具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)的打印方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)及其打印方法，包括機(jī)架、打印平臺(tái)、打印噴頭、物料箱、送料裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)，安裝在所述驅(qū)動(dòng)裝置外側(cè)的支架，以及設(shè)置在支架上、用于掃描打印物件的3D掃描儀，在產(chǎn)品成型過程中利用3D掃描儀對(duì)工件半成品或毛坯進(jìn)行掃描，獲取工件的三維輪廓，并通過圖形學(xué)運(yùn)算與目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果調(diào)整打印機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑和打印參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)打印過程的反饋控制，提高3D打印成型精度以及打印效率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及3D打印
，尤其涉及一種具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)及其打印方法。
技術(shù)介紹
3D打印是一種快速成型技術(shù)，也叫增材制造技術(shù)。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，它的優(yōu)勢在于能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化、降低制造費(fèi)用和縮短加工周期等，逐漸被應(yīng)用于生物醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)、航空航天和文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。迄今為止，國內(nèi)外已經(jīng)成功開發(fā)了熔融沉積式(FDM)、激光燒結(jié)(SLS)、光固化(SLA)、三維印刷(DLP)和三維激光內(nèi)雕等多種快速成型方法，其中FDM是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。熔融沉積式3D打印的基本原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)輸出的三維模型分解成若干層平面切片，在打印機(jī)軟件中生成每層的模型成型路徑和必要的支撐路徑，然后由打印機(jī)噴頭將材料融化噴出，并按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。現(xiàn)有的熔融沉積式3D打印技術(shù)存在兩個(gè)問題：（1）成型精度較差：現(xiàn)有技術(shù)中模型切片和打印兩道工序是開環(huán)串聯(lián)的關(guān)系，打印過程無法對(duì)打印效果進(jìn)行反饋和控制，盲目打印出不合格產(chǎn)品；（2）打印效率低：一方面，每樣工件都需要從零打印，大大增加了打印時(shí)長；另一方面，系統(tǒng)故障或打印失敗產(chǎn)生的半成品無法再利用，工程師只能調(diào)整模型和參數(shù)，重頭打印，耗費(fèi)調(diào)試工時(shí)和材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本專利技術(shù)提供了一種具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)及其打印方法，通過對(duì)半成品進(jìn)行3D掃描和反饋，提高3D打印成型精度以及打印效率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)，包括機(jī)架、打印平臺(tái)、打印噴頭、物料箱、送料裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、以及計(jì)算機(jī)，還包括安裝在所述驅(qū)動(dòng)裝置外側(cè)的支架，以及設(shè)置在支架上、用于掃描打印物件的3D掃描儀；所述3D掃描儀同時(shí)與控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)連接，控制系統(tǒng)安裝在支架的下方；所述驅(qū)動(dòng)裝置包括安裝在打印平臺(tái)左右兩側(cè)的Y向直線運(yùn)動(dòng)模組，安裝在打印平臺(tái)前后兩側(cè)、用于固定兩根Y向直線運(yùn)動(dòng)模組的水平支撐桿，安裝在兩個(gè)Y向直線運(yùn)動(dòng)模組之間、并推動(dòng)打印平臺(tái)X向移動(dòng)的絲杠，安裝在兩個(gè)Y向直線運(yùn)動(dòng)模組滑塊上的Z向直線運(yùn)動(dòng)模組，安裝在兩個(gè)Z向直線運(yùn)動(dòng)模組滑塊之間的X向直線運(yùn)動(dòng)模組，以及與各向直線運(yùn)動(dòng)模組連接的步進(jìn)電機(jī)；所述送料裝位于打印噴頭的上方，且與打印噴頭一體安裝在X向直線運(yùn)動(dòng)模組的滑塊上。優(yōu)選地，所述3D掃描儀的高度小于打印噴頭Z向移動(dòng)的最大高度。本專利技術(shù)還提供了該3D打印機(jī)的打印方法，包括以下步驟：（1）三維模型輸入：輸入待打印產(chǎn)品的三維模型文件；（2）三維模型處理：利用計(jì)算機(jī)對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，生成三維模型的切片文件，并傳送至控制系統(tǒng)；（3）打印機(jī)初始化：控制系統(tǒng)收到切片文件和打印指示后，驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)打印平臺(tái)和打印噴頭的位置進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)打印噴頭上的加熱器和送料裝置，打印噴頭出料正常后進(jìn)入打印模式；（4）開始打印：3D打印機(jī)從第一層開始打印，控制系統(tǒng)逐層讀取切片文件后將當(dāng)前層的打印路徑和參數(shù)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)裝置和打印噴頭，打印噴頭在設(shè)定位置中逐層打印實(shí)物；（5）掃描產(chǎn)品輪廓：根據(jù)切片文件的設(shè)置，打印到指定進(jìn)度后，控制系統(tǒng)接收到掃描指令，暫停打印，調(diào)用3D掃描儀對(duì)已打印部分進(jìn)行掃描，掃描的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)處理得到已打印部分的三維輪廓B；（6）3D圖形運(yùn)算：計(jì)算機(jī)將已打印部分的三維輪廓B與目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型A進(jìn)行對(duì)比，通過布爾運(yùn)算得尚未打印部分C和多打印部分D的幾何形狀和體積；（7）判斷與決策：尚未打印部分C、多打印部分D與目標(biāo)產(chǎn)品三維模型A的體積比分別為E、F，將E、F與閾值G進(jìn)行比較：如果F大于G，則執(zhí)行步驟（8）；否則，執(zhí)行步驟（9）；（8）計(jì)算機(jī)判定已打印部分與目標(biāo)產(chǎn)品的偏差超出設(shè)定范圍，暫停打印，并提示產(chǎn)品需要人工處理；人工處理后返回步驟（5）；（9）如果E和F均小于G，則計(jì)算機(jī)判定產(chǎn)品打印完成，且符合目標(biāo)要求，結(jié)束打印并輸出最終產(chǎn)品；否則，執(zhí)行步驟（10）；（10）計(jì)算機(jī)判定產(chǎn)品打印未完成，且已打印部分符合設(shè)定要求，繼續(xù)打印尚未打印部分C，執(zhí)行步驟（11）；（11）控制系統(tǒng)繼續(xù)讀取切片文件，逐層打印，并繼續(xù)按照步驟（5）～（9）所述的方式進(jìn)行循環(huán)，直至完成打印，并輸出最終產(chǎn)品。具體地，所述步驟（1）中，待打印產(chǎn)品的三維模型文件可以直接輸入到計(jì)算機(jī)中，也可以在計(jì)算機(jī)上用繪圖軟件直接建立三維模型，并轉(zhuǎn)換成stl格式的文件。進(jìn)一步地，所述步驟（4）中，所述切片文件的第一層為模型的最底層。進(jìn)一步地，所述步驟（5）中，暫停打印時(shí)，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)裝置保持原位，且關(guān)閉打印噴頭內(nèi)的加熱器進(jìn)行自然冷卻。再進(jìn)一步地，所述步驟（10）中，接收到繼續(xù)打印指令后，控制系統(tǒng)啟動(dòng)打印噴頭上的加熱器。更進(jìn)一步地，所述步驟（11）中，讀取的切片文件由計(jì)算機(jī)根據(jù)已打印部分的三維輪廓進(jìn)行了調(diào)整。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果：（1）本專利技術(shù)在產(chǎn)品成型過程中利用3D掃描儀對(duì)工件半成品或毛坯進(jìn)行掃描，獲取工件的三維輪廓，并通過圖形學(xué)運(yùn)算與目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果調(diào)整打印機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑和打印參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)打印過程的反饋控制，提高3D打印成型精度以及打印效率。（2）本專利技術(shù)中打印平臺(tái)沿X、Y方向移動(dòng)，通過打印噴頭Z向移動(dòng)的配合完成逐層打印，打印平臺(tái)無需Z向移動(dòng)，既確保了打印過程的穩(wěn)定性，又減少了驅(qū)動(dòng)負(fù)載；而且打印噴頭和打印平臺(tái)配合移動(dòng)，提高了打印機(jī)效率。（3）本專利技術(shù)中支架安裝在驅(qū)動(dòng)裝置的外側(cè)，避免了與打印平臺(tái)、打印噴頭的碰撞，保證了3D掃描儀的穩(wěn)固性，確保對(duì)工件半成品進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地掃描。（4）本專利技術(shù)中打印噴頭出料正常后再開始切片文件的讀取和逐層打印，避免無料空打的或者出料不均勻的情況，提高初始打印的質(zhì)量；而且，打印機(jī)暫停工作時(shí)，打印噴頭進(jìn)行降溫，防止物料受熱后滴落，既減少了物料的浪費(fèi)，又避免了對(duì)掃描結(jié)果的影響。（5）本專利技術(shù)中3D掃描儀通過控制系統(tǒng)控制調(diào)用，控制系統(tǒng)接收到掃描指令后啟用3D掃描儀，掃描結(jié)束后關(guān)閉，避免3D掃描儀長期開啟造成浪費(fèi)；3D掃描儀與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理得到已打印部分的三維輪廓，實(shí)現(xiàn)打印過程的實(shí)時(shí)反饋。（6）本專利技術(shù)中不合格的半成品進(jìn)行人工處理后可以繼續(xù)打印，避免了從零打印，降低物料浪費(fèi)；而且進(jìn)行人工處理后的半成品要再次進(jìn)行3D掃描，由計(jì)算機(jī)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模、判斷，既快速又準(zhǔn)確，提高了產(chǎn)品批量打印的統(tǒng)一性。（7）本專利技術(shù)中計(jì)算機(jī)根據(jù)參考工件半成品的三維輪廓，自動(dòng)調(diào)整后續(xù)的打印路徑和參數(shù)，即使工件半成品在打印平臺(tái)上的位置發(fā)生了變化，也可以精準(zhǔn)的完成后續(xù)的打印，確保最終產(chǎn)品的完整性。附圖說明圖1為本專利技術(shù)3D打印機(jī)的整體示意圖。圖2為本專利技術(shù)中3D打印方法的流程圖。圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例1中目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型圖。圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例1中打印件的實(shí)物圖。圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例1中打印件的三維模型圖。圖6為本專利技術(shù)實(shí)施例1中最終產(chǎn)品實(shí)物圖。圖7為本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)，包括機(jī)架（1）、打印平臺(tái)（2）、打印噴頭（3）、物料箱（4）、送料裝置（5）、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)（6）、以及計(jì)算機(jī)（7），其特征在于，還包括安裝在所述驅(qū)動(dòng)裝置外側(cè)的支架（8），以及設(shè)置在支架（8）上、用于掃描打印物件的3D掃描儀（9）；所述3D掃描儀（9）同時(shí)與控制系統(tǒng)（6）和計(jì)算機(jī)（7）連接，控制系統(tǒng)（6）安裝在支架（8）的下方；所述驅(qū)動(dòng)裝置包括安裝在打印平臺(tái)（2）左右兩側(cè)的Y向直線運(yùn)動(dòng)模組（11），安裝在打印平臺(tái)前后兩側(cè)、用于固定兩根Y向直線運(yùn)動(dòng)模組的水平支撐桿（12），安裝在兩個(gè)Y向直線運(yùn)動(dòng)模組之間、并推動(dòng)打印平臺(tái)X向移動(dòng)的絲杠，?安裝在兩個(gè)Y向直線運(yùn)動(dòng)模組（11）滑塊上的Z向直線運(yùn)動(dòng)模組（13），安裝在兩個(gè)Z向直線運(yùn)動(dòng)模組（13）滑塊之間的X向直線運(yùn)動(dòng)模組（14），以及與各向直線運(yùn)動(dòng)模組連接的步進(jìn)電機(jī)；所述送料裝置（5）位于打印噴頭（3）的上方，且與打印噴頭（3）一體安裝在X向直線運(yùn)動(dòng)模組（14）的滑塊上。

【技術(shù)特征摘要】
1.具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)，包括機(jī)架（1）、打印平臺(tái)（2）、打印噴頭（3）、物料箱（4）、送料裝置（5）、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)（6）、以及計(jì)算機(jī)（7），其特征在于，還包括安裝在所述驅(qū)動(dòng)裝置外側(cè)的支架（8），以及設(shè)置在支架（8）上、用于掃描打印物件的3D掃描儀（9）；所述3D掃描儀（9）同時(shí)與控制系統(tǒng)（6）和計(jì)算機(jī)（7）連接，控制系統(tǒng)（6）安裝在支架（8）的下方；所述驅(qū)動(dòng)裝置包括安裝在打印平臺(tái)（2）左右兩側(cè)的Y向直線運(yùn)動(dòng)模組（11），安裝在打印平臺(tái)前后兩側(cè)、用于固定兩根Y向直線運(yùn)動(dòng)模組的水平支撐桿（12），安裝在兩個(gè)Y向直線運(yùn)動(dòng)模組之間、并推動(dòng)打印平臺(tái)X向移動(dòng)的絲杠，安裝在兩個(gè)Y向直線運(yùn)動(dòng)模組（11）滑塊上的Z向直線運(yùn)動(dòng)模組（13），安裝在兩個(gè)Z向直線運(yùn)動(dòng)模組（13）滑塊之間的X向直線運(yùn)動(dòng)模組（14），以及與各向直線運(yùn)動(dòng)模組連接的步進(jìn)電機(jī)；所述送料裝置（5）位于打印噴頭（3）的上方，且與打印噴頭（3）一體安裝在X向直線運(yùn)動(dòng)模組（14）的滑塊上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三維圖形反饋系統(tǒng)的3D打印機(jī)，其特征在于，所述3D掃描儀（9）的高度小于打印噴頭（3）Z向移動(dòng)的最大高度。
3.一種權(quán)利要求1~2任一項(xiàng)所述3D打印機(jī)的打印方法，其特征在于，包括以下步驟：
（1）三維模型輸入：輸入待打印產(chǎn)品的三維模型文件；
（2）三維模型處理：利用計(jì)算機(jī)對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，生成三維模型的切片文件，并傳送至控制系統(tǒng)；
（3）打印機(jī)初始化：控制系統(tǒng)收到切片文件和打印指示后，驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)打印平臺(tái)和打印噴頭的位置進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)打印噴頭上的加熱器和送料裝置，打印噴頭出料正常后進(jìn)入打印模式；
（4）開始打印：3D打印機(jī)從第一層開始打印，控制系統(tǒng)逐層讀取切片文件后將當(dāng)前層的打印路徑和參數(shù)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)裝置和打印噴頭，打印噴頭在設(shè)定位置中逐層打印實(shí)物；
（5）掃描產(chǎn)品輪廓：根據(jù)切片文件的設(shè)置，打印到指定進(jìn)度后，控制系統(tǒng)接收...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳華明，鄧良才，黃國強(qiáng)，胡俊，殷雪峰，宋江鋒，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國工程物理研究院材料研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51