УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ КОМПЬЮТЕРНО-РЕАЛИЗУЕМЫЙ СПОСОБ ЗАДАНИЯ ТОЧЕК ПОСТРОЕНИЯ ОПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБЪЕКТА, ИЗГОТАВЛИВАЕМОГО В ХОДЕ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
IMPROVED COMPUTER-IMPLEMENTED METHOD OF THE MANUFACTURED DURING THE STEREO-LITHOGRAPHIC PROCESS OBJECT SUPPORT ELEMENTS CONSTRUCTION POINTS SETTING

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному компьютерно-реализуемому способу задания на трехмерной модели объекта точек построения опорных элементов указанного объекта в ходе его изготовления посредством стереолитографического процесса.
Настоящее изобретение также относится к компьютерно-реализуемому способу проектирования трехмерной модели объекта, изготавливаемого в ходе стереолитографического процесса, в том числе путем выполнения шагов указанного способа задания точек.
И наконец, настоящее изобретение относится к компьютерным программам и устройствам электронной обработки, выполненным с возможностью осуществления шагов указанных способов согласно настоящему изобретению.
Известно, что стереолитография представляет собой технологию, позволяющую получать трехмерные объекты, основываясь непосредственно на цифровых данных, обработанных посредством программного обеспечения системы автоматического проектирования САПР.
Стереолитографию используют, главным образом, при создании прототипов, так как данная технология позволяет быстро получать трехмерные объекты, даже сложной конструкции, которые можно анализировать и диагностировать перед началом массового производства.
Соответственно, стереолитографический процесс широко используют для подготовки трехмерных моделей объектов, которые будут впоследствии изготовлены, например, с применением технологии литья по выплавляемым моделям.
В ходе стереолитографического процесса, по существу, создают трехмерные объекты путем наложения множества слоев толщиной порядка десятков микрометров, получаемых путем воздействия на жидкую смолу, способную полимеризоваться в присутствии света, избирательной стимуляцией света в областях, соответствующих объему изготавливаемого объекта.
На рынке представлено множество типов стереолитографических машин, среди которых, например, стереолитографические машины, которые, по существу, содержат резервуар, предназначенный для размещения в нем жидкой смолы и в своей нижней части ограниченный прозрачным днищем, а также моделирующую головку.
Моделирующая головка расположена над резервуаром и оснащена плоской поверхностью, служащей опорой для формируемого трехмерного объекта, а также оснащена силовыми средствами, обеспечивающими движение плоской поверхности относительно днища резервуара.
В начале процесса изготовления объекта, плоскую поверхность погружают в жидкую смолу до тех пор, пока она не займет положение на заданном расстоянии от днища, соответствующем толщине первого создаваемого слоя.
Слой смолы, находящийся между днищем резервуара и плоской поверхностью моделирующей головки, избирательно подвергают воздействию лазерного луча, создаваемого лазерным излучателем, расположенным под днищем резервуара и сопряженным с подвижным блоком, совершающим движения в декартовой системе координат.
Таким образом, смола подвергается воздействию электромагнитного излучения только в областях, соответствующих объему изготавливаемого объекта, причем во время затвердевания она прилипает к плоской поверхности моделирующей головки.
После завершения процесса затвердевания моделирующую головку вместе с первым созданным слоем объекта, примыкающим к ней, поднимают для того, чтобы обеспечить возможность восстановления уровня смолы внутри резервуара.
После восстановления уровня смолы в резервуаре, моделирующую головку снова погружают в смолу и повторяют описанные выше операции с тем, чтобы обеспечить нанесение второго слоя, которые прилипает к первому слою, и так продолжают до тех пор, пока не будет завершено изготовление объекта.
Если объект имеет выступающие части или вогнутые участки относительно основания, которые могут сломаться или изогнуться, во время процесса изготовления объекта для поддержания указанных выступающих или вогнутых участков предусматривают специальные стойки, обычно называемые опорными элементами, причем указанные стойки выполняются как одно целое с объектом и удаляются после того, как объект будет закончен.
Однако опорные элементы имеют недостаток, заключающийся в том, что они требуют дополнительного этапа проектирования, который увеличивает общие затраты на производство объекта и время на его изготовление. Данный этап проектирования, как правило, требует активного вмешательства оператора.
Кроме того, недостаток таких опорных элементов состоит в том, что их нельзя использовать повторно при изготовлении других объектов и, соответственно, их выбрасывают, что еще больше повышает затраты на изготовление объекта.
Более того, в случае особо сложных объектов изготовление опорных элементов становится невозможным, что, по сути, ограничивает возможные области применения стереолитографического способа.
Очевидно, что помимо вышеуказанных недостатков, раскрытая технология имеет еще один недостаток, заключающийся в том, что она требует механического удаления опор, в результате чего дополнительно повышаются затраты на изготовление объекта.
Также, удаление опор связано с другим недостатком, которые заключается в вероятности разрушения самого объекта.
В дополнение к вышесказанному, существует еще один недостаток, состоящий в том, что процесс производства объекта замедляется, поскольку стимуляцию материала основания необходимо осуществлять также в областях расположения опор.
Таким образом, чем больше количество изготавливаемых опорных элементов, тем сложнее, медленнее и дороже становятся процессы проектирования и изготовления.
Что касается, в частности, этапа проектирования указанных опорных элементов, согласно известной технологии, то он предусматривает операцию задания, на внешней поверхности трехмерного объекта, точек построения, на уровне которых будут изготовлены указанные опорные элементы. В частности, согласно известному техническому решению точки построения задают после того, как трехмерная модель объекта будет разделена на различные вышеуказанные слои. На практике указанный этап проектирования состоит из операции определения выступающих или вогнутых участков каждого слоя относительно непосредственно примыкающих слоев и шаг определения одной или нескольких точек построения указанных опорных элементов на каждом из указанных участков.
Однако описанная только что технология имеет ряд очень важных недостатков.
Первый недостаток состоит в том, что задание точек построения, выполняемое указанным образом, напрямую зависит от определения слоев, на которые разделяют трехмерную модель изготавливаемого объекта. Таким образом, в случае, если необходимо изменить толщину каждого слоя и, следовательно, изменить разделение самого объекта на слои, то требуется снова выявить указанные выступающие и вогнутые участки относительно непосредственно примыкающих слоев, на которых впоследствии будут заданы точки построения.
Кроме того, еще один недостаток состоит в том, что технология задания точек, известная из уровня техники и раскрытая выше, требует задания значительного количества точек построения указанных опорных элементов, причем очень часто это количество завышено, что приводит к вышеуказанным отрицательным последствиям, в частности - к увеличению времени на выполнение вычислений. Кроме того, поскольку указанные опорные элементы имеют практически случайное взаимное расположение, неудобно выполнять последующую очистку объекта с использованием сжатого воздуха или воды, в связи с тем, что такое расположение затрудняет проникновение указанных текучих сред между опорами.
Более того, выполнение операции по удалению самих опорных элементов, расположенных случайным образом, также является неудобным.
Настоящее изобретение направлено на устранение всех вышеуказанных недостатков.
В частности, одна из целей настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить и реализовать способ задания точек построения опорных элементов на трехмерной модели объекта, который позволяет задавать небольшое количество точек построения и, одновременно с этим, позволяет обеспечить подходящую опору для всего формируемого объекта.
Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить и реализовать способ задания точек, который позволяет задавать указанные точки построения только один раз для каждого объекта, без необходимости повторения этой операции в случае, если требуется изменить толщину слоев, на которые будет разделена трехмерная модель объекта.
Вышеуказанные цели достигаются благодаря компьютерно-реализуемому способу, который является объектом настоящего изобретения, в соответствии с независимым пунктом формулы изобретения.
Остальные признаки предлагаемого в настоящем изобретения способа задания точек построения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В настоящем изобретении также предложен компьютерно-реализуемый способ проектирования трехмерной модели объекта, изготавливаемого в ходе стереолитографического процесса, согласно пункту 10 формулы изобретения.
Более того, настоящее изобретение также относится к компьютерным программам и устройствам электронной обработки, выполненным с возможностью осуществления шагов обоих указанных способов, согласно пунктам 11, 12, 13 и 14 формулы, соответственно.
Преимущество изготовления трехмерного объекта, спроектированного согласно предлагаемому в настоящем изобретении способу, состоит в том, что упрощается процесс его очистки, а также процесс удаления из указанного объекта опорных элементов.
Указанные цели, а также упомянутые здесь преимущества, будут выделены при описании предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 в аксонометрии показан полый шар;
на фиг. 2а и 2b в аксонометрии и на виде сбоку соответственно показан полый шар с фиг. 1, причем выделена поверхность, точки которой ориентированы к референсной плоскости π;
на фиг. 3a и 3b в аксонометрии и на виде сбоку соответственно показан полый шар с фиг. 1, при этом на поверхности, выделенной на 2а и 2b, начерчена сетка точек;
на фиг. 4 на виде сбоку показан полый шар с фиг. 1, на котором задана точка минимума относительно референсной плоскости π;
на фиг. 5а на виде снизу показан полый шар с фиг. 1, на котором выделена точка минимума и сетка точек;
на фиг. 5b на виде снизу показан полый шар с фиг. 1, на котором проиллюстрирован сдвиг точки, принадлежащей сетке точек на уровне точки минимума;
на фиг. 6 на виде снизу показан сплошной шар с фиг. 1, на котором проиллюстрирован сдвиг двух линий сетки точек, в результате которого появляется точка указанной сетки, совпадающая с указанной точкой минимума;
на фиг. 7 в аксонометрии показан полый шар с фиг. 1, разделенный на слои;
на фиг. 8 показана трехмерная модель шара с фиг. 1 в конце процесса реализации предлагаемого в настоящем изобретении способа проектирования;
Далее со ссылкой на фиг. 1, где изображен полый шар 1, раскрыты шаги предлагаемого в настоящем изобретении компьютерно-реализуемого способа задания, на трехмерной модели объекта, точек построения опорных элементов указанного объекта во время его изготовления в ходе стереолитографического процесса.
Важно отметить, что проиллюстрированный трехмерный объект предложен лишь в качестве одного из возможных примеров трехмерного объекта, который можно получить в ходе стереолитографического процесса.
Таким образом, отсылка к полому шару 1 дана лишь для того, чтобы упростить как описание, так и чертежи.
Также следует отметить, что согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, как уже было упомянуто выше, шаги способа выполняют с помощью особой компьютерной программы, тип которой на техническом жаргоне известен как программное обеспечение САПР и которая обеспечивает обработку цифровых данных, относящихся к трехмерной модели изготавливаемого объекта. В частности, указанная компьютерная программа выполнена с возможностью автоматического осуществления шагов предлагаемого в настоящем изобретении способа, то есть, без активного вмешательства оператора.
И наконец, следует подчеркнуть, что с точки зрения вычислений задание указанных точек построения предусматривает определение пространственных координат x, y и z на поверхности изготавливаемого объекта, на уровне которых будут созданы опорные элементы.
Первый шаг предлагаемого способа, как проиллюстрировано на фиг. 2а и 2b, предусматривает задание участка поверхности 2 шара 1, точки которой ориентированы к референсной плоскости π.
Очевидно, что трехмерные объекты, имеющие более сложную конструкцию по сравнению с шаром 1, могут содержать более одной поверхности, которые полностью или частично ориентированы к указанной референсной плоскости π. Таким образом, в случае более сложных объектов предлагаемый способ предусматривает задание всех поверхностей или участков указанных поверхностей, точки которых ориентированы к референсной плоскости π.
Кроме того, следует подчеркнуть, что согласно предлагаемому способу рассматриваемые поверхности или участки поверхностей содержат поверхности объекта, точки которых непосредственно или опосредованно обращены к референсной плоскости π.
Согласно предлагаемому способу после указанного первого шага на участке поверхности 2 шара 1 строят предварительно заданную сетку точек 3.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанная операция построения сетки точек 3 предусматривает сначала выполнение операции задания сетки референсных точек 4 на указанной референсной плоскости π и затем выполнение операции проецирования линий и точек 4 референсной сетки на указанную поверхность 2 шара 1, как схематично показано на фиг. 3a и 3b.
Однако не следует исключать, что в различных вариантах осуществления способа указанный шаг построения может включать в себя операцию непосредственного задания сетки точек на указанной поверхности 2, без создания сетки референсных точек 4 на референсной плоскости π и последующей операции проецирования ее линий и точек на шар 1.
Что касается предпочтительного варианта осуществления способа, раскрытого и представленного в настоящем описании, то сетка референсных точек 4, используемая для определения указанных точек построения, представляет собой сетку с прямоугольными ячейками, заданными первым множеством параллельных линий 41 и вторым множеством параллельных линий 42, причем указанные множества линий расположены под прямыми углами относительно друг друга. В данном случае указанные точки референсной сетки 4 соответствуют точкам пересечения двух множеств линий 41 и 42, расположенных под прямыми углами относительно друг друга.
В частности, предпочтительно, но не обязательно, точки сетки заданы так, что они равноудалены друг от друга.
Расстояние между каждой из указанных точек можно задать автоматически с использованием масштабного коэффициента, который учитывает расширение конкретной поверхности, на которой следует построить сетку, или оператор может заранее записать его в параметрической форме.
В соответствии с одним из вариантов осуществления способа, это может предусматривать задание как сетки референсных точек 4, так и сетки точек 3 на поверхности 2, в виде сетки с треугольными ячейками, согласно которой точки сетки соответствуют вершинам треугольников, заданных ею.
Кроме того, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения и сетка референсных точек 4, и сетка точек 3 на поверхности 2 могут иметь любое распределение точек.
После указанного шага задания сетки точек 3 на поверхности 2 шара 1, предпочтительно, но не обязательно, предлагаемый способ требует того, чтобы положение сетки точек 3 было подогнано таким образом, чтобы одна из ее линий точек накладывалась на каждый из краев указанной поверхности 2.
Кроме того, предпочтительно, согласно предлагаемому способу указанная сетка точек 3 подогнана так, что одна из ее линий точек накладывается на каждую ось симметрии поверхности 2, причем последняя проходит параллельно указанным линиям точек сетки 3.
Однако не следует исключать того, что в альтернативных вариантах осуществления способа такие операции подгонки не выполняют.
Согласно предлагаемому способу следующий его шаг состоит в задании, на указанной поверхности 2, локальных точек 5 минимума относительно находящейся ниже референсной плоскости π.
В данном конкретном случае, как показано на фиг. 4, определяют единственную локальную точку 5 минимума, далее для упрощения именуемую точкой 5 минимума.
Очевидно, что в случае, когда изготавливаемый объект имеет конфигурацию, которая с точки зрения геометрии является более сложной по сравнению с указанным шаром 1, каждая рассматриваемая поверхность может иметь несколько локальных точек минимума относительно референсной плоскости π. Следует подчеркнуть, что в настоящем описании под термином «локальная точка минимума» также понимается вершина выступа, обращенного к указанной референсной плоскости π.
В общем, указанная операция задания возможной одной или более локальных точек минимума соответствует определению точек поверхности, которые создают наибольшие трудности с точки зрения конструкции при изготовлении объекта в ходе стереолитографического процесса. Таким образом, на уровне указанных локальных точек минимума необходимо создать опорный элемент.
Для этого, обратимся снова к фиг. 4, на которой изображен примерный шар 1. Согласно настоящему изобретению, после определения указанной точки 5 минимума сетку точек 3, заданную на поверхности 2, подгоняют таким образом, что одна из ее точек по существу совпадает с указанной точкой 5 минимума.
Очевидно, что в случае определения нескольких локальных точек минимума на более сложной поверхности по сравнению с поверхности 2 указанный шаг предусматривает подгонку сетки таким образом, что для каждой из указанных локальных точек минимума положение одной из точек сетки 3 меняется для обеспечения их совпадения друг с другом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения такой шаг подгонки предусматривает изменение положения точки 33 сетки 3, которая геометрически является ближайшей к указанной точке 5 минимума, что проиллюстрировано на фиг. 5а. Благодаря такому изменению положения указанная ближайшая точка 33, по существу, совпадает с точкой 5 минимума, при этом положение остальных точек сетки 3 остается неизменным, как схематично показано на фиг. 5b.
Альтернативно, как схематично показано на фиг. 6, предлагаемый способ в качестве шага подгонки может включать в себя шаг изменения положения двух линий точек 34 и 35, содержащих указанную ближайшую точку 33, чтобы последняя, по существу, совпадала с точкой 5 минимума, а положения остальных линий точек сетки 3, заданной на поверхности 2, оставались неизмененными.
Кроме того, согласно еще одному варианту осуществления способа указанный шаг подгонки сетки точек 3 может предусматривать абсолютное изменение положения указанной сетки точек 3, для того, чтобы указанная ближайшая точка 33 совпадала с определенной точкой 5 минимума.
И наконец, согласно заявленному способу, точки, принадлежащие указанной подогнанной сетке 3, определяют как точки построения 6 опорных элементов указанной поверхности 2.
Предпочтительно согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения добавляют дополнительные точки построения 6 указанных опорных элементов на уровне краев поверхности 2, в случае, если указанные точки 6 не были определены на указанных краях.
Однако не стоит исключать того, что в альтернативных вариантах осуществления способа указанный последний шаг могут и не выполнять.
Как уже отмечалось выше, настоящее изобретение относится также к компьютерно-реализуемому способу проектирования трехмерной модели объекта 1, пригодного для изготовления в ходе стереолитографического процесса. Кроме того, в данном случае способ проектирования предпочтительно реализован посредством особого программного обеспечения САПР для изменения характеристик трехмерной модели объекта путем манипуляции соответствующими цифровыми данными.
Согласно настоящему изобретению указанный способ проектирования требует, в первую очередь, вычерчивания трехмерной модели объекта 1. Далее, указанный способ проектирования предусматривает выполнение шагов раскрытого выше способа задания точек построения опорных элементов.
Согласно предлагаемому способу проектирования только в конце указанной операции задания точек построения трехмерную модель объекта делят на множество слоев 10 предварительно заданной толщины, манипулируя связанными цифровыми данными, как показано на фиг. 7 со ссылкой на шар 1. На данном чертеже толщина каждого слоя 10 представлена в увеличенном масштабе исключительно для того, чтобы обеспечить более четкое представление о ней.
Ясно, что слои 10 заданы так, чтобы они были параллельны референсной плоскости π.
И наконец, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанные опорные элементы 7 создают на уровне указанных точек построения 6.
Однако не стоит исключать того, что в различных вариантах осуществления способа проектирования указанный шаг создания опорных элементов 7 выполняют перед шагом деления трехмерной модели объекта 1 на слои.
Конечный результат реализации указанного способа проектирования на сплошном шаре 1 с фиг. 1 представлен на фиг. 8.
Как было пояснено ранее, задание координат x, y и z точек построения опорных элементов перед делением объекта на слои обеспечивает преимущество, состоящее в том, что отсутствует необходимость повторения указанной операции задания всякий раз, когда требуется изменить толщину слоев и, тем самым, изменить сам процесс деления объекта.
В конце выполнения способа проектирования цифровые данные, связанные с трехмерной моделью заданного объекта, передают в стереолитографическую машину для изготовления. Данные обрабатываются в стереолитографической машине так, чтобы ориентировать указанную референсную плоскость π параллельно плоской поверхности указанной стереолитографической машины.
Как уже было упомянуто выше, настоящее изобретение также относится к компьютерной программе, содержащей часть программного кода для выполнения шагов указанного способа задания точек согласно настоящему изобретению, при запуске компьютерной программы в устройстве электронной обработки.
Кроме того, настоящее изобретение также относится к компьютерной программе, содержащей часть программного кода для выполнения шагов способа проектирования согласно настоящему изобретению, при запуске указанной компьютерной программы в устройстве электронной обработки.
В частности, обе указанные компьютерные программы составлены посредством соответствующего программного обеспечения САПР, выполненного с возможностью осуществления шагов указанных способов.
Кроме того, настоящее изобретение также относится к электронному обрабатывающему устройству, содержащему средство хранения данных, в котором хранится часть программного кода компьютерной программы для выполнения предлагаемого способа задания точек, а также средство обработки данных, например, микропроцессор, выполненное с возможностью осуществления шагов указанного способа.
И наконец, настоящее изобретение также относится к электронному обрабатывающему устройству, содержащему средство хранения, в котором хранится часть программного кода компьютерной программы для выполнения предлагаемого способа проектирования, а также средство обработки данных, например, микропроцессор, выполненное с возможностью осуществления шагов указанного способа проектирования.
Таким образом, согласно вышесказанному, предлагаемые способы, связанные компьютерные программы и указанные электронные обрабатывающие устройства обеспечивают решение всех поставленных задач.
В частности, настоящее изобретение обеспечивает решение задачи, которая состоит в том, чтобы предложить способ задания точек построения опорных элементов на трехмерной модели объекта, который позволяет задавать уменьшенное количество точек построения и одновременно обеспечивает подходящую опору, получаемую для различных слоев, составляющих формируемый объект.
Настоящее изобретение также обеспечивает решение задачи, которая состоит в том, чтобы предложить способ задания точек, который позволяет задавать указанные точки построения только один раз для каждого объекта, без необходимости повторения указанной операции при изменении толщины слоев, на которую следует разделить трехмерную модель объекта.