[0001] 本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种光固化3D打印方法、装置、设备及可读存储介质。

[0002] 现有的光固化3D打印技术，尤其是在光敏树脂固化过程中，普遍采用逐层曝光的方式来构建3D模型。这类技术一般采用单一或有限数量的光源，根据预设的曝光参数(如功率、曝光时间)对树脂进行逐层固化。然而，此类技术存在以下局限性：1.能量分布不均：由于光线在树脂中传播时会发生衰减，特别是对于具有复杂内部结构或深腔的3D模型，远离光源的部位往往因接收到的能量不足以实现充分固化，从而导致模型内部质量不一，强度不足。2.固化过程难以实时监控和动态调整：现有的控制系统通常基于固定的曝光参数，无法根据树脂实际固化状态进行适时的能量分配优化，容易出现过固化或欠固化现象，影响打印质量和效率。3.缺乏对树脂材质特性的精准匹配：各类光敏树脂对不同波长光源的吸收系数各异，现有技术通常未充分考虑这一因素，可能导致固化效果不理想。

[0003] 因此，现有的光固化3D打印技术无法动态优化光固化能量的分配，无法确保在整个打印过程中，树脂内部各部位都能获得适宜的固化能量，从而实现复杂结构3D模型的均匀高效固化。

[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 参见图1，是本发明一实施例提供的一种光固化3D打印方法的流程示意图。所述光固化3D打印方法包括步骤S10至步骤S12：

[0046] S10，获取目标3D打印模型的模型形状信息，并获取需要使用的打印材料的材质特性参数；

[0047] S11，通过设置的目标传感器实时监测树脂固化过程中的树脂固化状态；

[0048] S12，根据所述模型形状信息、材质特性以及实时监测到的树脂固化状态，实时调整光固化3D打印机各路光源的打印参数；打印参数包括光源的输出功率和曝光时间。

[0049] 在本发明实施例中，首先通过获取目标3D打印模型的三维几何信息，并结合所选用光敏树脂的材质特性参数，如吸收系数、光敏性等，建立起详尽的打印准备数据集；在实际打印过程中，实时监测树脂固化进程中的各项指标，如固化速率、透射率或反射率等，以量化树脂的真实固化状态；基于这些实时监测数据，以及预先获取的模型几何特征和树脂材质特性，即时调整光固化3D打印机各光源的输出功率和曝光时间等打印参数。通过这种方式，能够在打印过程中灵活适应模型内部和外部不同区域对固化能量的需求差异，例如，对于远离光源或具有复杂深腔结构的部分，系统能自动提高光源功率或延长曝光时间，确保树脂充分固化；反之，对于靠近光源或已接近完全固化的区域，则适当减少能量输入，以防止过固化导致的不良效果。综上所述，本发明实施例能够动态优化光固化能量的分配，确保在整个打印过程中，树脂内部各部位都能获得适宜的固化能量，从而实现复杂结构3D模型的均匀高效固化。

[0050] 举例来说，假设有一个内部含有复杂深腔结构的3D模型正在打印，由于深部区域距离光源较远，因此需要更高的能量才能充分固化。通过动态能量分配算法，可以实时增加对应路径光源的功率或者延长曝光时间，使得深部树脂接收到足够的能量完成固化。同时，对于表面或其他近光源区域，算法会适当降低其能量供应，避免过固化导致的质量下降，从而实现整个模型均匀且高效的固化打印。

[0051] 作为上述方案的改进，所述获取目标3D打印模型的模型形状信息，包括：

[0052] 获取目标3D打印模型的三维坐标数据，构建用于表征模型形状信息的体素化模型；体素化模型包括多个体素，每个体素代表目标3D打印模型中每个打印部位的体积单元。

[0053] 具体的，获取目标3D打印模型的三维坐标数据，构建用于表征模型形状信息的体素化模型的整个过程可以包括：

[0054] 步骤1：模型数据导入与解析：首先，获取模型的三维坐标数据，常见格式包括STL、OBJ、PLY等。通过对这些文件的解析，可以获得模型的所有三角面片及其顶点坐标信息。

[0055] 步骤2：确定体素化空间范围与分辨率：确定一个足够大的三维空间范围，使其能够完整包裹住模型，并在此范围内建立一个三维网格，也就是体素格子。每个体素的大小(分辨率)决定了体素模型的精度。例如，如果设置的体素边长为dx，那么在XYZ三个维度上分别划分子区间，形成体素网格。

[0056] 步骤3：三角面片与体素的交互检测：对于模型中的每个三角面片，遍历体素网格，判断网格中的每个体素是否被三角面片所占据。可以通过射线投射法、包围盒碰撞检测或简单的逐个点测试等方式来进行判定。具体来说，对于体素中心点，若该点位于三角面片的前方(即点到三角面片的距离小于等于半径)，则认为该体素被模型占据。

[0057] 步骤4：体素化填充与标记：将被模型占据的体素标记为已填充，未被占据的体素保持为空。填充后的体素集合就构成了体素化模型，每个体素代表了树脂中一个微小的立方体体积单元。

[0058] 步骤5：模型几何特征提取：一旦完成了体素化，模型的几何形状信息就被转换为体素数据结构。通过遍历体素矩阵，可以统计模型的体积、表面积等基本信息，也可以分析体素的排列来识别模型内部的空腔、孔洞、边缘等特征。

[0059] 在构建体素模型后，可以根据模型形状信息以及树脂的光学特性，结合“动态能量分配算法”，为每个体素分配适当的固化能量，从而确保树脂内部各部位都能得到均衡的固化能量。

[0060] 综上所述，构建体素化模型就是将连续的3D模型数据转换为离散化的体素表示，这个过程不仅有助于模型的可视化和分析，还能为光固化3D打印提供精确的指导信息。

[0061] 作为上述方案的改进，所述获取需要使用的打印材料的材质特性参数，包括：

[0062] 根据需要使用的打印材料的材料型号并通过查表法在本地预设的打印材料的材质特性参数表中，查找到该材料型号的打印材料的材质特性参数；材质特性参数包括：用于光固化打印的光敏树脂材料对不同波长光源的吸收系数。

[0063] 作为上述方案的改进，所述根据所述模型形状信息、材质特性以及实时监测到的树脂固化状态，实时调整光固化3D打印机各路光源的打印参数，包括：

[0064] 设定树脂完全固化的阈值为Ethreshold，对于目标3D打印模型的当前打印层正在打印的每个体素i，其所需的固化能量由下式计算：Ei＝Ethreshold/(1+ki(λ)·di)，其中，ki(λ)是体素i对应位置树脂对当前波长光源的吸收系数，di是从光源到体素i的光路距离，考虑了光线在树脂中的衰减效应；

[0065] 建立用于反映当前打印层正在打印的各个体素的固化能量需求的线性规划问题；该线性规划问题通过以下数学公式表达：

[0066]

[0067]

[0068] ∑Pj·tj≤Ptotal

[0069] 其中， 表示第i个体素所需的固化能量， 为实际分配给体素i的能量，Pj是第j个光源的最大功率，tj是第j个光源的曝光时间，Ptotal是系统总可用功率；

[0070] 通过求解所述线性规划问题，得到光固化3D打印机各路光源当前的最佳打印参数，并根据当前的最佳打印参数来调整光固化3D打印机各路光源的工作。

[0071] 具体的，在本实施例中，可以预先通过计算光学传播理论，得出各光源到各个体素的光路长度和衰减系数，从而获得每个光源到达每个体素的光强。考虑到树脂对光的吸收、散射等因素，可以预先使用Beer‑Lambert定律或其他适用的光学衰减模型来估计光能在树脂中的衰减情况。

[0072] 接下来在实际的打印过程中，建立用于反映当前打印层正在打印的各个体素的固化能量需求的线性规划问题，目标函数是找到一组光源功率分配和曝光时间，使得每个体素接收到的实际固化能量尽可能接近其所需的固化能量，即最小化能量分布不均的情况，该目标函数为：

[0073]

[0074] 其中， 表示第i个体素所需的固化能量， 为实际分配给体素i的能量。

[0075] 该目标函数的约束条件有以下两个方面：

[0076] 1.对于所有的体素i和光源j，必须保证实际分配给体素i的能量不超过光源j在曝光时间tj下的最大输出能量，即：

[0077] for all i，j，其中，Pj是第j个光源的最大功率，tj是第j个光源的曝光时间。

[0078] 2.所有光源总的输出能量不得超过系统总可用功率：∑Pj·tj≤Ptotal，其中，Ptotal是系统总可用功率。

[0079] 整个优化问题就是要在满足所有体素固化能量需求的前提下，合理安排各光源的功率和曝光时间，尽量减少能量分布的不均匀性，确保模型的各部位都能均匀固化。通过求解这个线性规划问题，可以得到每台光源的最佳工作参数，从而实现路径优化与能量分配的目的。可以使用专业的数学优化软件包或编程算法(如单纯形法、内点法等)来求解该线性规划问题。

[0080] 参见图2，是本发明一实施例提供的一种光固化3D打印装置的结构示意图。所述光固化3D打印装置包括：

[0081] 获取模块10，用于获取目标3D打印模型的模型形状信息，并获取需要使用的打印材料的材质特性参数；

[0082] 监测模块11，用于通过设置的目标传感器实时监测树脂固化过程中的树脂固化状态；

[0083] 调整模块12，用于根据所述模型形状信息、材质特性以及实时监测到的树脂固化状态，实时调整光固化3D打印机各路光源的打印参数；打印参数包括光源的输出功率和曝光时间。

[0084] 在本发明实施例中，首先通过获取目标3D打印模型的三维几何信息，并结合所选用光敏树脂的材质特性参数，如吸收系数、光敏性等，建立起详尽的打印准备数据集；在实际打印过程中，实时监测树脂固化进程中的各项指标，如固化速率、透射率或反射率等，以量化树脂的真实固化状态；基于这些实时监测数据，以及预先获取的模型几何特征和树脂材质特性，即时调整光固化3D打印机各光源的输出功率和曝光时间等打印参数。通过这种方式，能够在打印过程中灵活适应模型内部和外部不同区域对固化能量的需求差异，例如，对于远离光源或具有复杂深腔结构的部分，系统能自动提高光源功率或延长曝光时间，确保树脂充分固化；反之，对于靠近光源或已接近完全固化的区域，则适当减少能量输入，以防止过固化导致的不良效果。综上所述，本发明实施例能够动态优化光固化能量的分配，确保在整个打印过程中，树脂内部各部位都能获得适宜的固化能量，从而实现复杂结构3D模型的均匀高效固化。

[0085] 作为上述方案的改进，所述获取模块还具体用于：

[0086] 获取目标3D打印模型的三维坐标数据，构建用于表征模型形状信息的体素化模型；体素化模型包括多个体素，每个体素代表目标3D打印模型中每个打印部位的体积单元。

[0087] 作为上述方案的改进，所述获取模块还具体用于：

[0088] 根据需要使用的打印材料的材料型号并通过查表法在本地预设的打印材料的材质特性参数表中，查找到该材料型号的打印材料的材质特性参数；材质特性参数包括：用于光固化打印的光敏树脂材料对不同波长光源的吸收系数。

[0089] 作为上述方案的改进，所述调整模块具体用于：

[0090] 设定树脂完全固化的阈值为Ethreshold，对于目标3D打印模型的当前打印层正在打印的每个体素i，其所需的固化能量由下式计算：Ei＝Ethreshold/(1+ki(λ)·di)，其中，ki(λ)是体素i对应位置树脂对当前波长光源的吸收系数，di是从光源到体素i的光路距离，考虑了光线在树脂中的衰减效应；

[0091] 建立用于反映当前打印层正在打印的各个体素的固化能量需求的线性规划问题；该线性规划问题通过以下数学公式表达：

[0092]

[0093]

[0094] ∑Pj·tj≤Ptotal

[0095] 其中， 表示第i个体素所需的固化能量， 为实际分配给体素i的能量，Pj是第j个光源的最大功率，tj是第j个光源的曝光时间，Ptotal是系统总可用功率；

[0096] 通过求解所述线性规划问题，得到光固化3D打印机各路光源当前的最佳打印参数，并根据当前的最佳打印参数来调整光固化3D打印机各路光源的工作。参见图3，是本发明一实施例提供的光固化3D打印设备的示意图。该实施例的光固化3D打印设备包括：处理器100、存储器101以及存储在所述存储器101中并可在所述处理器100上运行的计算机程序，例如光固化3D打印程序。所述处理器100执行所述计算机程序时实现上述各个光固化3D打印方法实施例中的步骤。或者，所述处理器100执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

[0097] 示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述光固化3D打印设备中的执行过程。

[0098] 所述光固化3D打印设备可以是光固化3D打印机。所述光固化3D打印设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是光固化3D打印设备的示例，并不构成对光固化3D打印设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述光固化3D打印设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

[0099] 所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述光固化3D打印设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个光固化3D打印设备的各个部分。

[0100] 所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述光固化3D打印设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

[0101] 其中，所述光固化3D打印设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

[0102] 需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0103] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。