СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЧИСЛОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ОБЪЕКТА, ЧИСЛОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЦЕЛЯХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ОБЪЕКТА ПОСРЕДСТВОМ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ
THREE-DIMENSIONAL OBJECT NUMERICAL REPRESENTATION GENERATION METHOD AND DEVICE, NUMERICAL REPRESENTATION, INTENDED FOR APPLICATION FOR THE THREE-DIMENSIONAL OBJECT MANUFACTURING BY MEANING OF STEREO LITHOGRAPHY

Настоящее изобретение относится к способу для формирования набора данных, представляющих геометрию трехмерного объекта, подлежащего изготовлению посредством стереолитографии.
Настоящее изобретение также относится к устройству для формирования указанного набора данных, а также компьютерному программному продукту, предназначенному для загрузки в компьютер, чтобы сделать последний пригодным для осуществления указанного способа
Как известно, процесс стереолитографии заключается в изготовлении трехмерного объекта путем последовательного наложения друг на друга нескольких слоев этого объекта.
Каждый слой объекта получают посредством отверждения путем выборочного воздействия световым излучением на материал в жидком или пастообразном состоянии, который находится в контакте с предыдущим отвержденным слоем, который служит опорой.
В общем, процесс требует, чтобы были предусмотрены поддерживающие элементы, чтобы соединять одну или более поверхностей трехмерного объекта с соответствующими обращенными к ним референсными поверхностями.
Указанные поддерживающие элементы дают возможность избежать разрушения и/или деформации тех областей новых слоев, подлежащих отверждению, которые непосредственно не поддерживаются уже отвержденными слоями.
Управление указанным процессом осуществляют посредством компьютера, в который передают первый набор данных, представляющий геометрию трехмерного объекта, подлежащего изготовлению.
Компьютер исполняет программу, которая добавляет поддерживающие элементы более или менее автоматически, и генерирует второй набор данных, представляющий трехмерную геометрию, которая получается в результате объединения объекта с поддерживающими элементами.
Указанный второй набор данных затем используется стереолитографической машиной для фактического изготовления объекта.
Характерные примеры вышеупомянутой процедуры приведены в публикации «Компьютерно-реализуемое проектирование поддерживающих структур для стереолитографических компонентов» (Kirschman et al, "Computer-Aided Design of Support Structures for Stereolithographic Components" - Proceedings of the 1991 ASME Computers in Engineering Conference - Santa Clara, 1991), и в публикации «Компьютерно-реализуемое проектирование поддерживающих структур для стереолитографических моделей» (Webb et al. "Computer-Aided Support Structure Design for Stereolithography Models" - Proceedings of the Fifth International Conference on Rapid Prototyping - 1994: June 12-15, 1994 - The Dayton Convention and Exhibition Center, Dayton Ohio USA/ Sponsored by the Rapid Prototype Development Laboratory, The Management Development, June 1994 (1994-06), pages 221-225).
Недостаток указанного известного способа заключается в том, что часто поддерживающие элементы, которые получены данным способом, не обладают оптимальной геометрией.
В частности, может случиться, что несущее сечение поддерживающих элементов оказывается излишне большим, что приводит к избыточному расходу материала и увеличению времени, которое требуется для изготовления объекта, и дополнительно создает больше трудностей в конце процесса, когда объект очищают.
В других случаях, например, на уровне особо важных сечений объекта, может оказаться, что несущее сечение соответствующих поддерживающих элементов является недостаточным, и вызывает повреждение объекта во время его изготовления.
Кроме того, следует учитывать, что геометрия поддерживающих элементов зависит также от материала, который используется для изготовления трехмерного объекта.
Поэтому, может случиться так, что, уже сформировав поддерживающие элементы, исходя из данного материала, который предполагается использовать, оператор впоследствии решает поменять материал, и таким образом возникает необходимость модифицировать поддерживающие элементы.
В вышеопределенных случаях, согласно известной технологии, оператор модифицирует геометрию объекта, которая получается после добавления поддерживающих элементов, путем добавления или удаления материала в зонах, соответствующих поддерживающим элементам; при этом указанные операции выполняют посредством подходящей программы 3-D моделирования, которая переносит соответствующие изменения во второй набор данных.
Только что упомянутая операция имеет недостаток, состоящий в том, что она довольно сложная и требует значительного времени для вычислений.
Другой известный способ заключается в модификации параметров, используемых программой для формирования поддерживающих элементов, прежде чем определять последние, и в последовательном повторном формировании второго набора данных.
Однако, указанный другой способ в любом случае требует, чтобы имел место первый акт формирования второго набора данных; и кроме того не позволяет модифицировать поддерживающие элементы индивидуально.
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении вышеуказанных недостатков, которые относятся к существующему уровню техники.
В частности, задача настоящего изобретения заключается в создании способа для формирования числового представления трехмерного объекта, оснащенного поддерживающими элементами, который позволяет оператору легко модифицировать поддерживающие элементы.
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании способа, который позволяет оператору модифицировать поддерживающие элементы, прежде чем формировать базу данных, которая определяет трехмерную геометрию, представляющую объединение объектов с поддерживающими элементами.
Также задача настоящего изобретения заключается создании способа, который позволяет оператору легко модифицировать каждый поддерживающий элемент независимо от других поддерживающих элементов.
Указанные задачи решаются посредством способа, соответствующего пункту 1 формулы изобретения.
Дополнительные характеристики и подробности способа, которые составляют предмет изобретения, раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Указанные задачи также решаются посредством устройства в соответствии с п. 12 и посредством компьютерного программного продукта в соответствии с п. 13 формулы изобретения.
Преимущество изобретения заключается в возможности простой модификации поддерживающих элементов после того как они были определены, но до формирования второй базы данных, что дает возможность оператору быстрее моделировать поддерживающие элементы.
И еще преимущество изобретения заключается в том, что оператор может легко оптимизировать геометрию поддерживающих элементов таким образом, чтобы ограничить время, необходимое для изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии, и количество материала, используемого в указанном процессе.
Указанные задачи изобретения и его преимущества, наряду с другими, которые будут освещены ниже, будут понятны из приведенного ниже определения предпочтительного варианта осуществления изобретения, который показан на примере, который не несет ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически изображен способ, соответствующий изобретению,
на фиг. 2 схематически изображена структура данных, используемая в способе, соответствующем изобретению,
на фиг. 3 изображен трехмерный объект,
на фиг. 4 изображен трехмерный объект, полученный путем объединения трехмерного объекта, изображенного на фиг. 3, с множеством поддерживающих элементов,
на фиг. 5 изображен увеличенный фрагмент трехмерного объекта, изображенного на фиг. 4, и
на фиг. 6 схематически изображен трехмерный объект фиг. 4, разделенный на слои.
Способ, т.е. объект настоящего изобретения, предназначенный для формирования числового представления трехмерного объекта 11, подлежащего изготовлению посредством стереолитографии, схематически изображен на фиг. 1 и содержит операции, которые будут рассмотрены ниже.
Во-первых, способ включает в себя операцию подготовки первого набора 1 данных, представляющих геометрию трехмерного объекта 11, подлежащего изготовлению, иллюстративный пример которого представлен на фиг. 3.
Затем, последовательно определяют одну или более первых поверхностей 13, 13а трехмерного объекта 11, которые необходимо поддерживать, и которые в качестве примера указаны на фиг. 4.
Очевидно, что первые поверхности 13, 13а могут быть определены как посредством математического алгоритма, так и путем выбора вручную, выполняемого оператором.
Аналогично, определяют референсные поверхности 14, 14а, которые обращены к указанным первым поверхностям 13, 13а, и подходят для поддержания первых поверхностей.
Референсные поверхности 14, 14а могут быть определены как соответствующие поверхности, принадлежащие трехмерному объекту 11, или как поверхности, которые отделены от самого трехмерного объекта 11.
Первый вариант предпочтительно выбрать для первой поверхности 13, которая принадлежит полости, создаваемой внутри трехмерного объекта 11.
В данном случае соответствующей референсной поверхностью 14 является противоположная поверхность, принадлежащая той же самой полости.
Второй вариант предпочтительно выбирать, когда первая поверхность 13а является наружной поверхностью трехмерного объекта 11.
В данном втором случае соответствующую референсную поверхность 14а определяют так, чтобы она была расположена на определенном расстоянии от исходного трехмерного объекта 11.
В данном случае, указанная референсная поверхность 14а предпочтительно принадлежит несущему основанию 21, которое формируют снаружи трехмерного объекта 11.
Несущее основание 21, показанное на фиг. 4, служит для опирания объекта на моделирующую платформу стереолитографической машины во время изготовления самого трехмерного объекта 11 в целях улучшения связи объекта с моделирующей платформой.
Кроме того, способ содержит операцию определения множества поддерживающих элементов 15, которые соединяют первые поверхности 13, 13а с соответствующими референсными поверхностями 14, 14а, как в качестве примера показано на фиг. 4.
Способ также содержит операцию вычисления второго набора 2 данных, представляющего модифицированный трехмерный объект 12, получающийся в результате объединения трехмерного объекта 11 с множеством поддерживающих элементов 15, как было определено выше, и с несущим основанием 21, если таковое имеется.
Согласно изобретению, поддерживающие элементы 15 определяют посредством соответствующих геометрических параметров.
Точнее, для каждого поддерживающего элемента 15 определяют следующее: первую точку Х1 на соответствующей первой поверхности 13, 13а, вторую точку Х2 на соответствующей референсной поверхности 14, 14а, и n геометрических параметров Р1…Рn, подходящих для того, чтобы полностью определить трехмерную геометрию самого поддерживающего элемента 15 на основании стандартного определения поддерживающих элементов.
Ясно, что n может изменяться от единицы до любого числа в зависимости от числа степеней свободы, которое планируется использовать для определения поддерживающих элементов 15.
Пример геометрических параметров, которые можно использовать, будет приведен ниже.
Следует понимать, что каждый поддерживающий элемент 15 полностью определен координатами 7 конечных точек Х1 и Х2, и геометрическими параметрами Р1…Рn, которые определяют его трехмерное развитие.
В частности, процедура определения поддерживающих элементов 15 содержит формирование третьего набора 3 данных, содержащего указанные координаты 7, а также значения 8 геометрических параметров Р1…Рn для каждого поддерживающего элемента 15.
Третий набор 3 данных используют для формирования числового представления каждого поддерживающего элемента 15, которое затем используют при вычислении второго набора 2 данных.
Структура вышеопределенных данных схематически представлена на фиг. 2, где координаты точек Х1 и Х2, и геометрические параметры Р1…Рn, соответствующие каждому поддерживающему элементу 15, условно обозначены индексами от 1 до m в скобках, где m - число поддерживающих элементов.
Другими словами, координаты конечных точек и геометрические параметры i-гo поддерживающего элемента 15 условно обозначены X1(i), X2(i) и P1(i)…Pn(i).
Следует понимать, что указанная структура данных делает возможной модификацию любого i-гo поддерживающего элемента 15 путем модификации связанных с ним геометрических параметров P1(i)…Pn(i).
Это дает возможность модифицировать геометрию поддерживающих элементов 15 простым, быстрым и интерактивным способом, даже после того, как они были определены, и перед вычислением второго набора 2 данных.
Кроме того, тот факт, что каждый поддерживающий элемент 15 определен посредством конкретных геометрических параметров, позволяет модифицировать поддерживающий элемент 15 независимо от других поддерживающих элементов, что таким образом решает другую задачу изобретения.
Следовательно, в предпочтительном варианте способ содержит операцию модификации третьего набора 3 данных так, чтобы модифицировать значения 8 одного или более геометрических параметров Р1…Рn, соответствующих по меньшей мере одному из поддерживающих элементов 15.
Последовательным образом производится регенерация числового представления модифицированного поддерживающего элемента 15, и затем обновляется второй набор 2 данных.
Преимуществом является то, что указанное обновление не требует полного пересчета второго набора 2 данных, что дает возможность ограничить регенерацию только модифицируемым поддерживающим элементом.
В предпочтительном варианте определение поддерживающих элементов 15 содержит формирование четвертого набора 4 данных, содержащего референсное значение 9 для каждого геометрического параметра Р1…Рn. Геометрические параметры, соответствующие указанным референсным значениям 9, на фиг. 2 обозначены Р1*…Рn*, чтобы отличать их от геометрических параметров каждого поддерживающего элемента.
Указанные референсные значения 9 используются при формировании третьего набора 3 данных, при этом каждому геометрическому параметру Р1…Рn, который соответствует каждому поддерживающему элементу 15, присваивается соответствующее референсное значение 9 из четвертого набора 4 данных.
Преимущество в том, что указанный четвертый набор 4 данных дает возможность изначально присвоить аналогичные референсные значения 9 параметрам Р1…Рn всех поддерживающих элементов 15.
Понятно, что референсные значения 9 могут быть определены исходя из геометрии трехмерного объекта 11, материала, который предполагается использовать для изготовления объекта, толщины каждого слоя, на которые предполагается разделить трехмерный объект для изготовления, и т.п.
В предпочтительном варианте способ содержит также операцию модификации четвертого набора 4 данных таким образом, чтобы изменить референсное значение 9, соответствующее одному или более геометрическим параметрам Р1*…Рn*.
Модифицированные таким образом референсные значения 9 могут быть присвоены соответствующим геометрическим параметрам Р1…Рn двух или более поддерживающих элементов 15, предпочтительно всех поддерживающих элементов 15, посредством соответствующей модификации третьего набора 3 данных.
Последовательным образом будет повторено вычисление второго набора 2 данных на основании третьего набора 3 данных, модифицированного, как было указано выше.
Следует понимать, что возможность модификации четвертого набора 4 данных благоприятным образом дает возможность модифицировать два или более поддерживающих элементов 15 за одну операцию.
В предпочтительном варианте способ содержит также определение пятого набора 5 данных, содержащего набор заранее заданных референсных значений 10 геометрических параметров Р1…Рn для каждого материала из множества материалов, которые пригодны для использования в целях изготовления типичного трехмерного объекта посредством стереолитографии, и которые определены заранее.
На фиг. 2 геометрические параметры каждого набора обозначены звездочкой с индексом от 1 до s в скобках, где s - число разных материалов.
Другими словами, определенный набор геометрических параметров, относящийся к j-му материалу, обозначен P1*(j)…Pn*(j).
В предпочтительном варианте формирование четвертого набора 4 данных включает в себя операцию выбора одного из указанных материалов, и присвоения референсным значения 9 четвертого набора 4 данных соответствующих заранее заданных референсных значений 10, которые соответствуют самому материалу и содержатся в пятом наборе 5 данных.
Преимущество состоит в том, что определенный выше пятый набор 5 данных дает возможность просто и быстро присваивать референсные значения 9 геометрическим параметрам Р1…Рn поддерживающих элементов 15, исходя из типа материала, из которого планируется изготовлять трехмерный объект 11.
Предпочтительно, чтобы указанные первый, второй и третий наборы 1,2,3 данных были сохранены в устройстве памяти компьютера.
Предпочтительно, чтобы также наборы 4 и 5 данных были сохранены в том же устройстве памяти компьютера.
Что касается геометрических параметров Р1…Рn, то в предпочтительном варианте в их число входят один или более из следующих параметров:
поперечный размер типичного поддерживающего элемента 15;
отношение поперечного размера поддерживающего элемента 15 к длине поддерживающего элемента 15;
размер сферы 16, которая определяет по меньшей мере один конец поддерживающего элемента 15, как показано на фиг. 5;
глубина 17 проникновения указанной сферы 16 в соответствующую первую поверхность 13, 13а или в соответствующую референсную поверхность 14, 14а поддерживающего элемента 15;
максимальное число ветвей 18 на уровне по меньшей мере одного конца поддерживающего элемента 15;
максимальный наклон 19 указанных ветвей 18 относительно направления 20 развития поддерживающего элемента 15.
Понятно, что к приведенному перечню могут быть добавлены дополнительные геометрические параметры, представляющие соответствующее число геометрических аспектов поддерживающих элементов 15.
В предпочтительном варианте, второй набор 2 данных, полученный вышеопределенным способом, используют в процессе изготовления трехмерного объекта 11 посредством стереолитографии.
В соответствии с этим процессом вычисляют шестой набор 6 данных, который представляет множество двумерных и взаимно параллельных сечений 22 трехмерного объекта, который описывается вторым набором 2 данных, как для примера показано на фиг. 6.
Следовательно, шестой набор 6 данных включает в себя, помимо трехмерного объекта 11, также поддерживающие элементы 15 и несущее основание 21, если таковое имеется.
Указанный шестой набор 6 данных затем используют в стереолитографической машине для получения множества твердых слоев, соответствующих указанному множеству двумерных сечений 22.
Как уже упоминалось, изобретение также относится к устройству для формирования указанного числового представления трехмерного объекта 11.
Указанное устройство содержит компьютер, который не показан на чертежах, но является по сути известным. Компьютер оснащен процессорным устройством и устройством памяти, к которому процессорное устройство может иметь доступ.
Аппарат также содержит средства для получения первого набора 1 данных, представляющего геометрию трехмерного объекта 11, и для загрузки первого набора данных в устройство памяти.
Устройство также содержит средства для определения первых поверхностей 13, 13а и референсных поверхностей 14, 14а, а также средства для определения поддерживающих элементов 15.
В частности, средства для определения поддерживающих элементов 15 включают в себя средства для задания первой точки Х1, второй точки Х2, и геометрических параметров Р1…Рn каждого поддерживающего элемента 15, а также средства для формирования третьего набора 3 данных и его загрузки в устройство памяти.
В частности, средства для вычисления второго набора 2 данных включают в себя средства для формирования числового представления каждого поддерживающего элемента 15 на основании указанного третьего набора 3 данных.
Как уже упоминалось, настоящее изобретение также относится к компьютерному программному продукту, представляющему информационное обеспечение, и оснащенному программными блоками, выполненными таким образом, что при их исполнении в компьютере компьютер настраивается на реализацию раскрытого выше способа согласно настоящему изобретению.
В частности, указанные программные блоки при их выполнении на компьютере образуют средства для получения первого набора 1 данных и его загрузки в устройство памяти, средства для определения первых поверхностей 13, 13а, референсных поверхностей 14, 14а и поддерживающих элементов 15, которые их соединяют, как это было определено выше, а также средства для вычисления второго набора 2 данных, и его загрузки в устройство памяти.
На практике оператор получает первый набор 1 данных, представляющий трехмерный объект 11.
Первый набор 1 данных может быть задан в любом формате известного типа, например, DWG, STEP, IGES, PRT, STL или в любом другом формате при условии, что он пригоден для числового представления трехмерной геометрии.
Первый набор 1 данных может быть сформирован, например, при помощи программы трехмерного моделирования, или трехмерного оптического считывателя, или посредством любого другого устройства, способного генерировать числовое представление трехмерного объекта 11.
Оператор сохраняет первый набор 1 данных в устройстве вышеопределенного типа, и запускает исполнение записанной в устройстве программы, которая описывает поддерживающие элементы 15 и генерирует соответствующий третий набор 3 данных.
Если необходимо, то прежде чем запускать указанную программу, оператор может задать четвертый набор 4 данных, содержащий референсные значения 9 геометрических параметров Р1*…Рn*.
Затем устройство делает указанные данные доступными для оператора, предпочтительно транслируя их в графический формат.
Оператор затем может модифицировать геометрические параметры Р1…Рn одного или более поддерживающих элементов 15, модифицируя третий набор 3 данных, или модифицируя множество поддерживающих элементов 15 путем вмешательства в референсные значения 9, содержащиеся в четвертом наборе 4 данных.
Последовательным образом программа генерирует второй набор 2 данных, представляющий трехмерный объект 11 с поддерживающими элементами 15, модифицированными, как это требуется пользователю, а также с несущим основанием 21, если таковое имеется.
В соответствии с вышеизложенным следует понимать, что указанные способ и устройство для формирования числового представления, а также вышеопределенный компьютерный программный продукт решают все поставленные задачи изобретения.
В частности, определение поддерживающих элементов, основанное на конечных точках и на геометрических параметрах, которые определяют их трехмерную конфигурацию, а также организация конечных точек и геометрических параметров в третьем наборе данных, позволяет легко изменять форму поддерживающих элементов после их определения.
Кроме того, поскольку третий набор данных содержит геометрические параметры каждого поддерживающего элемента, которые не зависят от геометрических параметров остальных поддерживающих элементов, имеется возможность легко модифицировать каждый поддерживающий элемент независимо от других поддерживающих элементов.