值记为0。

19、进一步，所述各投影点的实际光强的获取方法，包括：将第k层切片的切片投影平面上投影点(x,y)的实际光强记为，；式中，w和h分别表示切片投影平面的宽和高，是灰度修正函数，表示在第k层切片的光强掩膜上点(i,j)的光强掩膜值，为投影照片中第i行第j列影像点的形态系数；表示第k层切片的切片投影平面上的投影点(x,y)受到焦平面上点(i,j)的亮度影响概率。

20、进一步，所述得到全向能量场模型的方法，包括：

21、对于各层切片，获取切片上各三维点到切片投影平面的距离，记为各三维点的空间高度；获取以自然常数为底数，以所述空间高度为指数的指数函数；将各三维点投影在切片投影平面上的投影点的实际光强与所述指数函数的计算结果的乘积，作为切片上各三维点的空间光强；

22、根据待打印三维模型上各三维点在所有切片上对应三维点的空间光强的累加情况，得到待打印三维模型上各三维点的曝光累积光强；

23、获取每层切片的曝光时间，将待打印三维模型上各三维点的曝光累积光强和所述曝光时间的乘积作为各三维点的曝光累积量；将待打印三维模型上所有三维点的曝光累积量的集合作为全向能量场模型。

24、进一步，所述得到待打印三维模型上各三维点的曝光累积光强的方法，具体包括：将待打印三维模型上点的曝光累积光强记为，；其中，为待打印三维模型的高度；为所有切片的层数；为单层切片的厚度；为待打印三维模型上点到切片投影平面的欧式距离；为第k层切片上的三维点的空间光强。

25、进一步，所述根据全向能量场模型对各层切片的初始光强掩膜进行调整，得到最优光强掩膜，包括：

26、获取树脂临界曝光量，将各三维点的曝光累积量与树脂临界曝光量的差异向量的模作为调度优化算法的目标函数，对各层切片的初始光强掩膜采用调度优化算法进行调整，得到各层切片的最优光强掩膜。

27、第二方面，本技术实施例还提供了一种光固化3d打印过程的全向能量场控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法的步骤。

28、本技术至少具有如下有益效果：

29、本技术通过光强仪获取光固化3d打印设备上的投影差异，针对切片投影平面上不同区块上水平扩散的差异情况，得到每个区块的形态扩散比例，反映当前区域相对于整个切片投影平面上扩散和收敛的情况，并结合形态掩膜实现对水平方向光强的校正，此外通过推导分析得到在垂直方向上模型上每一点的曝光累积光强和对应的曝光累积量，反映了后打印切片分成对以打印切片分成上的影响情况，由此得到全向能量场模型，并最终根据粒子群优化算法得到每个切片分层光强掩膜的情况，以此实现对每个切片分层的控制。与传统仅考虑降低光强抑制扩散切片曝光方式相比，本技术结合在实际超大规模工业制造过程中，因常用打印位置透光膜老化严重，使得透光膜老化区域呈现毛玻璃的成像效果，由此导致光强越低扩散越严重，由此利用形态掩膜实现水平方向控制，同时分析在垂直方向上光强穿透累积误差，得到全向能量场模型，由此实现对打印过程的全向能量场控制，提高控制精度，进而整体提升模型的打印精度。

技术特征：

1.一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述对区块内的所有影像点进行阈值分析，筛选曝光点，根据所有区块的曝光点数量差异，得到各区块的形态扩散系数，包括：

3.如权利要求1所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述各影像点的灰度修正值的获取方法，包括：

4.如权利要求1所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述各投影点受到焦平面上各点的亮度影响概率的获取方法，包括：

5.如权利要求3所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述根据各层切片的切片投影平面设置初始光强掩膜，包括：

6.如权利要求5所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述各投影点的实际光强的获取方法，包括：将第k层切片的切片投影平面上投影点(x,y)的实际光强记为，；式中，w和h分别表示切片投影平面的宽和高，是灰度修正函数，表示在第k层切片的光强掩膜上点(i,j)的光强掩膜值，为投影照片中第i行第j列影像点的形态系数；表示第k层切片的切片投影平面上的投影点(x,y)受到焦平面上点(i,j)的亮度影响概率。

7.如权利要求1所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述得到全向能量场模型的方法，包括：

8.如权利要求7所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述得到待打印三维模型上各三维点的曝光累积光强的方法，具体包括：将待打印三维模型上点的曝光累积光强记为，；其中，为待打印三维模型的高度；为所有切片的层数；为单层切片的厚度；为待打印三维模型上点到切片投影平面的欧式距离；为第k层切片上的三维点的空间光强。

9.如权利要求7所述的一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法，其特征在于，所述根据全向能量场模型对各层切片的初始光强掩膜进行调整，得到最优光强掩膜，包括：

10.一种光固化3d打印过程的全向能量场控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任意一项所述一种光固化3d打印过程的全向能量场控制方法的步骤。

技术总结
本申请涉及光固化控制技术领域，具体涉及一种光固化3D打印过程的全向能量场控制方法及系统，该方法包括：将光固化3D打印过程中校准块矩阵在焦平面的投影照片平均划分为若干个区块；对区块内的所有影像点进行阈值分析，通过纠正区块的形态扩散系数统一各区块内校准块的光扩散程度，平滑缩放得到各像素点在焦平面上相同位置点的形态系数；根据各投影点受到焦平面上经形态系数修正的所有点的光强影响，得到各投影点的实际光强；根据打印过程中切片对各投影点的实际光强的累加情况，得到全向能量场模型，对各层切片的初始光强掩膜进行调整，得到最优光强掩膜。本申请可提高光固化3D打印过程的全向能量场控制精度。

技术研发人员：季节,王文斌,张福生,范留山,曹洁洁,陈佳靖,蒋安波
受保护的技术使用者：常熟理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5