CN103350508A

CN103350508A - 一种3d快速成型打印系统及方法

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Publication number: CN103350508A
Application number: CN2013102624503A
Authority: CN
Inventors: 林岚; 田全
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: CN103350508B

Abstract

本发明涉及快速原型制造领域，公开了一种3D快速成型打印系统，包括：安装有控制单元的PC端、挤出机、具有加热功能的打印底板、控制打印底板运动的伺服电机、运动控制单元；挤出机位于机体工作区顶部打印底板上方；伺服电机与打印底板位于机体工作区底部挤出机下方；所述运动控制单元为嵌入式芯片组，芯片内包含执行控制任务的任务模块，所述运动控制单元位于机体工作区下方的芯片组插槽内；所述挤出机、伺服电机、打印底板分别与运动控制单元电连接，所述运动控制单元与PC端电连接。本发明采用“增量制造”的方法，即在打印底板上逐层建立模型，实现了快速制造，可以完成任意模型的加工，具有一定的使用价值和应用前景，可以应用到家庭和工业生产之中。

Description

一种3D快速成型打印系统及方法

技术领域

本发明涉及快速原型制造领域，特别涉及一种3D快速成型打印系统及方法，实现了对任意电脑端3D模型的快速、无缝制造。

背景技术

3D打印机，英文“3D Printers”，3D 打印这个名称是近年来该产品针对民用市场而出现的一个新词，是通俗叫法，其实在专业领域它有其它学术名称“快速成形技术”(及“快速原型制造技术”、“增量制造技术”、“增材制造技术”)。

快速成形技术(又称快速原型制造技术 Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

3D打印机的原理：3D 打印机可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。每个截面数据相当于医学上的一张CT 像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。

目前的打印机技术中，控制打印机X，Y，Z方向运动的步进电机只有控制信号，无法保证步进电机运动的位置精度，因此在打印过程中，某个打印层容易产生位置错误，导致3D模型尺寸不够精准，并且3D模型和打印底板容易产生相对运动，从而引起打印错误。

发明内容

本发明的目的是：为了解决上述现有技术中的技术问题，提供一种3D快速成型打印系统及方法，本发明采用“增量制造”的方法，即在打印底板上逐层建立模型，实现了快速制造，可以完成任意模型的加工。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种3D快速成型打印系统，包括：安装有控制单元的PC端、挤出机1、具有加热功能的打印底板2、控制打印底板2运动的伺服电机、运动控制单元3；所述挤出机1位于机体工作区顶部打印底板2上方；所述伺服电机与打印底板2位于机体工作区底部挤出机1下方；所述运动控制单元3为嵌入式芯片组，芯片内包含执行控制任务的任务模块，所述运动控制单元位于机体工作区下方的芯片组插槽内；所述挤出机1、伺服电机、打印底板2分别与运动控制单元3电连接，所述运动控制单元3与PC端电连接。

其中，所述控制单元包括：用于显示3D模型的显示模块、用于3D模型切片的逐层切片模块、用于存储切片数据的存储模块、用于将切片数据转换成目标代码的目标代码转换模块；所述显示模块通过导入或者打开方式在该模块内显示3D模型；逐层切片模块按照用户设定的层厚度，对3D模型进行从下到上的逐层切片，即在Z方向将整个模型分割成厚度相同的切片数据；然后将每一个切片数据独立地存储在存储模块中，目标代码转换模块将每层切片数据从存储模块取出，分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码。

其中，所述挤出机1用于将打印原料加热并通过挤压的方式输出，包括：进料孔9、容纳定量原料的加热腔体8、打印喷头12、电机、测温控制器13；所述电机和加热腔体8位于机体内部，所述加热腔体8一端连接挤出机上端的进料孔9，另一端连接挤出机下端的打印喷头12；所述测温控制器13设置在加热腔体8附近。

其中，所述电机包括进料电机10、原料供给电机11，所述进料电机10安装在进料孔9附近控制原料的输送，所述原料供给电机11安装在打印喷头12附近控制原料的输出速率。

其中，所述伺服电机包括： X向伺服电机4、Y向伺服电机5、Z向伺服电机6，上述三者分别控制打印底板2的X、Y、Z方向的运动。

其中，所述打印底板2作为打印3D模型的载体，3D模型在其上逐层打印，包括：底部支撑板14、加热控制器15、温度检测控制器16、加热板18、加热电路板19；所述加热控制器15和温度检测控制器16设于底部支撑板14内部，可以把温度控制在某个特定值，防止打印过程中模型变形；所述底部支撑板14上端设有加热电路板19，所述加热电路板19上端设有加热板18。打印底板2是打印好的3D模型的一个载体，打印过程中和打印完的3D模型均安置在打印底板2上，且打印底板2可以进行加热，便于打印过程中的3D模型可以牢固地粘结在底板之上，避免了由于打印过程中3D模型和打印底板2产生相对运动引起的打印错误。

其中，所述加热板18背离加热电路板19的一侧贴有耐高温胶布17，便于打印好的3D模型与打印底板2的分离。

其中，所述3D快速成型打印系统能在Windows、Mac OS、Linux各种电脑操作系统下运行。

一种3D快速成型打印方法，包括以下步骤：

步骤1：通过建模软件建立3D模型，将3D模型输入PC端的控制单元中；

步骤2：所述控制单元显示3D模型，并对该模型进行逐层切片，然后将切片数据进行保存，同时转换成控制代码传输给3D快速成型打印系统的运动控制单元3；

步骤3：所述运动控制单元3首先控制挤出机1和打印底板2预热到指定温度；然后通过伺服电机控制打印底板2X、Y、Z方向上的联合运动，同时挤出机1输出原料7；最后，按照切片信息逐层加工，直到打印出完整的3D模型。

其中，所述步骤2中控制单元的整个控制过程为：

第一步，显示模块通过导入或者打开方式在该模块内显示3D模型，并且能对3D模型进行大小、位置的修改，还能对模型的观看视角进行调整；

第二步，逐层切片模块对3D模型进行从下到上的逐层切片，将整个模型分割成逐层切片,且能调整模型的切片层数，层数越多，打印的模型越精细，耗时越长，层数越少，打印出来的模型会相对粗糙，但耗时越短；

第三步，存储模块为数据存储专门提供的存储空间，3D模型进行切片后，生成的每个切片数据按照顺序存储在该模块内；

第四步，目标代码转换模块对每层切片数据进行转换，并将生成的目标代码输送给运动控制单元3。

其中，所述目标代码转换模块实现每层切片数据到目标代码的转换操作，目标代码生成过程为：首先将每层切片数据分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，然后采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码，实现打印操作。

其中，所述目标代码作为X向伺服电机4、Y向伺服电机5、Z向伺服电机6的控制信号，所述目标代码中每层切片的目标代码作为X向伺服电机4、Y向伺服电机5的控制信号，层与层交替的目标代码作为Z向伺服电机6的控制信号。

其中，所述挤出机1主要完成三部分的工作：首先，控制挤出机的进料电机10，使原料7以恒定的速率输入到挤出机内部；然后，对输入到挤出机内部的原料7进行加热，使其达到熔融状态，并且通过测温控制器13实时监控熔融态原料的温度，使其在挤出机内部达到温度恒定；最后，控制原料供给电机11使熔融态的原料以恒定的速率输出挤出机1，实现打印操作。

其中，所述运动控制单元3实时调控挤出机电机的速率和伺服电机的速度，以满足不同条件下的打印需求。

其中，所述原料7为丝状工程树脂，包括ABS和或PLA丝。

其中，所述目标代码生成的过程中，用户根据需要能选择是否生成打印3D模型的“衬底”（衬底是指打印模型前，在打印底板上事先打印一个比模型底面积大的2~2mm厚的树脂层，有助于模型更加牢固的依附于打印底板，可以增加打印过程中的稳定性）、能选择3D模型的填充率（即可以打印空心的模型，也可以打印实心的模型，3D模型在非100%填充的情况下，为了保证模型整体的强度，PC端控制单元会自动为模型内部添加特定的支撑结构。）、能选择是否为特定模型添加支撑（即打印一些辅助的材料，对模型的特定部分进行支撑，可选择仅对模型外部进行支撑或者对整个模型的内部和外部进行支撑）。

本发明的有益效果是：本发明采用伺服电机控制打印底板的X、Y、Z方向的运动，在控制过程中引入了闭环控制回路，能够实时修正伺服电机的位置误差进行修正，保证了整个打印过程中的打印精度。另外，本发明中的打印底板增加了加热和温度控制器，在打印过程中，模型可以牢固地粘结在底板之上，从而避免了模型和打印底板相对运动引起的打印错误，本发明具有一定的使用价值和应用前景，可以广泛应用到家庭和工业生产之中。

附图说明

图1为本发明一种3D快速成型打印系统的结构示意图。

图2 为本发明挤出机的结构示意图。

图3 为本发明打印底板的结构示意图。

图4 为本发明一种3D快速成型打印系统工作原理示意图。

附图标识：1-挤出机，2-打印底板，3-运动控制单元，4-X向伺服电机，5-Y向伺服电机，6-Z向伺服电机，7-原料，8-加热腔体，9-进料孔，10-进料电机，11-原料供给电机，12-打印喷头，13-测温控制器，14-底板支撑板，15-加热控制器，16-温度检测控制器，17-耐高温胶布，18-加热板，19-加热电路板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明一种3D快速成型打印系统，包括：安装有控制单元的PC端、挤出机1、具有加热功能的打印底板2、控制打印底板2运动的伺服电机、运动控制单元3；所述挤出机1位于机体工作区顶部打印底板2上方；所述伺服电机与打印底板2位于机体工作区底部挤出机1下方；所述运动控制单元3为嵌入式芯片组，芯片内包含执行控制任务的任务模块，所述运动控制单元位于机体工作区下方的芯片组插槽内；所述挤出机1、伺服电机、打印底板2分别与运动控制单元3电连接，所述运动控制单元3与PC端电连接。

所述控制单元包括：用于显示3D模型的显示模块、用于3D模型切片的逐层切片模块、用于存储切片数据的存储模块、用于将切片数据转换成目标代码的目标代码转换模块；所述显示模块通过导入或者打开方式在该模块内显示3D模型；逐层切片模块按照用户设定的层厚度，对3D模型进行从下到上的逐层切片，即在Z方向将整个模型分割成厚度相同的切片数据；然后将每一个切片数据独立地存储在存储模块中，目标代码转换模块将每层切片数据从存储模块取出，分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码。

参考图2，挤出机1用于将打印原料加热并通过挤压的方式输出，包括：进料孔9、容纳定量原料的加热腔体8、打印喷头12、电机、测温控制器13；所述电机和加热腔体8位于机体内部，所述加热腔体8一端连接挤出机上端的进料孔9，另一端连接挤出机下端的打印喷头12；所述测温控制器13设置在加热腔体8附近。

所述电机包括进料电机10、原料供给电机11，所述进料电机10安装在进料孔9附近控制原料的输送，所述原料供给电机11安装在打印喷头12附近控制原料的输出速率。

所述伺服电机包括： X向伺服电机4、Y向伺服电机5、Z向伺服电机6，上述三者分别控制打印底板2的X、Y、Z方向的运动。

参照图3，打印底板2作为打印3D模型的载体，3D模型在其上逐层打印，包括：底部支撑板14、加热控制器15、温度检测控制器16、加热板18、加热电路板19；所述加热控制器15和温度检测控制器16设于底部支撑板14内部，可以把温度控制在某个特定值，防止打印过程中模型变形；所述底部支撑板14上端设有加热电路板19，所述加热电路板19上端设有加热板18。打印底板2是打印好的3D模型的一个载体，打印过程中和打印完的3D模型均安置在打印底板2上，且打印底板2可以进行加热，便于打印过程中的3D模型可以牢固地粘结在底板之上，避免了由于打印过程中3D模型和打印底板2产生相对运动引起的打印错误。

所述加热板18背离加热电路板19的一侧贴有耐高温胶布17，便于打印好的3D模型与打印底板2的分离。

所述3D快速成型打印系统能在Windows、Mac OS、Linux各种电脑操作系统下运行。

实施例1：以打印杯子为例来说明本发明一种3D快速成型打印系统的打印方法，包括以下步骤：

步骤1：设计人员通过3D建模软件（例如Auto CAD或3D Max等）在PC中设计杯子的3D模型，并调整到适当的大小，输出为STL格式的文件，然后将STL格式的3D模型输入到系统的控制单元中。

步骤2：所述控制单元显示杯子的3D模型，并对该模型从下到上进行逐层切片，然后将切片数据进行保存，同时转换成控制代码传输给3D快速成型打印系统的运动控制单元3。

步骤2.1：显示模块通过导入或者打开方式在该模块内显示杯子的3D模型，并且能对3D模型进行大小、位置进行进一步的的修改，还能对模型的观看视角进行调整。

步骤2.2：逐层切片模块根据用户选取的切片厚度，对3D模型进行从下到上的逐层切片，即将杯子的3D模型从下到上分割成厚度一致的“切片”的组合，这些切片按照顺序组合在一起便可完整的组合成杯子的3D模型。切片层数越多，打印的模型越精细，耗时越长，层数越少，打印出来的模型会相对粗糙，但耗时越短。

步骤2.3：存储模块为数据存储专门提供的存储空间，3D模型进行切片后，生成的每个切片数据按照顺序存储在该模块内。

步骤2.4：目标代码转换模块对每层切片数据进行转换，并将生成的目标代码输送给运动控制单元3。目标代码转换模块将每层切片数据从存储模块取出，分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码。

所述目标代码转换模块实现每层切片数据到目标代码的转换操作，目标代码生成过程为：首先将每层切片数据分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，然后采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码，实现打印操作。

所述目标代码作为X向伺服电机4、Y向伺服电机5、Z向伺服电机6的控制信号，所述目标代码中每层切片的目标代码作为X向伺服电机4、Y向伺服电机5的控制信号，层与层交替的目标代码作为Z向伺服电机6的控制信号。

所述挤出机1主要完成三部分的工作：首先，控制挤出机的进料电机10，使原料7以恒定的速率输入到挤出机内部；然后，对输入到挤出机内部的原料7进行加热，使其达到熔融状态，并且通过测温控制器13实时监控熔融态原料的温度，使其在挤出机内部达到温度恒定；最后，控制原料供给电机11使熔融态的原料以恒定的速率输出挤出机1，实现打印操作。

所述运动控制单元3实时调控挤出机电机的速率和伺服电机的速度，以满足不同条件下的打印需求。

所述原料7为丝状工程树脂，包括ABS和或PLA丝。

所述目标代码生成的过程中，用户根据需要能选择是否生成打印3D模型的“衬底”（衬底是指打印模型前，在打印底板上事先打印一个比模型底面积大的2~2mm厚的树脂层，有助于模型更加牢固的依附于打印底板，可以增加打印过程中的稳定性）、能选择3D模型的填充率（即可以打印空心的模型，也可以打印实心的模型，3D模型在非100%填充的情况下，为了保证模型整体的强度，PC端控制单元会自动为模型内部添加特定的支撑结构。）、能选择是否为特定模型添加支撑（即打印一些辅助的材料，对模型的特定部分进行支撑，可选择仅对模型外部进行支撑或者对整个模型的内部和外部进行支撑）。

参考图4，为本发明打印过程实现原理，通过建模软件建立的3D模型，导入到PC端控制单元中，所述控制单元对3D模型进行从下至上的逐层“切片”，为每一层“切片”建立独立的数据存储单元，之后将这些数据转换成控制打印系统的目标代码，首先控制挤出机和底板预热到指定的温度，然后操作系统进行X，Y，Z方向上的联合运动，同时控制挤出机输出原料，采用从下到上的方式，按照“切片”信息，逐层加工模型，直至整个模型完成为止。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述一种3D快速成型打印系统包括：安装有控制单元的PC端、挤出机（1）、具有加热功能的打印底板（2）、控制打印底板（2）运动的伺服电机、运动控制单元（3）；所述挤出机（1）位于机体工作区顶部打印底板（2）上方；所述伺服电机与打印底板（2）位于机体工作区底部挤出机（1）下方；所述运动控制单元（3）为嵌入式芯片组，芯片内包含执行控制任务的任务模块，所述运动控制单元位于机体工作区下方的芯片组插槽内；所述挤出机（1）、伺服电机、打印底板（2）分别与运动控制单元（3）电连接，所述运动控制单元（3）与PC端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述控制单元包括：用于显示3D模型的显示模块、用于3D模型切片的逐层切片模块、用于存储切片数据的存储模块、用于将切片数据转换成目标代码的目标代码转换模块；所述显示模块通过导入或者打开方式在该模块内显示3D模型；逐层切片模块按照用户设定的层厚度，对3D模型进行从下到上的逐层切片，即在Z方向将整个模型分割成厚度相同的切片数据；然后将每一个切片数据独立地存储在存储模块中，目标代码转换模块将每层切片数据从存储模块取出，分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码。

3.根据权利要求1所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述挤出机（1）用于将打印原料加热并通过挤压的方式输出，包括：进料孔（9）、容纳定量原料的加热腔体（8）、打印喷头（12）、电机、测温控制器（13）；所述电机和加热腔体（8）位于机体内部，所述加热腔体（8）一端连接挤出机上端的进料孔（9），另一端连接挤出机下端的打印喷头（12）；所述测温控制器（13）设置在加热腔体（8）附近。

4.根据权利要求3所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述电机包括进料电机（10）、原料供给电机（11），所述进料电机（10）安装在进料孔（9）附近控制原料的输送，所述原料供给电机（11）安装在打印喷头（12）附近控制原料的输出速率。

5.根据权利要求1所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述伺服电机包括： X向伺服电机（4）、Y向伺服电机（5）、Z向伺服电机（6），上述三者分别控制打印底板（2）的X、Y、Z方向的运动。

6.根据权利要求1所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述打印底板（2）包括：底部支撑板（14）、加热控制器（15）、温度检测控制器（16）、加热板（18）、加热电路板（19）；所述加热控制器（15）和温度检测控制器（16）设于底部支撑板（14）内部；所述底部支撑板（14）上端设有加热电路板（19），所述加热电路板（19）上端设有加热板（18）。

7.根据权利要求6所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述加热板（18）背离加热电路板（19）的一侧贴有耐高温胶布（17）。

8.根据权利要求1所述的一种3D快速成型打印系统，其特征在于，所述3D快速成型打印系统能在Windows、Mac OS、Linux任意一种电脑操作系统下运行。

9.一种根据权利要求1-8任意一项3D快速成型打印系统的打印方法，包括以下步骤：

步骤2：所述控制单元显示3D模型，并对该模型进行逐层切片，然后将切片数据进行保存，同时转换成控制代码传输给3D快速成型打印系统的运动控制单元（3）；

步骤3：所述运动控制单元（3）首先控制挤出机（1）和打印底板（2）预热到指定温度；然后通过伺服电机控制打印底板（2）X、Y、Z方向上的联合运动，同时挤出机（1）输出原料（7）；最后，按照切片信息逐层加工，直到打印出完整的3D模型。

10.根据权利要求9所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述步骤2中控制单元的整个控制过程为：

步骤2.1：显示模块通过导入或者打开方式在该模块内显示3D模型；

步骤2.2：逐层切片模块对3D模型进行从下到上的逐层切片，将整个模型分割成逐层切片；

步骤2.3：存储模块为数据存储专门提供的存储空间，3D模型进行切片后，生成的每个切片数据按照顺序存储在该模块内；

步骤2.4：目标代码转换模块对每层切片数据进行转换，并将生成的目标代码输送给运动控制单元（3）。

11.根据权利要求10所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述目标代码转换模块实现每层切片数据到目标代码的转换操作，目标代码生成过程为：首先将每层切片数据分解成逐个目标点的空闲位置坐标的信息，然后采用最短路径算法将这些空间坐标进行连接，获得完整的闭环路径，最后将路径转换成控制3D快速成型打印系统运动的目标代码。

12.根据权利要求10所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述目标代码作为X向伺服电机（4）、Y向伺服电机（5）、Z向伺服电机（6）的控制信号，所述目标代码中每层切片的目标代码作为X向伺服电机（4）、Y向伺服电机（5）的控制信号，层与层交替的目标代码作为Z向伺服电机（6）的控制信号。

13.根据权利要求9所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述挤出机（1）主要完成三部分的工作：首先，控制挤出机的进料电机（10），使原料（7）以恒定的速率输入到挤出机内部；然后，对输入到挤出机内部的原料（7）进行加热，使其达到熔融状态，并且通过测温控制器（13）实时监控熔融态原料的温度，使其在挤出机内部达到温度恒定；最后，控制原料供给电机（11）使熔融态的原料以恒定的速率输出挤出机（1）。

14.根据权利要求9所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述运动控制单元（3）实时调控挤出机电机的速率和伺服电机的速度。

15.根据权利要求13所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述原料（7）为丝状工程树脂。

16.根据权利要求11所述的一种3D快速成型打印方法，其特征在于，所述目标代码

生成的过程中，用户根据需要能选择是否生成打印3D模型的“衬底”、能选择3D模型的填充率、能选择是否为特定模型添加支撑。