專利名稱：在旋轉(zhuǎn)圓柱表面上的3d印刷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種通過材料的分層(layer-wise)沉積來建立固體物體的裝置和方法。
背景技術(shù)：
通過在平面加工平臺上一次沉積一層材料，可建立三維體即固體物體。在沉積了一層之后，沉積另一層以與前一層接觸。重復(fù)此過程，以便制造多層固體物體。這是諸如快速原型之類的技術(shù)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有技術(shù)的方法和系統(tǒng)的特點在于xyz (即直線直角)坐標(biāo)系統(tǒng)。不管是平臺還是沉積材料到平臺上的部件，通常都以直線方式來回掃描，這需要頻繁地改變掃描部分的方向。方向改變得越快，固體物體就越快完成。在運動改變期間，材料可能不被涂覆。發(fā)明概述本發(fā)明的第一個方面提供一種適用于制作固體物體的裝置，包括繞著旋轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)的表面；涂覆器，適用于在該表面的至少一部分上涂覆用于制作該固體物體的材料； 所述涂覆器和所述表面在橫向于該軸的方向上相對于彼此可移位。在本說明書的上下文中，“固體物體”是有形的。例如，固體物體可以具有空隙或者里邊為中空的，比如具有瓶狀。固體物體可以是硬性的，但是替代地或附加地，例如也可以是彈性的。在一個實施方式中，該裝置包括控制器，該控制器被配置為接收用于制作該固體物體的指令。該控制器可接收作為表示待由所述裝置順序地涂覆的多層彎曲材料層的數(shù)據(jù)的形式的指令。所述層可被獨立確定。每一獨立確定的層可以通過例如其相應(yīng)邊界的形狀而與另一層不同。然而，不必每一層都不同。該控制器可被配置為協(xié)調(diào)該表面的旋轉(zhuǎn)、該涂覆器相對于該表面的移位以及所述涂覆器對所述材料的涂覆，使得所述多層材料層根據(jù)所接收的指令被順序地涂覆在所述表面的至少一部分上。該控制器可包括處理器。在一個實施方式中，該控制器被配置為通過一次或多次步進(jìn)來控制該涂覆器和該表面在涂覆一層材料層之后相對于彼此在橫向于旋轉(zhuǎn)軸的方向上的移位，每次步進(jìn)等于預(yù)定長度。該長度可以是沉積材料層的厚度，或者與沉積材料層的厚度相當(dāng)。典型地，該涂覆器可被設(shè)置到第一預(yù)定位置，沉積該材料，然后該涂覆器被設(shè)置到第二預(yù)定位置，以準(zhǔn)備用于進(jìn)一步的材料沉積。一旦可旋轉(zhuǎn)表面被設(shè)置為運動中，則與具有xyz坐標(biāo)系統(tǒng)或平面加工平臺特性的等效現(xiàn)有技術(shù)裝置相比，可以減少對改變可旋轉(zhuǎn)表面或涂覆器的運動速度或方向的需要。 這種減少可能是巨大的?？焖龠\動改變(即高加速)通常需要相對更高效率和更昂貴的電動機(jī)。通過避免這種高加速，在本發(fā)明的實施方式中可以使用較低效率和較廉價的電動機(jī)。通過減少加速，減小了慣性力，因而減小了所需的裝置硬性。例如，可使用承受減小的強(qiáng)度并具有降低的成本的更輕和更廉價的構(gòu)造。由于減小了慣性力，可以制造相對更脆弱的固體物體。由于一些實施方式可減少發(fā)生運動改變的時間段(在該時間段材料可能不被涂覆)，這些實施方式可花費較少的時間來構(gòu)建固體物體。在一些實施方式中，峰值旋轉(zhuǎn)速度可相對較高，這增大了能夠沉積材料的速率，從而相比使用具有xyz坐標(biāo)系統(tǒng)或平面加工平臺特性的等效現(xiàn)有技術(shù)裝置來完成固體物體所需的時間段，可以使用更少的時間段來完成固體物體?？梢栽诓豢紤]與快速掃描平面平臺或涂覆器相關(guān)聯(lián)的慣性的條件下沉積材料。這可使涂覆器能夠在接近其最大速率的速率下連續(xù)地沉積材料。在一個實施方式中，該裝置進(jìn)一步適用于涂覆物質(zhì)，該物質(zhì)適用于支撐所述材料。 該涂覆器可適用于涂覆適用于支撐所述材料的物質(zhì)?？蛇x地，該裝置可包括適用于涂覆該物質(zhì)的另一涂覆器。該物質(zhì)可在所述表面的所述至少一部分或另一部分上涂覆。該材料可在所涂覆的支撐物質(zhì)的一部分上涂覆。由此，能夠制造出具有原本可能不能被制造的部件(比如通過該物質(zhì)支撐在其下側(cè)的材料懸垂件)的更復(fù)雜的物體。所述物質(zhì)和材料可利用其不同的特性分離。不同的特性例如可以是在溶質(zhì)中的不同溶度、不同的熔點等。在一個實施方式中，該裝置被配置為在使用時被取向為使得所述材料在基本不具有向下成分的方向上從所述涂覆器噴射。從所述涂覆器噴射材料的方向與垂直方向所呈的角度可以在75度至180度的范圍中。該裝置可被配置為在使用時被取向為使得所述涂覆器在與所述旋轉(zhuǎn)軸基本相同的水平面中噴射所述材料?？蛇x地，該裝置可被配置為在使用時被取向為使得所述涂覆器向上噴射所述材料。噴射所述材料的方向可通過所述涂覆器和軸的相對位置來確定。該裝置可被配置為在使用時被取向為使所述涂覆器位于相距與所述旋轉(zhuǎn)軸基本相同的水平面任何距離的位置，并基本位于該軸的下方。該裝置可被配置為在使用時被取向為使得所述涂覆器位于與所述旋轉(zhuǎn)軸基本相同的水平面中。將涂覆器取向為使得材料在基本不具有向下成分的情況下例如從側(cè)部或該軸的下方噴射，可以使從涂覆器漏出的任何材料(或物質(zhì))自表面自由下落。泄漏材料(或物質(zhì))一直發(fā)生得太頻繁，可能會毀壞固體物體或至少導(dǎo)致有缺陷的固體物體。使得涂覆器位于與軸基本相同的水平面(或平面)，可以使漏出的材料自涂覆器和表面都能自由下落。 只要漏出的材料能夠從表面和/或涂覆器自由下落，涂覆器相對于軸的位置不是很重要， 可以經(jīng)受改變。例如，涂覆器位于軸的水平面的略微上方，仍可滿足上述條件。被配置為在基本不具有向下成分的情況下噴射材料的涂覆器可以是相對簡單的構(gòu)造，并且可以展現(xiàn)出無源穩(wěn)定性，例如在出現(xiàn)電源故障時不會泄漏材料。在一個實施方式中，該裝置被配置為使得所述表面在所述固體物體的至少有效部分的形成期間在單一方向上旋轉(zhuǎn)。例如，所述固體物體的有效部分在某些情況下可以是所述固體物體的至少一層。該表面可在所述固體物體的形成期間在單一方向上旋轉(zhuǎn)。表面在單一方向上旋轉(zhuǎn)的實施方式可以消除通常在機(jī)械裝置改變方向時引起的反彈，即在機(jī)械裝置中的定位誤差。由此，可實現(xiàn)良好的定位精確性，而無需專門的反彈補(bǔ)償設(shè)備。在單一方向上旋轉(zhuǎn)也可降低對于在涂覆器與表面之間的X軸上的定位誤差的靈敏度(由于在表面移動時所噴射的材料從涂覆器行進(jìn)到先前沉積的層所需的時間的變化，所述定位誤差會導(dǎo)致材料放置誤差)。由此，可實現(xiàn)對于機(jī)械定位誤差的更大的容限。然而將理解，在某些情況下，相對較少量的旋轉(zhuǎn)變化是可以的。在沉積一層之后旋轉(zhuǎn)方向可以改變。相對照而言，在具有直線坐標(biāo)系統(tǒng)特性的現(xiàn)有技術(shù)裝置中，對于每一涂覆的層都有很大的方向變化。
在一個實施方式中，該裝置被配置為使得所述表面在所述固體物體的有效部分的形成期間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。例如，所述固體物體的有效部分在某些情況下可以是所述固體物體的至少一層。該裝置可被配置為使得所述表面在所述固體物體的形成期間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。表面連續(xù)地旋轉(zhuǎn)的實施方式可促成更快的平均材料涂覆速率，因為在表面不以充分(或任何)速率旋轉(zhuǎn)的時間段(在該時間段材料涂覆原本必須停止)中沒有停頓。然而將意識到，在某些情況下，相對較少量的旋轉(zhuǎn)方向變化是可以的。在沉積一層之后，旋轉(zhuǎn)可以停止或改變方向。相對照而言，在具有直線坐標(biāo)系統(tǒng)特性的現(xiàn)有技術(shù)裝置中，對于每一涂覆的層都有很大的方向變化，這降低了制作固體物體的速率。在一個實施方式中，所述表面是彎曲的。該表面可至少部分地包括與軸相鄰設(shè)置的弧形表面?？蛇x地，該裝置包括以所述旋轉(zhuǎn)軸為中心并繞著該軸可旋轉(zhuǎn)的圓柱體，該表面是該圓柱體的表面。該表面可以是該圓柱體的面向外的表面。可選地，該表面可以是該圓柱體的面向內(nèi)的表面。該圓柱體可以是圓形圓柱體(circular cylinder)。具有彎曲表面可以在表面旋轉(zhuǎn)的同時保持涂覆器與表面之間的恒定距離，這可以簡化涂覆工藝的控制和優(yōu)化。具有圓柱體的實施方式可最大化可形成物體的區(qū)域，這相應(yīng)地使固體物體的可允許尺寸和/或形成在裝置上的物體數(shù)量最大化。典型地，所述層均依據(jù)已涂覆有所述層的表面或者緊接在前面涂覆的層而彎曲。在一個實施方式中，所述涂覆器和所述表面在平行于所述軸的方向上相對于彼此可移位。即使涂覆器在不移位時僅能對準(zhǔn)一小部分表面，材料可在平行于軸的方向上的相對移位期間涂覆在表面上，以覆蓋大部分區(qū)域。在一個實施方式中，該裝置包括伺服運動控制系統(tǒng)，所述伺服運動控制系統(tǒng)被配置為控制所述表面繞著所述軸的旋轉(zhuǎn)。在一個實施方式中，該裝置包括用于確定圓柱形平臺的旋轉(zhuǎn)取向的編碼器。伺服運動控制系統(tǒng)和/或編碼器可在旋轉(zhuǎn)期間提供材料在表面上的精確定位，并增大了涂覆工藝的分辨率?？蛇x地，可采用步進(jìn)式電動機(jī)來旋轉(zhuǎn)表面。在一個實施方式中，該裝置包括整形器，所述整形器被布置為修整所涂覆的材料的形狀。例如，可采用作為水平調(diào)整裝置的整形器來確保將涂覆材料層的厚度限制為規(guī)定厚度。在一個實施方式中，所述涂覆器適用于涂覆某一材料。所述材料可包括流體，所述流體在被光照射時硬化，即所述流體為光可固化流體。所述材料可包括相變材料。所述材料可以是光可固化流體與相變材料的組合。在一個實施方式中，所述涂覆器包括按需滴定(drop-on-demand)印刷頭。在一個實施方式中，所述表面與所述材料相兼容。替代地或附加地，所述表面可以與所述物質(zhì)相兼容。在一個實施方式中，所述裝置包括用于照明至少一些所述表面的光源，所述光具有適于固化光可固化流體的特性。本發(fā)明的第二個方面提供一種確定用于本發(fā)明第一個方面的裝置的指令的方法， 該裝置適用于制作固體物體，該方法包括如下步驟接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；以及將所述信息分解成數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)表示待由所述裝置順序地涂覆的多層彎曲材料層，所述材料用于制作所述固體物體?？梢蕴峁┩ㄟ^計算機(jī)輔助設(shè)計包(比如AutoCAD，Solidworks或NX)生成并具有呈現(xiàn)固體物體的信息的文件，并且文件可被轉(zhuǎn)換成適于指示裝置的形式。所提供的信息可能不(并且通常情況下不)適于指示裝置。在一個實施方式中，每一層可被獨立確定。每一層可以不同。在一個實施方式中，所述數(shù)據(jù)包括多個數(shù)據(jù)單元。所述多個數(shù)據(jù)單元可被布置為多個數(shù)據(jù)單元集，每個數(shù)據(jù)單元集對應(yīng)于多層中的一層。多個數(shù)據(jù)單元集中的每一個可被布置為陣列。在上下文中，陣列具有廣泛的含義。陣列不必使用編程語言預(yù)定陣列數(shù)據(jù)類型來限定，而可以是具有類似結(jié)構(gòu)的定制數(shù)據(jù)類型。在一個實施方式中，所述數(shù)據(jù)單元均包括數(shù)據(jù)位。在一個實施方式中，每個數(shù)據(jù)單元表示用于指示該裝置涂覆或不涂覆材料的指令。每個數(shù)據(jù)單元還可表示用于指示該裝置涂覆或不涂覆物質(zhì)的指令。在一個實施方式中，接收信息的步驟包括接收將固體物體呈現(xiàn)為多個單元的信息的步驟。所述單元例如可以是三角形或平面截面。在一個實施方式中，分解所述信息的步驟可包括如下步驟確定虛擬圓柱表面與一個或多個單元的一個或多個交叉。可利用所述一個或多個交叉來確定邊界，所述邊界限定將要涂覆材料的區(qū)域。在一個實施方式中，所述單元均可包括三角形。所述三角形可被布置成網(wǎng)格。將所述信息分解成多個數(shù)據(jù)單元的步驟可包括如下步驟確定對應(yīng)于待涂覆的材料層的虛擬圓柱表面的半徑以及虛擬圓柱表面的中心軸相對于所述固體物體的呈現(xiàn)形式的位置。所述方法可包括如下步驟計算虛擬圓柱表面與至少一個三角形的一個或多個邊緣的一個或多個交叉點。計算與至少一個三角形的一個或多個邊緣的一個或多個交叉點的步驟可包括選擇第一三角形的步驟?？纱_定所述表面與所述第一三角形的另一邊緣的交叉點?？纱_定與所述第一三角形相鄰的三角形的邊緣。可確定所述圓柱表面與相鄰三角形的一個或多個邊緣的交叉點。可利用所述交叉點來確定邊界，所述邊界限定將要涂覆材料的區(qū)域。所述區(qū)域可限定多層中的一層。所述區(qū)域可被映射到多個數(shù)據(jù)單元。在可選實施方式中，接收信息的步驟包括接收將固體物體呈現(xiàn)為該物體的多個截面的信息的步驟。所述截面可以是平面。所述截面可被規(guī)則地間隔開。所述截面可以是平行的。所述截面均可包括邊界，每個邊界包圍相應(yīng)的截面區(qū)域。將所述信息分解成多個數(shù)據(jù)單元的步驟可包括如下步驟確定對應(yīng)于待涂覆的材料層的虛擬圓柱表面的半徑以及虛擬圓柱表面的中心軸相對于所述固體物體的呈現(xiàn)形式的位置。分解所述信息的步驟可包括如下步驟確定所述圓柱表面與所述截面中的第一截面所處的第一平面的一個或多個交叉，在交叉之間具有第一區(qū)域。可確定所述圓柱表面與第二截面所處的第二平面的進(jìn)一步交叉，在進(jìn)一步交叉之間具有第二區(qū)域。第一截面可與第二截面相鄰。分解所述信息的步驟可包括如下步驟從第一和第二區(qū)域中的一個區(qū)域減去另一個，以形成第三區(qū)域，并將第三區(qū)域投射到虛擬圓柱體上。第三區(qū)域可限定多層中的一層。投射到虛擬圓柱體上的第三區(qū)域可被映射到所述多個數(shù)據(jù)單元。
本發(fā)明的第三個方面提供一種確定用于裝置的指令的方法，該裝置適用于制作固體物體，該方法包括如下步驟接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；確定多個虛擬圓柱表面與呈現(xiàn)形式的交叉，每個所述圓柱表面具有不同的半徑；對于所述多個虛擬圓柱表面的每一個， 利用所述交叉來確定一區(qū)域的邊界，該區(qū)域?qū)?yīng)于待由所述裝置涂覆的一層彎曲材料層， 所述材料用于制作所述固體物體。在一個實施方式中，對于所述多個虛擬圓柱表面的每一個，所述方法包括將所確定的區(qū)域映射到多個數(shù)據(jù)單元，每個數(shù)據(jù)單元表示用于指示所述裝置在相應(yīng)的點涂覆或不涂覆材料的指令。在一個實施方式中，所述多個數(shù)據(jù)單元屬于多個數(shù)據(jù)單元集之一，并且每個數(shù)據(jù)單元集對應(yīng)于相應(yīng)的一層彎曲材料層。在一個實施方式中，每個單元集至少部分地構(gòu)成單元陣列。在一個實施方式中，接收信息的步驟包括接收將固體物體呈現(xiàn)為多個單元的信息的步驟。所述單元例如可以是三角形或平面截面。在一個實施方式中，分解所述信息的步驟可包括如下步驟確定虛擬圓柱表面與一個或多個單元的一個或多個交叉?？衫盟鲆粋€或多個交叉來確定邊界，所述邊界限定將要涂覆材料的區(qū)域。在一個實施方式中，所述單元均可包括三角形。所述三角形可被布置成網(wǎng)格。將所述信息分解成多個數(shù)據(jù)單元的步驟可包括如下步驟確定對應(yīng)于待涂覆的材料層的虛擬圓柱表面的半徑以及虛擬圓柱表面的中心軸相對于所述固體物體的呈現(xiàn)形式的位置。所述方法可包括如下步驟計算虛擬圓柱表面與至少一個三角形的一個或多個邊緣的一個或多個交叉點。計算與至少一個三角形的一個或多個邊緣的一個或多個交叉點的步驟可包括選擇第一三角形的步驟?？纱_定所述表面與所述第一三角形的另一邊緣的交叉點。可確定與所述第一三角形相鄰的三角形的邊緣。可確定所述圓柱表面與相鄰三角形的一個或多個邊緣的交叉點。可利用所述交叉點來確定邊界，所述邊界限定將要涂覆材料的區(qū)域。所述區(qū)域可限定多層中的一層。所述區(qū)域可被映射到多個數(shù)據(jù)單元。在可選實施方式中，接收信息的步驟包括接收將固體物體呈現(xiàn)為該物體的多個截面的信息的步驟。所述截面可以是平面。所述截面可被規(guī)則地間隔開。所述截面可以是平行的。所述截面均可包括邊界，每個邊界包圍相應(yīng)的截面區(qū)域。將所述信息分解成多個數(shù)據(jù)單元的步驟可包括如下步驟確定對應(yīng)于待涂覆的材料層的虛擬圓柱表面的半徑以及虛擬圓柱表面的中心軸相對于所述固體物體的呈現(xiàn)形式的位置。分解所述信息的步驟可包括如下步驟確定所述圓柱表面與所述截面中的第一截面所處的第一平面的一個或多個交叉，在交叉之間具有第一區(qū)域?？纱_定所述圓柱表面與第二截面所處的第二平面的進(jìn)一步交叉，在進(jìn)一步交叉之間具有第二區(qū)域。第一截面可與第二截面相鄰。分解所述信息的步驟可包括如下步驟從第一和第二區(qū)域中的一個區(qū)域減去另一個，以形成第三區(qū)域，并將第三區(qū)域投射到虛擬圓柱體上。該區(qū)域可限定多層中的一層。投射到虛擬圓柱體上的第三區(qū)域可被映射到所述多個數(shù)據(jù)單元。本發(fā)明的第二和第三個方面的實施方式可在處理器中實施。本發(fā)明的第四個方面提供一種確定用于裝置的指令的處理器，該裝置適用于制作固體物體，該處理器包括接收器，所述接收器適用于接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；以及分解器，所述分解器適用于將所述信息分解成多個數(shù)據(jù)單元，所述多個數(shù)據(jù)單元表示待由所述裝置一次一層地涂覆的多層彎曲材料層，所述多層彎曲材料層用于形成所述固體物體。在一個實施方式中，所述多層中的每一層被獨立確定。在一個實施方式中，所述分解器包括半徑和位置確定器，所述半徑和位置確定器適用于確定對應(yīng)于待涂覆的材料層的虛擬圓柱表面的半徑以及所述虛擬圓柱表面的中心軸相對于所述固體物體的呈現(xiàn)形式的位置。在一個實施方式中，所述分解器包括交叉確定器，所述交叉確定器適用于計算所述圓柱表面與至少部分地構(gòu)成所述固定物體的呈現(xiàn)形式的單元的一個或多個交叉。所述單元例如可以是三角形或平面截面。在一個實施方式中，所述分解器包括區(qū)域生成器，所述區(qū)域生成器適用于利用所述交叉確定一區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)于將要涂覆材料的區(qū)域。在一個實施方式中，所述分解器包括映射器，所述映射器適用于將所述區(qū)域映射到所述多個數(shù)據(jù)單元。本發(fā)明的第五個方面提供一種確定用于裝置的指令的處理器，該裝置適用于制作固體物體，該處理器包括接收器，所述接收器適用于接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；交叉確定器，所述交叉確定器適用于確定多個虛擬圓柱表面與呈現(xiàn)形式的交叉，每個所述圓柱表面具有不同的半徑；區(qū)域生成器，對于所述多個虛擬圓柱表面的每一個，所述區(qū)域生成器適用于利用所述交叉來確定一區(qū)域的邊界，該區(qū)域?qū)?yīng)于待由所述裝置涂覆的一層彎曲材料層，所述材料用于制作所述固體物體。本發(fā)明的第六個方面提供一種用于制造固體物體的方法，所述方法包括如下步驟提供一裝置，該裝置適用于制作根據(jù)本發(fā)明第一個方面的固體物體；通過根據(jù)本發(fā)明第二或第三個方面的方法來確定用于該裝置的指令；以及向該裝置提供所述指令。本發(fā)明的第七個方面提供包括程序指令的處理器可讀有形媒介，所述程序指令在由處理器運行時使得所述處理器執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第二或第三個方面的方法。本發(fā)明的第八個方面提供一種用于指示處理器的計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序在由所述處理器運行時使得所述處理器執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第二或第三個方面的方法。


為了更好地理解本發(fā)明的特點，現(xiàn)在將僅通過舉例的方式，參照附圖來描述實施方式，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于制作固體物體的裝置的實施方式的示意側(cè)視圖。圖2是示出圖1的裝置的涂覆器噴嘴的示意圖。圖3是圖1所示的裝置的示意平面圖。圖4示出了用于控制圖1所示的裝置的控制器的實施方式。圖5是示例性水平噴射涂覆器的示意剖視圖。圖6是示例性向下噴射涂覆器的示意剖視圖。圖7示出了以STL數(shù)據(jù)格式采用的立方體三角表面呈現(xiàn)形式的例子。圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于計算通過三角表面數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)的物體的圓柱截面的算法實施方式的流程圖。圖9示出了三角表面的截面例子，該三角表面與圓柱表面交叉從而產(chǎn)生與圖8所示的算法一致的交叉點。圖10示出了呈現(xiàn)為多個截面的立方體的例子。圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于計算通過多個截面呈現(xiàn)的物體的圓柱截面的算法實施方式的流程圖。圖12示出了與圓柱表面相交的物體的平面截面的例子。圖13示出了與圓柱表面相交的平面截面邊界以及相鄰交叉的例子。圖14示出了將多個截面邊界與圓柱表面相交的結(jié)果。圖15是處理器的一個實施方式的框圖。圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于制作固體物體的裝置的另一實施方式的示意側(cè)視圖。圖17是弧形表面例子的示意圖，在該弧形表面上可涂覆用以形成固體物體的材料。圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于制作固體物體的裝置的另一實施方式的示意側(cè)視圖，其中材料沉積在圓柱體的內(nèi)圓周表面上。發(fā)明實施方式的具體描述參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面用于制作固體物體105的裝置100的實施方式。重力方向為_y方向。裝置100包括涂覆器101，涂覆器101適用于在至少一部分表面104上涂覆用于制作固體物體105的材料120。材料可被描述為物體材料。涂覆器101和表面104在預(yù)定位置之間相對于彼此可移位。也就是說，它們的間距是可改變的。在本實施方式(但不是在所有實施方式)中，是涂覆器101而不是表面104 移位?？赏ㄟ^與沉積材料層的厚度相當(dāng)?shù)木嚯x來分離預(yù)定位置。典型地，將涂覆器設(shè)置為與表面相距第一預(yù)定距離，涂覆材料，然后將涂覆器設(shè)置為與表面相距第二預(yù)定距離，以準(zhǔn)備材料的進(jìn)一步涂覆。在每一預(yù)定位置涂覆一層材料層。每一層被獨立確定，因而可以與另一層不同，從而可制作任意形狀的固體物體。在典型的裝置中有1001，000，000個預(yù)定涂覆器位置，但是預(yù)定涂覆器位置的數(shù)量也可以落入此范圍以外。預(yù)定位置之間的最小間距可由導(dǎo)致移位的電動機(jī)的特性來確定。例如在步進(jìn)式電動機(jī)的情況下，相鄰位置之間的間距可以是電動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小步進(jìn)尺寸的倍數(shù)。可通過軟件或者軟件與硬件因素的組合來設(shè)置間距。典型地，第一和第二預(yù)定位置的間距等于沉積材料層的厚度。例如，層厚度可以在1 μ m到5mm的范圍內(nèi)，但是對于IOcm量級的物體來說，典型地在0. Olmm到0. Imm左右ο材料120可以以液相儲存在與涂覆器101連通的材料貯存室109中。在本實施方式(但不必在所有實施方式)中，貯存室與涂覆器集成在一起。在其它實施方式中，貯存室與涂覆器分離，并且可通過諸如軟管之類的導(dǎo)管(其中流入材料)連接。然而，這種軟管可能易于造成障礙和/或出現(xiàn)故障。表面104圍繞旋轉(zhuǎn)軸122可旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向主要由箭頭124表示，或者在可選實施方式中，主要為相反方向。在本實施方式中，涂覆器具有用于在表面104上噴射材料的一個或多個噴嘴123。涂覆器可以通過平移臺(translation stage) 102來定位，其中將涂覆器安裝在平移臺102上。涂覆器在軸的方向上延伸，并安裝在基本平行于軸122的方向上， 使得涂覆器可以對準(zhǔn)沿著表面的多個點。在至少一個實施方式中，表面而不是涂覆器被平移。在其它實施方式中，如圖2所示，涂覆器具有與軸平行地延伸的噴嘴陣列，并且可通過僅平移噴嘴間距的寬度(或者如果間距足夠小則根本不平移)而在可旋轉(zhuǎn)表面上對準(zhǔn)所有需要的點。在一個實施方式中，涂覆器具有包含多個噴嘴和多個流體通道的壓電印刷頭。平移臺102依據(jù)圖1所示的坐標(biāo)系統(tǒng)在χ方向和ζ方向上都能移動涂覆器101，因此涂覆器和表面在橫向于軸的方向上相對于彼此可移位。在可選實施方式中，替代地或附加地平移表面。裝置100被構(gòu)造為如圖中所示(但不必在所有的實施方式中都如此)，使得在使用時，涂覆器101和軸122在同一水平面中(可能剛好在該平面上方或下方)相鄰近，在基本水平的方向上從涂覆器噴射材料。例如，該裝置可以具有底架155，底架155具有例如用于在臺式裝置(bench top)、其它表面或結(jié)構(gòu)上方支撐該裝置的附接腳165、166或安裝點。腳 (或安裝點)、底架和組件的相對位置和取向限定了裝置在使用時的取向，并因而也限定了組件在使用時的取向。在一些可選實施方式中，涂覆器可位于軸122的水平面下方，材料可向上噴射，如圖16的裝置900中所示，其中與圖1相似的組件采用相似的標(biāo)號。涂覆器可以與軸相鄰，或者位于軸下方，或者位于中間位置。以虛線示出了涂覆器的各種可能的位置和取向，本具體實施方式
采用的涂覆器位于軸的正下方。在圖1和16所示的實施方式中， 材料在基本不具有向下成分的方向上噴射。涂覆器與垂直方向所呈的角度例如可以從75 度到180度。在本實施方式中，表面104是圓形圓柱體103的面向外的表面。該表面不需要在所有方向上都圍繞軸122延伸以形成圓柱體，表面104可以是弧形，如圖17所示，其中相似的部分采用相似的標(biāo)號。圖18所示的本發(fā)明950的可選實施方式可具有布置在圓柱體內(nèi)部的涂覆器，并且涂覆器被構(gòu)造為在圓柱體的內(nèi)圓周表面970上沉積材料。在圖18中，與圖1中的那些組件相似的組件采用相似的標(biāo)號。涂覆器可在圓柱體內(nèi)部平移。這種構(gòu)造可具有如下優(yōu)點正在形成的固體物體上的慣性力施加到表面中，因而正在形成的物體在其形成期間不太可能與表面不經(jīng)意地分離。將意識到，針對圖1所示的實施方式描述的很多特點可以應(yīng)用于圖18所示的實施方式。一般而言，任何適當(dāng)?shù)膹澢砻婵梢詽M足要求。在可選實施方式中，圓柱體可具有外套管(outer sleeve)，該外套管例如為剛性或柔性管的形式。在這種情況下，套管可以在完成材料涂覆之后與固體物體一起被移除。用以呈現(xiàn)表面(或套管)104的圓柱形平臺103可以由沉積材料和任何其它沉積物質(zhì)粘附到的材料比如鋁來構(gòu)建。如圖3所示(但不必在所有實施方式中)，利用來自可操作地連接到表面104的位置編碼器132的信息，通過用于驅(qū)動互連驅(qū)動軸136的電動機(jī)130，可使表面104繞著其軸旋轉(zhuǎn)到已知位置。可選地，可以采用包括與編碼器和電動機(jī)通信的控制單元137的伺服運動控制系統(tǒng)134。通過印刷頭101沉積到圓柱形平臺103上的多余材料可利用整形器比如水平調(diào)整裝置140來移除。水平調(diào)整裝置140可包括圓柱形銑削刀片，該刀片繞著基本平行于圓柱形平臺103的軸122的軸旋轉(zhuǎn)。水平調(diào)整裝置可以高速旋轉(zhuǎn)，并且可位于提取外殼中，以排
12空去除的材料?？蛇x地，水平調(diào)整裝置140可以是繞著基本上與圓柱形平臺103的軸122 平行的軸旋轉(zhuǎn)的受熱圓柱形輥。隨后，利用刮刀將粘附到受熱輥表面的熔融材料從該表面去除。對每一沉積層進(jìn)行水平調(diào)整的目的在于確保沉積層具有規(guī)定的厚度，否則隨后的層可能不會相對于圓柱形平臺103的軸沉積在其正確的徑向位置上，從而制造出不符合期望形狀和/或容差的物體。水平調(diào)整裝置140安裝在平移臺105上，平移臺105能夠在依照圖1所示的坐標(biāo)系統(tǒng)的大致χ軸上移動。通常從印刷頭以液體形式噴射材料，隨后材料變成固體。涂覆器101涂覆的材料例如可以是蠟、熱塑性塑料或可固化聚合物比如基于丙烯酸或環(huán)氧樹脂的光敏聚合物。通常，涂覆的材料是諸如熱塑性塑料和蠟的熱相變材料，或者是可通過暴露到諸如紫外光之類的適當(dāng)?shù)碾姶泡椛渲卸挥不墓饷艟酆衔飿渲Ｔ谝恍嵤┓绞街?，可通過圖中未示出的材料饋送器來向涂覆器提供材料。當(dāng)采用光敏聚合物材料時，可控制光源106發(fā)射諸如紫外光或藍(lán)光之類的光107，以硬化所涂覆的材料。在沉積材料是蠟或熱塑性塑料時，只要環(huán)境溫度低于蠟的軟化溫度，沉積材料就會通過冷凍而硬化。此處理可通過用以引導(dǎo)圓柱體103處的空氣的冷卻扇138而被強(qiáng)化。并非在所有的實施方式中都以純液體形式噴射材料。在一個實施方式中，從印刷頭噴射的材料可包含比如膠體之類的懸浮固體。涂覆器101 (或者在一些其它實施方式中的一個或多個附加涂覆器)還可沉積物質(zhì)(substance)以及材料。涂覆器具有用于在表面上噴射物質(zhì)的一個或多個噴嘴133。該物質(zhì)可以以液相儲存在與涂覆器連通的相應(yīng)物質(zhì)貯存室中。在本實施方式(但不必在所有實施方式)中，貯存室與涂覆器集成在一起。在其它實施方式中，貯存室與涂覆器分離，并且可通過諸如軟管之類的導(dǎo)管(其中流入物質(zhì))連接。在所示出的實施方式中，物質(zhì)噴嘴位于材料噴嘴123下方，但在其它實施方式中，物質(zhì)噴嘴例如可位于相同的水平面中，即位于相同的y位置。物質(zhì)的作用在于在制造期間對用于形成固體物體的材料提供支撐，從而使得原本不能被制造的部件例如懸垂件可被制造。物質(zhì)可被描述為支撐物質(zhì)。在一個實施方式中，物質(zhì)和材料是蠟。物質(zhì)可具有比材料低的熔點，因而對沉積材料和物質(zhì)升溫到它們的熔點之間的范圍會導(dǎo)致物質(zhì)熔融，留下完整的固體物體?？蛇x地，蠟例如可在諸如乙醇之類的溶劑中具有不同的溶度，這可用于將物質(zhì)與材料分離。用于此處理的適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)和材料化學(xué)品可從Jet-Wax Laboratories公司獲得。例如，涂覆器101、涂覆器平移臺102、伺服運動控制系統(tǒng)137、水平調(diào)整裝置140、 水平調(diào)整裝置平移臺105和光源106可以與用以協(xié)調(diào)材料和物質(zhì)涂覆處理的控制器144通信，并可被控制器144控制。在本實施方式中，控制器可以具有在圖4中示意性示出的處理器單元，其包括諸如INTEL PENTIUM之類或類似于INTEL PENTIUM的適當(dāng)微處理器146，微處理器146通過總線148連接到IOOMb左右的隨機(jī)存取存儲器150以及具有IGb左右容量的諸如硬盤驅(qū)動152或固態(tài)非易失性存儲器之類的非易失性存儲器。處理器具有諸如通用串行總線之類的輸入/輸出接口 154以及可能的人機(jī)接口 156例如鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器等。 可通過USB或RS-232或TCP/IP鏈路，利用安裝在處理器單元144上的商業(yè)上可獲得的機(jī)器對機(jī)器(machine-to-machine)接口(比如LABVIEW軟件)以及由商業(yè)接口供應(yīng)商推薦的關(guān)聯(lián)硬件來控制涂覆器101、平移臺102、圓柱形加工平臺103、光106以及其它可能的組件?？蛇x地，可編寫定制驅(qū)動器軟件，以便與定制印刷電路板一起來改善性能。在本實施方式中，控制器144與處理器126通信，處理器126適用于確定用于裝置100的指令和/或信息。在可選實施方式中，處理器144、126是同一處理器。適當(dāng)處理單元的例子包括諸如INTEL PENTIUM之類或類似于INTEL PENTIUM的微處理器，該微處理器通過總線連接到IOOMb左右的隨機(jī)存取存儲器以及具有IGb左右容量的諸如硬盤驅(qū)動或固態(tài)非易失性存儲器之類的非易失性存儲器。通常，此配置可類似于或等同于圖4所示的配置。處理器126具有諸如USB端口(或者例如互聯(lián)網(wǎng)連接)之類的接收器128，用于接收例如存儲在USB FLASH裝置上的用于呈現(xiàn)固體物體的信息。該信息可被編碼在由計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)程序生成的文件中，該信息指定物體的幾何形狀。微處理器運行用于實現(xiàn)算法的分解器程序，該算法將信息分解(或變換)成表示待由裝置100順序地涂覆的多層彎曲材料層的數(shù)據(jù)，該材料用于制作固體物體。由圓柱坐標(biāo)表示的彎曲層與圓柱表面高度互補(bǔ)。 可以將該程序從例如存儲程序的有形媒介(比如DVD或USB存儲棒)安裝到處理器上。在可選實施方式中，分解器可以是專用硬件單元。物體的一系列圓柱截面被確定，每個截面對應(yīng)于待涂覆的一層。然后，進(jìn)一步處理圓柱形橫截面，以將每個圓柱形橫截面的幾何形狀呈現(xiàn)為柵格位圖。用于呈現(xiàn)物體的位圖的多個區(qū)域被標(biāo)識出，進(jìn)一步地，用于呈現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的位圖的多個區(qū)域被計算和標(biāo)識出，其中支撐結(jié)構(gòu)用于懸掛物體的部件。此外，如果是要制造多種材料或顏色的物體，則物體的位圖呈現(xiàn)形式被進(jìn)一步處理為標(biāo)識出在每個位置上需要放置哪些材料。由于具有更大半徑距離的圓柱形橫截面將具有更大的周長，并且因而具有更大的表面積，而所涂覆的材料和物質(zhì)的液滴將具有相對固定的尺寸，因此相鄰位圖中的像素數(shù)量可以改變。然后，可利用一個或多個位圖來控制涂覆器101對材料和/或物質(zhì)的涂覆。在一個實施方式中，涂覆器的射出面包括圖2所示的噴嘴200的陣列，多個噴嘴 200在ζ方向上以規(guī)則間隔隔開，并延伸大致圓柱形平臺103的長度。在一個實施方式中， 201、202、203和204均可以是用于相應(yīng)材料(或物質(zhì))的通道，以使多種材料經(jīng)噴嘴排放。 在一個實施方式中，一列或多列噴嘴(例如最左列206)可以是材料噴嘴，并且一列或多列噴嘴可以是物質(zhì)噴嘴(例如最右列208)。例如，可采用具有不同顏色或不同物理特性(比如硬度)的多種材料，并且在涂覆時將多種材料混合在一起，以便產(chǎn)生具有一致特性或者具有處于沉積的原材料之間的中間特性的物體。在一個實施方式中，涂覆器101將材料涂覆到圓柱形平臺103上，圓柱形平臺在電動機(jī)130的作用下繞著其自身的軸旋轉(zhuǎn)?？梢詫⒉牧铣练e在圓柱形平臺103的整個圓周附近。編碼器向中央處理器單元144提供圓柱形平臺103的旋轉(zhuǎn)取向的反饋。此信息用于確保涂覆器將材料液滴沉積在圓柱形平臺103上的正確位置處。在圓柱形平臺103繞著軸旋轉(zhuǎn)一整圈之后，涂覆器101通過平移臺102沿著ζ軸被平移等于或小于一個液滴寬度的距離。然后，隨著不停頓地完成在相同旋轉(zhuǎn)方向上的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，將更多的材料沉積到圓柱形平臺103上。這個過程持續(xù)到涂覆器沿ζ軸遍歷了噴嘴之間的整個間距為止。以這種方式， 利用所需的材料以可超過印刷頭上的噴嘴間距的原始分辨率的分辨率，將物體的柵格圓柱形橫截面呈現(xiàn)形式(!^presentation)沉積到圓柱形平臺103上。在沉積了一層之后，平移臺102沿著ζ軸將涂覆器101移動到其初始位置。涂覆器可在沿著ζ軸的任一方向上運動期間沉積材料。應(yīng)當(dāng)理解，由于一些涂覆器的噴嘴的周期性間隔，在某些情況下，涂覆器在 ζ軸上的起始位置可被改變噴嘴之間間距的倍數(shù)。這可以平均出(average-out)通過不同噴嘴沉積的液滴尺寸的變化結(jié)果。
在凝固的材料的水平調(diào)整已經(jīng)完成之后，平移臺105可以收回水平調(diào)整裝置104， 從而使它不再與沉積層接觸。在水平調(diào)整了沉積層之后，如果沉積材料是光敏聚合物，則它可通過開啟光源106 被固化。利用剛才描述的處理，可將物體的后續(xù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、由涂覆器101沉積到圓柱形平臺103上的先前沉積的層上、硬化并水平調(diào)整。以這種方式沉積物體的所有層會產(chǎn)生多層結(jié)構(gòu)，其中在圖1中由IllA表示的材料被裝入物質(zhì)IllB中。由111、112和113總體表示的多個物體可在圓柱形平臺103上并行地制造。由于至少在這個例子中整個圓柱形平臺在沉積每一層期間由涂覆器101尋址，因此所有的物體以相同的速率在徑向方向上建立。由此，可以并行地制造多個物體，而不會增加制造時間， 其中制造時間對應(yīng)于建立從圓柱形平臺103的軸通過徑向距離所測量的最高物體所需的時間。一些實施方式的一個顯著的優(yōu)點在于圓柱形建立平臺的運動方向在建立過程中不必改變。在其它實施方式中，圓柱形平臺可在整個制造工藝中沿同一方向連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。涂覆器可以以接近33kHz的速率噴射直徑為大約20 μ m的材料液滴，這使得線性印刷速度接近700mm/s。以這種速率，利用本發(fā)明，能夠以每小時大約14mm的垂直建立速率沉積材料，這比以相似分辨率可實現(xiàn)每小時接近2mm到3mm的建立速率的現(xiàn)有技術(shù)裝置快了大約5倍。通過對比，在平的表面上在直線坐標(biāo)系統(tǒng)中沉積材料的裝置需要待制造的物體在涂覆器前方往復(fù)移動(或者反之亦然)，這會導(dǎo)致在加速和減速階段期間的死區(qū)時間 (dead-time)。此外，加工平臺的加速需要受限，以防止正在制造的物體由于慣性而受到損壞或者脫離建立平臺。此外，用于快速改變建立平臺的速度的機(jī)械裝置需要很穩(wěn)固，由此也很昂貴。此外，方向的改變會引起朝向機(jī)械裝置的反彈，這一點必須要克服。由于圓柱形平臺可被提供適度電力的電動機(jī)供電，機(jī)械裝置在一個方向上旋轉(zhuǎn)因而從根本上杜絕了反彈，并且減少了材料可能不被沉積的死區(qū)時間，因此，本發(fā)明的至少一些實施方式可以改善上述缺陷。由此，本發(fā)明不但只需要更簡單和更廉價的硬件，而且可更快速地建立部件。應(yīng)當(dāng)意識到，即使圓柱體103在單一方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)僅發(fā)生在固體物體的有效部分(significant fraction)的制造期間(例如在固體物體的一層或多層的涂覆期間)， 也可保持很多優(yōu)點。一些實施方式的第二個優(yōu)點在于圓柱形加工平臺的使用易于使標(biāo)稱上水平噴射的印刷頭用作涂覆器，這與現(xiàn)有技術(shù)中采用的向下噴射的印刷頭相反。圖5示出了水平噴射的印刷頭構(gòu)造300，顯示出饋送源301，饋送源301將材料302滴到與腔室304連接的饋送貯存室303，隨后腔室304將材料饋送到至少一個噴嘴305。通過電子控制回路來控制材料的饋送速率，使得饋送貯存室中的流體高度低于噴射器噴嘴(ejector nozzle)。此控制回路受到流體水平傳感器306的輔助。由于虹吸效應(yīng)，這將在噴嘴處產(chǎn)生負(fù)壓，由此防止了材料從噴嘴漏出并且保持了正確操作噴頭所需的適當(dāng)流體彎月面。這種水平噴射構(gòu)造具有穩(wěn)定性的優(yōu)點——當(dāng)處于無源狀態(tài)(即不操作)時，它不需要有源控制。在電源故障時能夠確保故障安全，在斷電以防止泄漏時不需要任何特殊的預(yù)防措施。印刷頭可以從所示出的取向旋轉(zhuǎn)，并且可被機(jī)械微調(diào)，以使材料向上噴射。作為比較，圖6示出了向下噴射印刷頭組件400，顯示出饋送源401，饋送源401
15與饋送貯存室403具有氣密性連接，饋送貯存室403連接到將材料饋送到噴嘴405的腔室 404。為了防止材料由于在噴嘴上方的流體凈水壓力而從噴嘴漏出，通過真空泵407在端口 406處抽真空，以將噴嘴405處的壓力降低到低于大氣壓。材料水平傳感器408向與饋送源 401通信的處理單元410提供反饋，以確保在貯存室403中保持恒定的流體水平。壓力傳感器409向與真空泵407通信的控制器410提供反饋信號，以控制饋送貯存室中的真空處于所需的壓力?？梢钥闯?，這種向下噴射印刷頭裝置需要其饋送和排空端口的氣密性密封，并需要對流體水平和腔室壓力的有源控制，這增加了裝置的復(fù)雜性。此外，在面向下的印刷頭中的真空瞬時損耗可導(dǎo)致材料從印刷頭泄漏到正在制造的物體上，這能使物體毀壞。由真空故障或斷電引發(fā)的固有不穩(wěn)定性會影響用于制造固體物體的系統(tǒng)的可靠性。為向下噴射印刷頭構(gòu)建無源負(fù)壓保持系統(tǒng)是可能的，由此將流體貯存室保持在噴射噴嘴的水平面以下。在這種情況下，貯存室需要被定位為與建立封套(build-envelope) 相距一定距離以避免與正在制造的物體沖突，并經(jīng)由臍狀管連接到印刷頭。臍狀饋送線可能會引起可靠性問題，尤其在輸送熔融材料的情況下。因此，為了制造固體物體，相比向下噴射印刷頭，有利的是采用水平噴射印刷頭構(gòu)造，因為其硬件更為簡單、更為穩(wěn)固并從根本上確保故障安全。由此，對能夠采用水平噴射印刷頭而不是向下噴射印刷頭的本發(fā)明的一些實施方式，可能會帶來非常顯著的實際優(yōu)勢。然而請注意，上述裝置的一個實施方式是從軸上方涂覆材料，并仍能保持很多優(yōu)勢。待制造物體的典型計算機(jī)生成呈現(xiàn)形式并不適于指示裝置，因而需要被“翻譯”成適于指示裝置的形式。裝置的實施方式通常需要首先將待制造物體的三維計算機(jī)模型或呈現(xiàn)形式分解成物體的一組彎曲截面。這些截面通常在曲率上與圓柱表面互補(bǔ)，因而可被描述為圓柱截面。每個截面可對應(yīng)于獨立確定的待由涂覆器涂覆的材料沉積層，涂覆材料的彎曲層構(gòu)成了制造的物體。下面將描述用于執(zhí)行此任務(wù)的示例算法。一些計算機(jī)文件格式將固體物體表面呈現(xiàn)為三角網(wǎng)格。圖7示出了采用三角表面網(wǎng)格的立方體500的呈現(xiàn)形式。三角表面網(wǎng)格文件格式的例子是STL文件格式。用于通過這種三角表面數(shù)據(jù)集計算圓柱截面的算法實施方式在圖8中示出，并由標(biāo)號600總體表示。 圖9示出了對于三角網(wǎng)格650的多個分段(segment)的算法應(yīng)用，顯示出可通過在所描述的相鄰三角形之間步進(jìn)(st印ping)而經(jīng)三角形來跟蹤虛擬圓柱表面652的方式。該算法需要在第一步驟602中限定虛擬圓柱切面652的半徑R654及其相對于三角表面數(shù)據(jù)的原點0。典型地，采用的初始半徑等于(此時為Rl)或略大于(此時為R2)旋轉(zhuǎn)軸122與表面 104之間的距離。對于此算法，固體物體的呈現(xiàn)形式至少與軸122相距距離R1，從而固體物體的呈現(xiàn)形式不會位于與旋轉(zhuǎn)圓柱體103內(nèi)部的區(qū)域相對應(yīng)的區(qū)域(不能夠連接到涂覆器的區(qū)域)內(nèi)部。典型地(但不總是)采用的初始半徑大于Rl大約0. Imm至5mm。第二步驟 604涉及查找圓柱表面與三角表面數(shù)據(jù)集中的三角形邊緣的交叉。第三步驟606是選擇與圓柱表面相交并且尚未被算法標(biāo)記為“切割”的三角形邊緣之一。第四步驟608涉及標(biāo)識選定邊緣所屬于的三角形。第五步驟610涉及計算圓柱表面與選定邊緣(將被標(biāo)記為“入口”邊緣)的交叉點。第六步驟612涉及計算圓柱表面與標(biāo)識出的三角形的所有邊緣的交叉點。交叉邊緣之一將包含圓柱表面離開三角形的點；這個邊緣將被標(biāo)記為“出口”邊緣。請注意，入口邊緣和出口邊緣可能是同一邊緣，并且當(dāng)圓柱表面正切于該邊緣時入口點和出口點可能是重合的。第七步驟614涉及將入口邊緣和出口邊緣標(biāo)記為“切割”，從而該算法可標(biāo)識出這些邊緣已被遍歷。第八步驟616涉及查找沿著當(dāng)前三角形的出口邊緣與當(dāng)前三角形相鄰的下一三角形。這涉及檢索三角形集，以查找共享公共邊緣的一對三角形。下一三角形將具有與當(dāng)前三角形相鄰的邊緣；連續(xù)性地，此邊緣將成為下一三角形的入口邊緣。在第九步驟618中，如果下一三角形的入口邊緣不與第一入口邊緣的入口邊緣相同，則 “下一”三角形被標(biāo)記為“當(dāng)前”三角形，并且該算法返回到算法的第五步驟610。然而，如果是同一邊緣，則圓柱截面的封閉邊界(或“周線”)已被遍歷，按順序標(biāo)識出的由線連接的多個點限定了邊界，并且邊界內(nèi)的區(qū)域為截面區(qū)域。然后，第十步驟620記錄限定邊界的多個點。第十一步驟622是判斷是否與圓柱表面相交的三角表面數(shù)據(jù)集中的所有邊緣都已被標(biāo)記為切割。如果不是，則該算法返回到第三步驟606，并且從未切割邊緣的集合中選擇用于一個截面的新邊界的起始邊緣。然后，在第十二步驟624中，將限定圓柱截面邊界的交叉點表示在具有恒定半徑坐標(biāo)的圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)中。通過消除半徑坐標(biāo)以使多個點可被表示在縮小的圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)(表示為例如(Θ，z)并具有恒定半徑)中，可以使交叉點能夠被計算處理為二維(Θ，ζ)空間中的點。有利地，在縮小的坐標(biāo)系統(tǒng)中，在連續(xù)交叉點之間的多條直線對應(yīng)于連接圓柱表面上的相應(yīng)點的一條大致彎曲的線。直線比曲線更容易處理得多。 如果使用直角坐標(biāo)系統(tǒng)而不是縮小的圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)，則將需要多個(x，y，z)來呈現(xiàn)一條曲線(而不是如縮小系統(tǒng)中那樣僅需要線的端點)，這將導(dǎo)致在固體物體上出現(xiàn)不利的“鋸齒狀”呈現(xiàn)形式。將曲線匹配到直角點可能會克服它們的鋸齒狀外觀，但將需要昂貴的計算費用。因此，將交叉點之間的圓柱截面邊界表示在縮小的圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)中。這不但減小了所需的存儲器的大小，而且極大地簡化并加速了進(jìn)一步處理。在第十三步驟626中，將邊界區(qū)域映射到二維位圖上(作為僅兩個變量坐標(biāo)的函數(shù))，以準(zhǔn)備用于根據(jù)所計算的圓柱截面來指示裝置沉積材料和物質(zhì)(如果使用的話)。然后，該算法結(jié)束。對于不同的半徑，重復(fù)該算法，直到固體物體的呈現(xiàn)形式已被完全分段為止。由此，通過選擇跨越(span)三角表面數(shù)據(jù)集的圓柱表面的半徑范圍，可利用所述算法來確定必要的圓柱截面邊界和三角形呈現(xiàn)形式的截面區(qū)域。每個截面對應(yīng)于一層待涂覆的材料層。在本實施方式(但不必在所有實施方式)中，有多個二維位陣列(“位圖”)。每個二維位陣列對應(yīng)于相距旋轉(zhuǎn)軸122的某一半徑距離，因而對應(yīng)于一個圓柱截面。這些位代表均與旋轉(zhuǎn)軸相距相同半徑距離的多個點。這些位通過θ方向上(繞著軸122)的恒定弧長以及ζ方向上(沿著軸122)的另一或同一恒定距離而間隔開。由此，在每一陣列中θ 方向上的位數(shù)量隨著半徑距離而增大，以保持恒定的弧長。多個陣列可布置成疊層，該疊層中的每一層對應(yīng)于一層沉積材料和/或物質(zhì)層?！?”位可表示在對應(yīng)坐標(biāo)的材料沉積，而 “ 0，，位可表示在對應(yīng)坐標(biāo)的物質(zhì)沉積。在一些實施方式中，代替位，可采用實數(shù)或其它類型的變量或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以提供關(guān)于材料混合或構(gòu)成、材料顏色等的信息。位圖可被發(fā)送給控制器144以用于指示裝置，或者可被存儲以用于后續(xù)使用。典型地，文件中的三角形對于算法來說不處于方便的順序。可通過在算法開始之前，對三角形加注索引以標(biāo)注出屬于每一三角形的邊緣以及標(biāo)注出哪些三角形彼此相鄰， 來改善上述算法。由此，上述算法代表用于計算三角網(wǎng)格的圓柱截面的方法，并且在算法運行效率的這種改進(jìn)方面并非限制性的。
計算機(jī)文件格式的第二個例子是將固體物體呈現(xiàn)為一系列間隔截面的SLC格式。 這些截面可由多個邊界限定，每個邊界包圍各自的截面區(qū)域。每個截面處于穿過物體的相應(yīng)平面(即截面是平面截面)中。邊界通常被表示為多邊形。多邊形的每個頂點通常被表示在直線坐標(biāo)中。平面截面通常穿過物體處于不同高度。立方體(比如672)的截面在圖 10中示出。在SLC格式的一個版本中，截面可均勻地間隔開并且彼此平行。用于通過SLC數(shù)據(jù)集計算圓柱截面的算法的例子在圖11中示出，并由標(biāo)號700總體表示。該算法將用于呈現(xiàn)物體的平面截面疊層(例如，高度適用于直角坐標(biāo)系統(tǒng)的呈現(xiàn)形式，但并不適用于圖1所示的裝置)轉(zhuǎn)換成具有圓柱截面(彎曲層)的呈現(xiàn)形式。圓柱截面非常適用于圖1所示的裝置。在預(yù)備步驟中，平面截面分別被取向為，使得多個平面相對于圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)被疊加在徑向上。此過程起始于步驟702，首先限定虛擬圓柱表面726的半徑R及其相對于SLC數(shù)據(jù)集的原點0，如圖12所示。第二步驟704涉及計算圓柱表面與各平面截面所處的每一平面(即SLC數(shù)據(jù)集的每一 ζ平面)的交叉。每一平面可沿多至兩條線與圓柱表面交叉。例如，圖12示出了物體720，其被呈現(xiàn)為由ζ方向上疊加的多條實線表示的疊置平面截面。相應(yīng)的平面由虛線表示。例如，在水平線Zk處的平面沿著與y軸平行的線在兩個χ坐標(biāo)Xu和xk,2處相交。第三步驟706需要計算在其各自相交坐標(biāo)之間的范圍中的每一平面截面積部分，并減去在相鄰平面截面的相交坐標(biāo)之間的范圍。例如，參照圖12，在步驟706區(qū)分出的水平線Zk處的面積部分為=Xkil和xk,2之間的范圍減去X1^1和 xk+1,2之間的范圍。在圖12中，相對于Zk處的平面截面，這對應(yīng)于由粗線標(biāo)記的χ范圍，由標(biāo)號722和724表示。如圖13所示的xy平面(其示出了圖12的Zk處的平面截面的另一視圖)中所看到的，截面部分對應(yīng)于被標(biāo)記為740、742和744的陰影區(qū)域。以類似的方式， 可計算SLC數(shù)據(jù)集中的每次切割的截面部分。這將產(chǎn)生圖14所示的截面部分760的集合。 第四步驟708涉及將ζ方向上的標(biāo)識出的每一截面部分投射到圓柱切面上。這可通過投射每一截面部分的邊界上的多個點(其按順序限定了表示該截面部分的多邊形)來完成。這通過向多個點應(yīng)用下述第一變換實現(xiàn)χ' =Xy' = yz'=Vi 2-x2其中帶引標(biāo)的變量表示變換后的坐標(biāo)，不帶引標(biāo)的變量表示原始坐標(biāo)，R是虛擬圓柱切面的半徑?，F(xiàn)在，變換后的點位于虛擬圓柱切面上。第五步驟710是經(jīng)下述第二變換將直角坐標(biāo)中的變換后的點轉(zhuǎn)換成圓柱坐標(biāo)θ = arctan —
\x Jr = Rζ = y'其中θ是角度圓柱坐標(biāo)，r是半徑圓柱坐標(biāo)，ζ是軸圓柱坐標(biāo)。由此，利用可被丟棄的恒定半徑坐標(biāo)，確定用于描述SLC數(shù)據(jù)集的指定圓柱切割的多邊形。在第六步驟712 中，將變換后的多邊形區(qū)域作為僅兩個變量坐標(biāo)的函數(shù)映射到二維位圖上，以準(zhǔn)備用于根據(jù)所計算的圓柱截面來指示裝置沉積材料和物質(zhì)(如果使用的話)。然后，該算法結(jié)束。對于不同的半徑，重復(fù)該算法，直到固體物體的呈現(xiàn)形式已被完全分段為止。由此，通過選擇跨越SLC數(shù)據(jù)集的圓柱切面的半徑范圍，可利用所述算法來確定必要的圓柱截面。應(yīng)當(dāng)注意，在步驟706中，與平面截面相鄰的平面可以是上平面或者下平面。盡管 SLC數(shù)據(jù)集的層厚度的量級將有所變化并因此通常不是顯著的，略微不同的圓柱截面將隨之而來。應(yīng)當(dāng)理解，上述算法在使用時需要相對于例如圖18所示的裝置950而略微修改。 這些修改可包括將物體的呈現(xiàn)形式定位在表面970內(nèi)部而不是如上結(jié)合圖1所示實施方式描述的在表面外部。圖15示出了用于為制作固體物體的裝置確定指令的處理器實施方式的框圖，該處理器由標(biāo)號800總體表示。處理器800具有接收器802，接收器802用于接收呈現(xiàn)固體物體的信息，該信息通常是數(shù)字文件801例如STL或SLC文件的形式。接收器可包括以太網(wǎng)端口和關(guān)聯(lián)的電路、USB端口、CD或DVD裝置等。接收的文件通常存儲在存儲器中以用于處理。處理器還具有分解器804，分解器804從存儲的文件獲取信息并將其分解成多個數(shù)據(jù)單元806。多個數(shù)據(jù)單元可以表示用于該裝置的指令，以指示該裝置涂覆或不涂覆用于制作固體物體的彎曲材料層。例如，分解器可執(zhí)行類似于或等同于圖8和/或圖11中所示的方法。大體上，分解器可具有如下特性。分解器804可具有半徑和位置確定器808，用于確定虛擬圓柱表面的半徑以及虛擬圓柱表面的中心軸相對于固體物體呈現(xiàn)形式的位置。分解器可具有交叉確定器810，用于計算圓柱表面與諸如平面截面的三角形之類的作為固體物體呈現(xiàn)形式的單元的一個或多個交叉。分解器可具有區(qū)域生成器812，用于利用交叉來確定區(qū)域。分解器可具有映射器814，其可以以位圖的形式將該區(qū)域映射到數(shù)據(jù)單元陣列中，以準(zhǔn)備用于指示該裝置沉積材料和物質(zhì)(如果使用的話)。分解器可被具體化為硬件和軟件單元的任何適當(dāng)組合，或者可以單純具體化為硬件。單元808-814中的每一個可包括具有功能優(yōu)化的電路的一個或多個離散硬件組件?？蛇x地，單元808-814可被具體化為用于指示一個(或者可能多個)處理器芯片的一個或多個軟件單元。在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的條件下可對前述實施方式進(jìn)行變化和/或修改。 例如，加工平臺可以不是圓柱形狀，而可以是扁平狀并繞著基本平行于印刷頭噴射方向的軸旋轉(zhuǎn)(類似于記錄播放器上的記錄旋轉(zhuǎn))。由此仍可獲得連續(xù)印刷的優(yōu)點。在另一實施方式中，涂覆器可包括用于在壓力下擠壓材料的噴嘴。因此，本發(fā)明的實施方式在所有方面都是示例性而非限制性的。盡管本文可能討論了現(xiàn)有技術(shù)，但是在任何權(quán)限下這種討論都不被視為承認(rèn)此現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成了公知常識的一部分。在所附權(quán)利要求書以及在本發(fā)明的前述描述中，除了由于表達(dá)語言或必要含義而在上下文中需要之外，術(shù)語“包括”或其變化(例如包含)在本發(fā)明的各種實施方式中是在包含(inclusive)意義上使用，即，用以指定所描述特征的存在但并不排除其它特征的存在或附加。
權(quán)利要求
1.一種適用于制作固體物體的裝置，包括繞著旋轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)的表面；涂覆器，該涂覆器適用于在該表面的至少一部分上涂覆用于制作該固體物體的材料；所述涂覆器和所述表面在橫向于該軸的方向上相對于彼此可移位。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括控制器，該控制器被配置為接收用于制作該固體物體的指令，所述指令是表示待由所述裝置順序地涂覆的多層彎曲材料層的數(shù)據(jù)的形式，該控制器被配置為協(xié)調(diào)該表面的旋轉(zhuǎn)、該涂覆器相對于該表面的移位以及所述涂覆器對所述材料的涂覆，使得所述多層材料層根據(jù)所接收的指令被順序地涂覆在所述表面的至少一部分上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中該涂覆器進(jìn)一步適用于涂覆物質(zhì)，該物質(zhì)適用于支撐所述材料。
4.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，被配置為在使用時被取向為使得所述材料在基本不具有向下成分的方向上從所述涂覆器噴射。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中從所述涂覆器噴射材料的方向與垂直方向所呈的角度在75度至180度的范圍中。
6.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，被配置為在使用時被取向為使得所述涂覆器在與所述旋轉(zhuǎn)軸基本相同的水平面中噴射所述材料。
7.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，被配置為在使用時被取向為使得所述涂覆器位于與所述旋轉(zhuǎn)軸基本相同的水平面中。
8.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，被配置為使得所述表面在所述固體物體的至少有效部分的形成期間在單一方向上旋轉(zhuǎn)。
9.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，被配置為使得所述表面在所述固體物體的至少有效部分的形成期間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。
10.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述表面是彎曲的。
11.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，包括以所述旋轉(zhuǎn)軸為中心并繞著該軸可旋轉(zhuǎn)的圓柱體，該表面是該圓柱體的表面。
12.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述涂覆器和所述表面在平行于所述軸的方向上相對于彼此可移位。
13.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，包括伺服運動控制系統(tǒng)，所述伺服運動控制系統(tǒng)被配置為控制所述表面繞著所述軸的旋轉(zhuǎn)。
14.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，包括用于確定圓柱形平臺的旋轉(zhuǎn)取向的編碼ο
15.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，包括整形器，所述整形器被布置為修整所涂覆的材料的形狀。
16.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述涂覆器適用于涂覆作為光可固化流體、相變材料和光可固化流體與相變材料的組合這三者其中之一的材料。
17.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述表面與所述材料和所述物質(zhì)的至少之一相兼容。
18.如前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，包括用于照明至少一些所述表面的光源，所述光具有適于固化光可固化流體的特性。
19.一種確定用于裝置的指令的方法，該裝置適用于制作固體物體，該方法包括如下步驟接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；以及將所述信息分解成數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)表示待由所述裝置順序地涂覆的多層彎曲材料層， 所述材料用于制作所述固體物體。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中分解所述信息的步驟包括如下步驟確定虛擬圓柱表面與呈現(xiàn)形式的交叉，并利用所述交叉來確定將要涂覆材料的區(qū)域的邊界。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中接收信息的步驟包括接收將固體物體呈現(xiàn)為多個單元的信息的步驟，并且確定所述交叉的步驟包括確定所述虛擬圓柱表面與一個或多個所述單元的交叉。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中每個單元包括三角形，并且確定交叉的步驟包括如下步驟計算與至少一個三角形的一個或多個邊緣的一個或多個交叉點。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中每個單元包括所述物體的截面，并且確定所述交叉的步驟包括如下步驟確定所述圓柱表面與至少一個所述截面的交叉。
24.如權(quán)利要求19-23中任一項所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)包括構(gòu)成多個集合的多個數(shù)據(jù)單元，每個集合對應(yīng)于所述多層的其中之一，每個數(shù)據(jù)單元表示用于指示所述裝置涂覆或不涂覆材料的指令。
25.一種確定用于裝置的指令的方法，該裝置適用于制作固體物體，該方法包括如下步驟接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；確定多個虛擬圓柱表面與呈現(xiàn)形式的交叉，每個所述圓柱表面具有不同的半徑； 對于所述多個虛擬圓柱表面的每一個，利用所述交叉來確定一區(qū)域的邊界，該區(qū)域?qū)?yīng)于待由所述裝置涂覆的一層彎曲材料層，所述材料用于制作所述固體物體。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，包括對于所述多個虛擬圓柱表面的每一個，將所確定的區(qū)域映射到多個數(shù)據(jù)單元，每個數(shù)據(jù)單元表示用于指示所述裝置在相應(yīng)的點涂覆或不涂覆材料的指令。
27.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中所述多個數(shù)據(jù)單元構(gòu)成多個數(shù)據(jù)單元集，并且每個數(shù)據(jù)單元集對應(yīng)于相應(yīng)的一層彎曲材料層。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中每個單元集至少部分地構(gòu)成單元陣列。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其中接收信息的步驟包括接收將固體物體呈現(xiàn)為多個單元的信息的步驟，并且確定所述交叉的步驟包括確定至少一個所述虛擬圓柱表面與一個或多個所述單元的交叉。
30.如權(quán)利要求四所述的方法，其中每個單元包括三角形，并且確定交叉的步驟包括如下步驟計算與至少一個三角形的一個或多個邊緣的一個或多個交叉點。
31.如權(quán)利要求四所述的方法，其中每個單元包括所述物體的截面，并且確定所述交叉的步驟包括如下步驟確定與至少一個所述截面的交叉。
32.一種確定用于裝置的指令的處理器，該裝置適用于制作固體物體，該處理器包括 接收器，所述接收器適用于接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；以及分解器，所述分解器適用于將所述信息分解成數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)表示待由所述裝置順序地涂覆的多層彎曲材料層，所述材料用于制作所述固體物體。
33.如權(quán)利要求32所述的處理器，其中所述分解器包括半徑和位置確定器，所述半徑和位置確定器適用于確定虛擬圓柱表面的半徑以及所述虛擬圓柱表面的中心軸相對于所述固體物體的呈現(xiàn)形式的位置。
34.如權(quán)利要求32或33所述的處理器，其中所述分解器包括交叉確定器，所述交叉確定器適用于計算所述圓柱表面與一個或多個單元的一個或多個交叉，所述一個或多個單元至少部分地構(gòu)成所述固定物體的呈現(xiàn)形式。
35.如權(quán)利要求32-34中任一項所述的處理器，其中所述分解器包括區(qū)域生成器，所述區(qū)域生成器適用于利用所述交叉確定一區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)于將要涂覆材料的區(qū)域。
36.如權(quán)利要求35所述的處理器，其中所述分解器包括映射器，所述映射器適用于將所述區(qū)域映射到數(shù)據(jù)單元陣列。
37.一種確定用于裝置的指令的處理器，該裝置適用于制作固體物體，該處理器包括接收器，所述接收器適用于接收呈現(xiàn)該固體物體的信息；交叉確定器，所述交叉確定器適用于確定多個虛擬圓柱表面與呈現(xiàn)形式的交叉，每個所述圓柱表面具有不同的半徑；區(qū)域生成器，對于所述多個虛擬圓柱表面的每一個，所述區(qū)域生成器適用于利用所述交叉來確定一區(qū)域的邊界，該區(qū)域?qū)?yīng)于待由所述裝置涂覆的一層彎曲材料層，所述材料用于制作所述固體物體。
38.包括程序指令的處理器可讀有形媒介，所述程序指令在由處理器運行時使得所述處理器執(zhí)行權(quán)利要求19-31中任一項所述的方法。
39.一種用于指示處理器的計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序在由所述處理器運行時使得所述處理器執(zhí)行權(quán)利要求19-31中任一項所述的方法。
40.一種用于制造固體物體的方法，所述方法包括如下步驟提供一裝置，該裝置適用于制作由權(quán)利要求1-18中任一項所限定的固體物體；通過權(quán)利要求19-31中任一項所述的方法來確定用于該裝置的指令；以及向該裝置提供所述指令。
全文摘要
一種適用于制作固體物體(111A)的3D印刷裝置(100)。裝置(100)具有繞著旋轉(zhuǎn)軸(122)可旋轉(zhuǎn)的圓柱表面(104)以及適用于在表面(104)的至少一部分上涂覆材料(120)的涂覆器(101)，材料(120)用于制作固體物體。涂覆器(101)和表面(104)在橫向于軸(122)的方向上相對于彼此可移位。本文還公開了確定用于裝置(100)的指令的方法(600，700)。
文檔編號B29C67/00GK102481729SQ201080038580
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者賈斯汀·埃爾西 申請人:再德克斯私人有限公司