用于微结构的3D打印的系统、方法和文件格式技术方案

提供用于打印3D微结构的系统、方法和新文件格式。在一些实施方式中，提供了新文件格式，该文件格式通过表示为线集合的线框模型来定义3D对象。因为在新文件格式中定义了线及其参数，所以可以更有效和快速地处理对象以支持3D渲染操作。这些方法可以用于印刷新制品，诸如睫毛、刷子、拭子和其他新颖项目。拭子和其他新颖项目。拭子和其他新颖项目。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于微结构的3D打印的系统、方法和文件格式
[0001]相关申请
[0002]本申请是于2020年3月25日提交的标题为“SYSTEMS,METHODS AND FILE FORMAT FOR 3D PRINTING OF MICROSTRUCTURES(用于微结构的3D打印的系统、方法和文件格式)”的美国申请序列号62/994,582的临时(35USC 119(e))的非临时，并且本申请是于2020年7月30日提交的标题为“SYSTEMS,METHODS AND FILE FORMAT FOR 3DPRINTING OF MICROSTRUCTURES(用于微结构的3D打印的系统、方法和文件格式)”的美国申请序列号63/058,782的临时(35USC 119(e))的非临时。这些申请的全部内容通过引用以其整体并入本文。
[0003]受版权保护的材料的通知
[0004]在美国和其它国家的版权法下，本专利文献中的部分材料受到版权保护。版权的所有者不反对任何人对专利文献或专利公开的复制，因为它出现在美国专利商标局公开可用的文件或记录中，但是无论如何都保留所有版权。版权所有者因此不放弃使本专利文档保持保密的任何权利，包括但不限于根据37C.F.R.
§
1.14的权利。

技术介绍

[0005]存在许多不同类型的用于从数字3D模型构造三维对象的3D打印技术。3D打印过程可以使用各种过程，其中使用计算机控制来沉积、接合或固化材料，以使用塑料、液体或粉末颗粒以及其它材料来创建对象。

技术实现思路
<br/>[0006]最近的3D打印技术可以允许复杂的几何形状(geometries)，而这些复杂的几何形状难以或不可能用常规制造技术来制造。在一些实施例中，专利技术人意识到，可以使用高分辨率立体光刻3D打印，特别是数字光处理(DLP)打印技术，其允许小于100μm的打印分辨率。高分辨率3D打印可以允许人们产生复杂的结构以减轻对象重量、构造超材料、实现仿生设计或简单地实现美学表面纹理。
[0007]尽管已经提高近来的3D打印机的分辨率，但是直接打印诸如毛皮、羽毛、微格子(microlattice)或编织织物的非常致密的微结构是不切实际的。这可能主要是由于缺乏具有精细材料结构的CAD模型的有效数字表示。通常，3D打印机和相关的CAD/CAM设计软件通常被优化用于处理中到大规模的固体对象。这些对象可以用三角网格(mesh)来忠实地表示，其可以在各方之间转变为.stl或其它网格类型的数据格式。它们的特征还在于它们的平滑的光洁度，这已经成为最新3D打印机的主要特征。然而，当涉及表示和处理密集微结构时，表示这些微结构的文件变得非常大，并且将这些复杂结构切片以用于打印也可能是计算昂贵的。
[0008]在本文所述的一些实施例中，提供了用于打印3D微结构的系统、方法和新文件格式。这种微结构可以具有例如从0.001到5mm的高精度特征。这些特征可以包括表面浮雕纹理、三维编织结构、网格、毛皮或羽毛状结构。这些小的特征通常需要高保真度以捕获柔软
性、拉伸性和触感的细微差别。利用常规CAD方法，每个单股的精确3D模型在理论上可以产生这些细微差别的高保真度表示，但是这种文件将非常大并且将难以处理和打印。例如，典型的毛皮样本每平方英寸可能包含数千个毛状物(hair)，意味着具有数百万个三角形的简单服装设计可能是麻烦且不切实际的。
[0009]为了解决文件经济性和几何保真度之间的这种两难问题，提供了一种用于表示3D微结构的新文件格式(本文称为MESO格式(.MESO或.meso))，以用作设计者和3D打印机之间的高级接口。在一些实施例中，该文件交换格式建立了用于我们的打印生态系统内的计算设计和数据传输的有效工作流，以从草图和设计得到完成的打印。
[0010]在一些实施例中，提供了.meso文件格式和切片过程，其为材料设计和工程打开了新空间。一个目标是支持设计者和工程师对先前被认为在计算上昂贵或不可能的密集微结构进行建模。具体地，这种密集结构可以用于如下进一步概述的不同应用。这样的实施例可以允许一个或多个改进，包括：
[0011]减少材料使用和重量：大块固体结构可以被精心设计的微格子结构代替。在一些实施例中，格子的几何形状(geometry)确定设计的总体机械性质。这样，制造商可以减少用于3D打印的材料，并且减少整体设计的重量。
[0012]机械超材料：通过结合微顺应性、接合或铰链结构，提供了设计和制造表现出负泊松比的机械超材料(例如，在与所施加的力垂直的方向上变厚并且因此具有高能量吸收和抗断裂性的拉胀结构或材料)的能力。这样，可以产生表现出某些结构特性的新机械元件。
[0013]仿生设计：天然材料可以优于人造材料，这主要是由于它们的分层结构。像毛皮或羽毛的材料难以用传统的CAD软件来建模，并且难以用其它制造方法来精确地复制。在本文所述的一些实施方式中，大幅降低了建模的复杂性，同时保持了用于3D打印的这种结构的密度和精细细节。
[0014]定制的表面纹理：商业上使用的许多物理产品包含表面纹理，诸如皱纹、凹痕、凸起、浮雕等。根据一些实施例，可以以极高的分辨率设计和制造这样的纹理。这种纹理可以容易地个体地定制，而不是大量生产。
[0015]根据一个方面，提供了包括数据结构的用于表示3D对象的数据格式。格式包括：节点信息，其识别3D线框对象内的多个3D坐标；线信息，其识别共同识别3D线框对象内的线对象的多个节点；以及外壳信息，其识别线对象附接到的表面，其中，数据结构的解释用于控制3D打印操作。根据一个实施例，数据结构还包括填充(populate)函数，填充函数定义线对象到表面上的多个点的重复复制。根据一个实施例，数据结构还包括混合函数，混合函数适于混合至少两个几何形状。根据一个实施例，数据结构还包括网格信息，网格信息描述传统(legacy)网格几何形状。根据一个实施例，数据结构还包括分支函数，分支函数描述附接到线对象的一个或多个子对象。根据一个实施例，数据结构还包括控制线对象的厚度、形状和/或扭曲中的至少一个的参数。根据一个实施例，数据格式在由计算机系统接收和解释时渲染3D对象的表示。根据一个实施例，数据结构用于生成3D拭子或涂抹器。根据一个实施例，数据结构用于生成至少两个设计的混合设计。
[0016]根据一个方面，提供了一种用于处理3D对象的数字表示的方法。方法包括：提供3D对象的线框表示，线框表示定义至少一个线；确定待处理的3D对象的切片；针对所确定的切片确定至少一个相交点，至少一个相交点定义线框表示的至少一个线与3D对象的切片的相
交；以及针对相交点确定要渲染的与相交点相关的对应形状。根据一个实施例，要渲染的与相交点相关的对应形状的动作还包括基于至少一个线的至少一个参数来确定对应形状。根据一个实施例，至少一个参数包括包含线对象的厚度、形状和扭曲的组中的至少一个或多个。根据一个实施例，确定要渲染的与相交点相关的对应形状的动作还包括基于切片和至少一个线之间的相交角度来确定对应形状。根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种包括数据结构的用于表示3D对象的数据格式，所述数据格式包括：节点信息，所述节点信息识别3D线框对象内的多个3D坐标；线信息，所述线信息识别共同识别所述3D线框对象内的线对象的多个节点；以及外壳信息，所述外壳信息识别所述线对象附接到的表面，其中，所述数据结构的解释用于控制3D打印操作。2.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构还包括填充函数，所述填充函数定义所述线对象到所述表面上的多个点的重复复制。3.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构还包括适于混合至少两个几何形状的混合函数。4.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构还包括描述传统网格几何形状的网格信息。5.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构还包括描述附接到所述线对象的一个或多个子对象的分支函数。6.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构还包括控制所述线对象的厚度、形状和/或扭曲中的至少一个的参数。7.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据格式在由计算机系统接收并且解释时渲染所述3D对象的表示。8.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构用于生成3D拭子或涂抹器。9.根据权利要求1所述的格式，其中，所述数据结构用于生成至少两个设计的混合设计。10.一种用于处理3D对象的数字表示的方法，所述方法包括以下动作：提供所述3D对象的线框表示，所述线框表示定义至少一个线；确定待处理的所述3D对象的切片；针对确定的所述切片确定至少一个相交点，所述至少一个相交点定义所述线框表示的所述至少一个线与所述3D对象的所述切片的相交；以及针对所述相交点确定要渲染的与所述相交点相关的对应形状。11.根据权利要求10所述的方法，其中，要渲染的与所述相交点相关的所述对应形状的所述动作还包括基于所述至少一个线的至少一个参数来确定所述对应形状。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个参数包括下述组中的至少一个或多个，所述组包括所述线对象的厚度、形状和扭曲。13.根据权利要求10所述的方法，其中，确定要渲染的与所述相交点相关的所述对应形状的所述动作还包括基于所述切片和所述至少一个线之间的相交角度来确定所述对应形状。14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定要渲染的与所述相交点相关的所述对应形状的所述动作还包括基于所述切片与所述至少一个线的形状之间的相交角度来确定所述对应形状。15.根据权利要求10所述的方法，还包括确定要处理的所述3D对象的至少一个不同切片，并且针对所述切片和所述至少一个不同切片，由不同处理实体并行地处理它们。16.根据权利要求15所述的方法，其中，向所述不同处理实体提供关于所述线框表示的
与要处理的相关联的切片相交的任何线的信息。17.根据权利要求10所述的方法，其中，切片的所述动作被执行作为打印步骤的一部分。18.根据权利要求10所述的方法，还包括用于针对所述3D对象的至少一个部分确定网格表示并且将所述网格表示的切片与所述线框表示的对应切片组合以形成组合切片的过程。19.根据权利要求10所述的方法，还包括使用向量空间来针对要处理的所述3D对象的每个切片计算与所述3D对象的对应切片相交的多个线的动作。20.根据权利要求19所述的方法，还包括使用线性等式来确定与所述3D对象的所述对应切片相交的所述多个线。21.根据权利要求19所述的方法，还包括针对所述3D对象的每个切片确定表示与所述3D对象的相应切片相交的所述线框的线的相交点集合的动作。22.一种用于处理3D对象的数字表示的方法，包括以下动作：提供所述3D对象的线框表示；将所述线框表示分割成多个块；将所述多个块中的每一个指派给对应处理实体；以及由所述对应处理实体基本上并行地渲染所述多个块中的每一个。23.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述线框表示分割成所述多个块的所述动作还包括针对所述多个块中的至少一个确定与所述多个块中的所述至少一个相交的所述线框表示的线对象的子集的动作。24.根据权利要求23所述的方法，还包括确定所述线框表示的所述多个块中的所述至少一个的表示的动作。25.根据权利要求24所述的方法，还包括将所述线框表示的所述多个块中的所述至少一个的所述表示提供给其被指派的处理实体的动作。26.根据权利要求25所述的方法，还包括针对所述多个块中的所述至少一个提供线信息给其被指派的处理实体的动作，所述线信息与和所述多个块中的所述至少一个相交的线相关。27.根据权利要求22所述的方法，其中，还包括将被渲染的所述多个块中的每一个合并到表示所述3D对象的模型中的动作。28.根据权利要求22所述的方法，还包括将所述线框表示的线表示为一系列节点。29.根据权利要求28所述的方法，还包括通过包括所述线的厚度、形状和扭曲中的至少一个的多个参数来表示所述线。30.一种3D打印的拭子或涂抹器，包括：a.球形物，所述球形物具有：i.提供结构强度和流体保持的内部格子结构，ii.在所述内部格子结构上的加强网状结构，所述加强网状结构有助于所述球形物的形状并且吸收流体，以及iii.从所述加强网状结构突出的多个毛状物；以及b.与所述球形物连接的手柄。
31.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述手柄包括平行股的线，所述平行股的线被绑定在一起并且通过所述股之间的环加强。32.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述手柄包括栅格化的杆壁结构和内部剪切加强元件。33.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述手柄包括具有所述平行股的减小的直径的断裂点。34.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述毛状物在它们的中间部分附近被加强。35.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述毛状物以螺旋阵列布置。36.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述内部格子结构在所述球形物和所述手柄之间是连续的。37.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述内部格子结构由从自由形式曲线偏移的外壳打印。38.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述毛状物具有小于约100μm的直径。39.根据权利要求30所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述拭子由包括多个线信息的数据结构定义，所述线信息识别共同识别至少一个线对象的多个节点。40.一种3D打印的拭子或涂抹器，包括：球形物；以及杆，其中，所述球形物包括作为所述杆的延伸部分的内芯，其中，所述内芯将所述球形物连接到所述杆并且向所述拭子或涂抹器提供刚性。41.根据权利要求40所述的3D打印的拭子或涂抹器，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧冀飞，凯宏，
申请(专利权)人：OPT工业公司，
类型：发明
国别省市：