CN105034366B - 一种3d打印机及其打印还原度的检测方法 - Google Patents

一种3d打印机及其打印还原度的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可检测打印还原度的3D打印机及其打印还原度检测方法，所述可检测打印还原度的3D打印机包括：3D模型转机器码单元、打印轨迹定位单元、打印轨迹绘制单元和还原度分析单元，通过实时采集打印机喷头的位置信息绘制实际打印轨迹线，并与预定打印轨迹进行对比，实现打印还原度的检测。本发明还公开了一种可检测打印还原度的检测方法，实现了实时监测3D打印的还原度检测，具备判定可检测打印还原度的3D打印机精度的能力，也可以提醒操作人员需要对打印机进行精度维护。

Description

一种3D打印机及其打印还原度的检测方法
技术领域
本发明涉及三维打印领域，尤其涉及一种3D打印机及其打印还原度的检测方法。
背景技术
三维打印(3D Printing)是一种快速成形技术。通过将设计者绘制的三维模型文件的数据输入三维打印机中，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，将材料以平面打印方式，逐层堆叠打印以形成最终成品。三维打印的这种实现方法在工业上被称为增材制造(Additive Manufacturing)，是一种与传统的材料去除加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维STL模型数据，通常采用逐层制造的方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，其特点在于能够制造出任何形状的物品。
近年来三维打印技术快速发展，同时也越来越受到重视，各个厂家亦因应不同需求开发出各种三维打印技术。其中，3D打印出的实体质量可以从多个评定标准综合确定，但其中对模型的还原度即实体与模型之间的形状匹配度是最重要的指标。
然而，目前的3D打印机在打印过程中缺乏必要的实时检测还原度的装置和方法，一般只能借助被动方式，如现场人工检查或远程拍摄图片查看等，容易导致如下问题：
1.无法实时主动检测出问题并及时报警和处理，造成打印失败和时间、材料的浪费；
2.缺少匹配度的量化结果，无法客观评价模型形状的还原度，只能借助人工感官评测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可检测打印还原度的3D打印机，包括：
3D模型转机器码单元，用于将3D模型转换为机器码，同时按层进行所述机器码的传送与仿真切片，获得模型的预定打印轨迹线；
打印轨迹定位单元，用于实时采集打印机喷头的位置信息；
打印轨迹绘制单元，连接所述打印轨迹定位单元，用于根据所述喷头的位置信息绘制每一层的实际打印轨迹线；以及
还原度分析单元，用于比较所述预定打印轨迹线与所述实际打印轨迹线得出匹配结果，以检测打印的还原度。
可选的，所述3D打印机还包括报警单元，当所述匹配结果超过一预设值时，所述打印机本体停止打印且所述报警单元进行报警。
可选的，所述打印轨迹定位单元包括激光测距装置，并通过所述激光测距装置实时采集所述喷头的位置信息。
可选的，所述3D打印机还包括喷头喷丝速率采集单元，用于实时采集所述喷头的喷丝速率，所述打印轨迹绘制单元通过所述喷头的位置信息和所述喷头喷丝速率采集单元采集到的喷头的喷丝速率绘制实际打印轨迹线。
可选的，所述3D打印机还包括喷头喷丝速率检测单元，用于实时比较预设喷丝速率与所述喷头喷丝速率采集单元所采集的喷丝速率，以检测喷丝速率是否在正常范围内。
可选的，喷丝速率以每一层的料高来衡量，假设预定料高度为H，设定可以接受的范围为X，当实际打印时喷头挤料形成的高度超出正负X范围，将需要及时采用补救的方法，以弥补打印质量偏差；对于突出的部分，下一层打印时将减少材料供给，对于凹陷的部分，下一层打印时将加大供给，以平衡实际打印的高度偏差。
可选的，所述还原度分析单元通过分析线条吻合度得出匹配结果。
可选的，所述还原度分析单元通过分析面积匹配度得出匹配结果。
本发明还提供一种可检测打印还原度的3D打印机的打印还原度检测方法，包括：
将3D模型转换为机器码，同时需要按层来进行机器码的传送与仿真切片，获得模型的预定打印轨迹线；
实时采集喷头的位置信息；
根据喷头的位置信息绘制实际打印轨迹线；
比较所述预定打印轨迹线与所述实际打印轨迹线得出匹配结果，以检测打印的还原度。
可选的，上述方法还包括：实时采集喷头的喷丝速率，通过喷头的位置信息和喷丝速率绘制实际打印轨迹线。
本发明的可检测打印还原度的3D打印机包括打印机以及3D模型转机器码单元、打印轨迹定位单元、打印轨迹绘制单元和还原度分析单元，通过实时采集打印机喷头的位置信息绘制实际打印轨迹线，并与预定打印轨迹进行对比，实现打印还原度的检测。本发明的可检测打印还原度的3D打印机的还原度检测方法，实现了3D打印的还原度检测，具备判定3D打印机精度的能力，也可以提醒操作人员需要对打印机进行精度维护。
附图说明
图1为本发明一实施例所述可检测打印还原度的3D打印机的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述可检测打印还原度的3D打印机以及其打印轨迹定位单元的结构示意图；
图3为本发明一实施例所述可检测打印还原度的3D打印机中打印轨迹定位单元计算喷头位置的原理图；
图4为本发明一实施例所述预定打印轨迹线与实际打印轨迹线的对比图；
图5为本发明一实施例所述预定打印轨迹线面积与实际打印轨迹线面积对比图；
图6为本发明一实施例所述可检测打印还原度的3D打印机的打印还原度检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明所述可检测打印还原度的3D打印机如图1所示，所述可检测打印还原度的3D打印机包括互相连接的：3D模型转机器码单元100、打印轨迹定位单元200、打印轨迹绘制单元300以及还原度分析单元400。同时，为了应对异常情况，增加报警模块500，当所述匹配结果超过一预设值时，所述打印机停止打印且所述报警单元500进行报警。
对需打印的3D模型，首先通过3D模型转机器码单元100获得模型每一层的打印轨迹线并依次转换为机器码，同时按层进行所述机器码的传送与仿真切片，获得模型的预定打印轨迹线，打印机接收到打印机器码后开始启动XYZ马达，控制喷头进行打印。此时，打印轨迹定位单元200实时采集喷头喷丝打印的路径位置信号传回给打印轨迹绘制单元300，以绘制出实际喷头打印轨迹线；还原度分析单元400比较所述预定打印轨迹线与所述实际打印轨迹线分析得出匹配结果，以检测打印的还原度；如匹配结果超出预设的极致范围，则说明打印出问题，需报警后停止打印；如一切打印正常至完成，则通过综合判定每一层的数据给出对比度结果。
3D模型转机器码单元100主要完成3D模型到机器码的转换，同时需要按层来进行机器码的传送与仿真切片，获得模型的理想打印轨迹线，并有效去除内外支撑数据，以利理想打印轨迹与实际打印轨迹线作对比。优选的，以一件3D模型为例，将模型切片为M层，每一层对应特定的机器码，包括系列打印控制指令，并结合各分层数据特征规划合理的打印路径，这些由通用的方式确定即可。所述3D模型转机器码单元100根据打印精度需求而控制分层层数，即根据打印精度，对模型可以进行量化分层层数，以精确打印数据。
打印轨迹定位单元200单元是对实际打印物体本身的喷头喷丝打印路径进行信号采集工作，需要获得喷头的实时位置信息。为使打印机具备这项功能，具体的路径获得方法，本发明不作限制。
优选地，如图2所示的3D打印机，在3D打印机的打印平台3上设置了激光测距装置1，用以实时采集打印喷头4在打印物体2时的位置信息。此方法是基于测距的定位技术，即测量目标与若干点之间的距离，或测量目标与若干点之间的角度或方向，利用边或三角关系或极大似然估计发来定位。三边测量法(Trilateration)是计算坐标的基本途径，其主要原理是：未知打印喷头4点M到参考点A的距离d1，那么M可能出现在以A为圆心，d1为半径的圆上；若再知道M到另一参考点B的距离d2，那么M可能出现在以B为圆心，d2为半径的圆上，M可能出现在两圆相交的任意一个交点上；此时若再知道M到第三个参考点C的距离d3，在测距精确的前提下，以C为圆心，d3为半径的圆一定与上述两个圆交于一点，即可确定M的坐标。
如图3所示，参考点A、B、C的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),到打印喷头4点M的距离分别为d1，d2，d3，假设M的坐标为(x，y)，用公式表示为：
求解M的坐标(x，y)为：
优选地，利用通过打印检测装置量测X，Y，Z三个方向步进电机的旋转角度后通过计算获得喷头位置信息等。另外，在本实施例中，还包括喷头喷丝速率采集单元10，即对喷头喷丝的计量感应的装置，以获得实时的喷丝速率数据。所述打印轨迹绘制单元300通过所述喷头的喷丝速率和所述喷头的位置信息绘制实际打印轨迹线，可以得到出喷头轨迹任意位置处的打印轮廓曲线。
本发明的可检测打印还原度的3D打印机还包括喷头喷丝速率检测单元20，用于实时比较预设喷丝速率与所述喷头喷丝速率采集单元20所采集的喷丝速率，以检测喷丝速率是否在正常范围内，其实现的目的在于对打印质量进行监控。优选方案中，通过对喷头挤料量监控或者通过喷头距离感应装置来实时获得每一个位置喷头挤出的料是否达到预定目标。假设预定料高度为H，设定可以接受的范围为X，当实际打印时喷头挤料形成的高度超出正负X范围，将需要及时采用补救的方法，以弥补打印质量偏差，对于正向X，即突出的部分，下一层打印时将减少材料供给，对于凹陷的部分，下一层打印时将加大供给，以平衡实际打印的高度偏差。
打印轨迹绘制单元300对采集到的轨迹线绘制，以与同层模型的预定打印轨迹线进行实时对比。所谓绘制实际是将喷头喷丝打印模型实体时按次序记录打印坐标，并结合打印机喷头直径信息和打印机喷头距离感因装置绘制出立体轨迹线，轨迹线宽度使用喷头宽度，高度根据喷头距离数据计算获得。
还原度分析单元400将同层的预定打印轨迹线与实时的实际喷头打印轨迹线进行比对，以确定偏差程度。偏差程度的比较计算可以由多种方式，如线条吻合度，以吻合的比例来计量匹配度。也可以以采用面积匹配算法，如图4虚线是预定的仿真打印轨迹线，实线部分是实际打印轨迹线。图4中，打印起点从A点到B点之间虽有部分偏移，但总体还在可接受范围内；B点之后可能因步进马达等原因导致轨迹发生错位，目标点应该在D结果实际打印在C。可以设定允许偏差的误差范围，超出时报警单元500将发出警报并停止打印。对于立面的偏差可以借助纵向切分为细小的段，再以投影方式来比较吻合度。
如图5所示，对于总体的匹配度计算如下：记层为i，预定模拟打印轨迹线面积Mi，记录实际打印轨迹线覆盖在模拟轨迹线面积上的区域面积为Ni，匹配度(还原度)Ki＝(Ni/Mi)*100％，整个模型的匹配度取所有面的平均值即可。
如图6所示，本发明还提供一种可检测打印还原度的3D打印机的打印还原度检测方法，包括
将3D模型转换为机器码，同时需要按层来进行机器码的传送与仿真切片，获得模型的预定打印轨迹线；
实时采集喷头的位置信息；
根据喷头的位置信息绘制实际打印轨迹线；
比较所述预定打印轨迹线与所述实际打印轨迹线得出匹配结果，以检测打印的还原度。
优选的，在上述过程中，除了实时采集喷头的位置信息以外，还实时采集喷头的喷丝速率，通过喷头的位置信息和喷丝速率绘制实际打印轨迹线，使得获得的实际打印轨迹线更为准确。
本发明借助获得实际打印物体的位置信息来构建轮廓，并与模型信息进行对比，以实时监控打印还原度，有以下优点：
1.一旦发现严重还原度问题时，可以通过报警并自动停止打印，节省耗材和时间
2.综合计算所有层的还原度(形状匹配度)，给出模型还原度量化指针
3.当打印多个模型的还原度均偏差较大时，具备判定3D打印机精度能力，可以提醒需要对打印机进行精度维护。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种可检测打印还原度的3D打印机，其特征在于，包括：
3D模型转机器码单元，用于将3D模型转换为机器码，同时按层进行所述机器码的传送与仿真切片，获得模型的预定打印轨迹线；
打印轨迹定位单元，用于实时采集打印机喷头的位置信息；
打印轨迹绘制单元，连接所述打印轨迹定位单元，用于根据所述喷头的位置信息绘制每一层的实际打印轨迹线；
还原度分析单元，用于比较所述预定打印轨迹线与所述实际打印轨迹线得出匹配结果，以检测打印的还原度；以及
喷头喷丝速率采集单元，用于实时采集所述喷头的喷丝速率，所述打印轨迹绘制单元通过所述喷头的位置信息和所述喷头喷丝速率采集单元采集到的喷头的喷丝速率绘制实际打印轨迹线。
2.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，还包括报警单元，当所述匹配结果超过一预设值时，所述打印机本体停止打印且所述报警单元进行报警。
3.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述打印轨迹定位单元包括激光测距装置，并通过所述激光测距装置实时采集所述喷头的位置信息。
4.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，还包括喷头喷丝速率检测单元，用于实时比较预设喷丝速率与所述喷头喷丝速率采集单元所采集的喷丝速率，以检测喷丝速率是否在正常范围内。
5.如权利要求4述的3D打印机，其特征在于，喷丝速率以每一层的料高来衡量，假设预定料高度为H，设定可以接受的范围为X，当实际打印时喷头挤料形成的高度超出正负X范围，将需要及时采用补救的方法，以弥补打印质量偏差；对于突出的部分，下一层打印时将减少材料供给，对于凹陷的部分，下一层打印时将加大供给，以平衡实际打印的高度偏差。
6.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述还原度分析单元通过分析线条吻合度得出匹配结果。
7.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述还原度分析单元通过分析面积匹配度得出匹配结果。
8.一种3D打印机的打印还原度检测方法，其特征在于，包括：
将3D模型转换为机器码，同时需要按层来进行机器码的传送与仿真切片，获得模型的预定打印轨迹线；
实时采集喷头的位置信息；
根据喷头的位置信息绘制实际打印轨迹线；
比较所述预定打印轨迹线与所述实际打印轨迹线得出匹配结果，以检测打印的还原度；
实时采集喷头的喷丝速率，通过喷头的位置信息和喷丝速率绘制实际打印轨迹线。
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