CN107627599B - 基于动态可组合边界的混合式三维成型方法及成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动态可组合边界的混合式三维成型方法及成型系统，属于快速成型技术领域。混合式三维成型方法包括用于识别出待打印三维物体实心规则部的识别步骤、利用浇注成型方法成型出实心规则部的浇注成型步骤及用于打印出该三维物体其余部分的三维打印步骤；浇注成型步骤包括用于构建出动态可组合边界的边界构建步骤及利用浇注方法在动态可组合边界所围区域内填充成型材料的浇注填充步骤。通过浇注成型方法替代现有三维打印方法成型出三维物体中实心规则部，有效地提高三维物体的成型速度，可广泛应用于零部件等制造技术领域。

Description

基于动态可组合边界的混合式三维成型方法及成型装置

技术领域

本发明涉及快速成型技术领域，具体地说，涉及一种基于动态可组合边界的混合式三维成型方法及适用于该混合式三维成型方法的混合式三维成型装置。

背景技术

三维打印技术，是20世纪80年代中后期发展起来的快速成型技术的深化和发展，以数字模型文件为基础，通过逐层打印材料的方式来成型物体。

通过使用三维打印技术能够快速地成型出所需物品，但许多零件往往是实心且在高度方向上的外轮廓大致相同，甚至完全相同，都需逐层切片层地打印，大幅度减慢了三维打印的速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于动态可组合边界的混合式三维成型方法，通过提高三维物体在高度方向上轮廓大致相同的部分的打印速度，以提高三维物体的整体成型速度；

本发明的另一目的是提供一种适于使用上述成型方法进行成型三维物体的混合式三维成型装置。

为了实现上述目的，本发明提供的混合式三维成型方法包括用于识别出待打印三维物体的实心规则部的识别步骤、利用浇注成型方法成型出三维物体的实心规则部的浇注成型步骤及用于打印出该三维物体其余部分的三维打印步骤；实心规则部为外轮廓在高度方向上呈规则分布的实心体部，高度方向为垂直于三维物体的数字模型的切片层层面的方向；浇注成型步骤包括：

边界构建步骤，沿实心规则部的轮廓在预定位置设置定位柱，并在相邻两定位柱间布置挡板件以围成动态可组合边界；

浇注填充步骤，利用浇注方法在动态可组合边界所围区域内填充成型材料。

通过将三维物体分成实心规则部分与其他部分，在打印平台或当前打印层面上构建动态可组合边界并在该边界所围区域内使用浇注方法浇注填充材料，从而构建出三维物体的实心规则部，并现有熔融挤压式等三维打印方法打印三维物体的其余部分，可在保证实心规则部分的打印质量与精度的前提下，提高整个三维物体的打印速度。

具体的方案为识别出待打印三维物体的实心规则部的步骤包括：识别出数字模型中的预选切片层，预选切片层为无内孔且打印面积大于等于预设面积阈值的切片层；识别出由连续布置的预选切片层构成的预选层段，预选层段高度为挡板件高度的正整数倍，且同一预选层段上的所有预选切片层的外轮廓在高度方向上大致相同。

另一个具体的方案为沿实心规则部的轮廓在预定位置设置定位柱的步骤包括：用长度为单位长度的挡板件沿外轮廓拟合出实心规则部的外轮廓线，两相邻的挡板件的连接处为预定位置；使用三维打印方法在预定位置打印出定位柱，定位柱的高度等于实心规则部的高度。利用三维打印方法构建定位柱，可便于地根据实际情况构建定位柱。

更具体的方案为用长度为单位长度的挡板件沿外轮廓拟合出实心规则部的外轮廓线的步骤包括：获取实心规则部的外轮廓线长L，使用N条挡板件逼近实心规则部的外轮廓线，N为L与单位长度比值的向上取整值。只需准备一种长度的挡板件，有效地节约成型成本及简化拟合步骤。

再一个具体的方案为挡板件包括板体部及位于板体部两端且用于套装在定位柱外的左端定位孔部与右端定位孔部，两挡板件间相邻接的左端定位孔部与右端定位孔部构成交错式拼接结构；并在相邻两定位柱间布置挡板件以围成动态可组合边界的步骤包括将挡板件依序套装在所位柱外，以拼接出单层动态可组合边界。挡板件结构简单且便于用其与定位柱配合而构建出动态可组合边界。

更具体的方案为在挡板件与定位柱间套装有空心销轴，挡板件的内侧面涂布有耐高温涂层；在将当前层挡板件套装在定位柱上之前及将前一层挡板件套装在定位柱上之后，将当前层空心销轴套装在定位柱上。通过空心定位销间接配合，即将挡板件套装在两根定位柱外时，在套进空心销轴外时，定位孔与定位柱间具有很大的间隙，有效地降低挡板件下套装配过程的精度要求，尤其是在定位柱比较长的条件下。

为了实现上述另一目的，本发明所提供的混合式三维成型装置包括控制单元及受控制单元控制的机架、边界构建单元、浇注成型单元与三维打印单元；机架包括打印平台及行走机构，行走机构上设有相对打印平台可做三维空间移动的安装座；三维打印单元包括安装在安装座上的打印头，边界构建单元包括利用挡板件构建出动态可组合边界的机械手，浇注成型单元包括安装在安装座上用于向动态可组合边界所围区域内浇注填充料的浇注口。

可利用该混合式三维成型装置实现上述混合式三维成型方法，以提高三维物体的成型速度。

一个具体的方案为行走机构包括横向支架、横移滑架及驱动横移滑架相对横向支架沿第一横向往复移动的横向致动器；安装座可滑动地安装在横移滑架上，且二者间设有用于驱动安装座相对横移滑架沿第二横向往复移动的横向致动器，第二横向与第一横向相正交。机架的结构简单，其中打印平台与安装座间在竖向上的相对运动可由升降机构驱动行走机构上下移动实现，也可由升降机构驱动打印平台上下移动实现。

另一个具体的方案为浇注口处设有用于启闭其的截止阀，浇注口与打印头沿竖向位置可调地安装在安装座上；机械手安装在安装座上，包括剪叉式伸缩机构、安装在剪叉式伸缩机构的伸缩端上的夹爪及用于驱动剪叉式伸缩机构伸缩动作的致动器。通过将机械手设置成随安装移动，有效地简化了机械手的结构与长度；此外，采用剪叉式伸缩机构作为夹爪的驱动机构，进一步简化机械手的结构。

优选的方案为控制单元包括处理器及存储器，存储器存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现上述任一技术方案所描述的混合式三维成型方法的步骤。

附图说明

图1为本发明混合式三维成型装置实施例1中行走机构、打印头、浇注口、机械手与动态可组合边界的主视示意图；

图2为本发明混合式三维成型装置实施例1中行走机构、打印头、浇注口、机械手与动态可组合边界的右视示意图；

图3为本发明混合式三维成型装置实施例1中行走机构、打印头、浇注口、机械手与动态可组合边界的俯视示意图；

图4为本发明混合式三维成型装置实施例1中动态可组合边界的俯视示意图；

图5为本发明混合式三维成型装置实施例1中挡板件的主视示意图；

图6为本发明混合式三维成型装置实施例1中挡板件的俯视示意图；

图7为本发明混合式三维成型装置实施例1中空心销轴的立体图；

图8为本发明混合式三维成型方法实施例1中浇注步骤的工作流程图；

图9为本发明混合式三维成型方法实施例1中浇注填充步骤的过程示意图；

图10为本发明混合式三维成型装置实施例2中挡板件的俯视示意图；

图11为本发明混合式三维成型装置实施例2中动态可组合边界的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

混合式三维成型装置及成型方法实施例1

参见图1至图3，本发明混合式三维成型装置1包括机架、控制单元、三维打印单元、浇注成型单元及用于构建出动态可组合边界8的边界构建单元。

机架包括行走机构2及用于承载打印中三维物体的打印平台，行走机构2包括横向支架、横移滑架21、安装座22、第一横向致动器与第二横向致动器。横向支架包括支撑轴承座23、支撑轴承座24、支撑轴承座25、支撑轴承座26、支撑轴承座27及支撑轴承座28。

横移滑架21通过沿Y轴布置的横向导轴210、211而可沿第一横向滑动地安装在横向支架上。

第一横向致动器包括步进电机30、同步带31、传递杆32、同步带33、同步带34及传递杆35，传递杆32通过轴承而可转动地支撑在支撑轴承座23、24、25及28上，传递杆35通过轴承而可转动地支撑在支撑轴承座26、27上，传递杆32与传递杆35相平行布置；步进电机30的转子轴上固设有带轮301，传递杆32上固设有带轮321、322及323，传递杆35上固设有带轮351、352；同步带32套装带轮301与带轮321上，同步带33套装在带轮322与带轮351上，同步带34套装在带轮323与带轮352上，同步带33的一边与横移滑架21的一端固定连接，同步带35的一边与横移滑架21的另一端固定连接。从而使步进电机30通过同步带31、传递杆32与传递杆35驱动同步带33、34同步地往复转动，从而推动横移滑架21沿导轴210、211往复移动。

安装座22通过沿X布置的横向导轴220而可沿第二横向滑动地安装在横移滑架21上。

第二横向致动器包括步进电机41、带轮42、同步带43及带轮44，带轮42固设在步进电机41的转子轴上，带轮44可转动地安装在横移滑架21上，同步带42套装在带轮42与带轮44上，同步带43的一边与安装座22固定连接；从而使步进电机41通过同步带43推动安装座22沿导轴220往复移动。

通过第一横向致动器与第二横向致动器驱动安装座22在X-Y平面内做二维平面移动。在本实施例中，横向是指沿平行于X-Y平面布置的水平方向，通过设置升降机构驱动行走机构2沿Z轴往复移动，从而使安装座22相对打印平台做三维空间移动；也可通过升降机构驱动打印平台沿Z轴往复移动而使安装座22相对打印平台做三维空间移动。

三维打印单元包括通过安装板500安装在安装座200上的打印头5，打印头5具有打印喷嘴51、加热熔融腔及用于将成型丝料50输送至加热熔融腔内加热至呈熔融状态的送料装置，送料装置通常为一对相互挤压在成型丝料50两侧的送料滚轮，经加热至呈熔融状态的成型材料在后续成型丝的推送下而从打印喷嘴51挤出，从而打印出三维物体的切片层结构，即在本实施例中，三维打印单元为一熔融挤压式三维打印装置。且安装板500上设有多个在Z轴上位置不同的安装孔，从而使打印头5在安装座22上的竖向位置可调。

浇注成型单元包括通过安装板61安装在安装座22上的浇注口6，浇注口6通过送料管600与浇注料输送装置连通，其中浇注料可选自与三维打印单元中的成型材料相同材质的材料，只是在加热至熔融状态后通过送料管600输送至浇注口6送出，也可选自其它填充材料，比如混杂有加强丝的熔融成型材料，在送料管600与浇注口6间设有用于启闭浇注口6的截止阀60。且安装板600上设有多个在Z轴上位置不同的安装孔，从而使浇注口6在安装座22上的竖向位置可调。

边界构建单元包括安装在安装座22上的机械手8及用于盛装动态可组合边界零部件的盛装箱，在本实施例中，零部件包括如图5所示的挡板件81与如图7所示的空心销轴82，机械手8包括剪叉式伸缩机构、安装在该剪叉式伸缩机构伸缩端上的夹爪及用于驱动剪叉式伸缩机构伸缩动作的致动器，从而通过行走机构2将其推送至盛装箱的上方，并通过致动器驱动夹爪伸至盛装箱内抓取相应的零部件，接着随安装座22运送会至预定位置进行组装出动态可组合边界8。

参见图4至图7，动态可组合边界8由多个长度均为单位长度的挡板件81通过空心销轴82而头尾依次相连接构成的圈型边界结构。

挡板件81包括板体部810及位于板体部810两端的左端定位孔部811与右端定位孔部812，当两个挡板件81相拼接时，则邻接的左端定位孔部811与右端定位孔部构812构成交错式拼接结构，以在二者间构建出具有一定密封性能的连接部。

混合式三维成型装置的控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现获取步骤、识别步骤、浇注成型步骤与三维打印步骤，即混合式三维成型方法，从而实现使用上述混合式三维成型装置1成型出三维物体。

获取步骤，获取待打印三维物体的数字模型，比如STL格式的模型数据，在该数字模型中，三维物体的高度方向为沿垂直于模型切片层的层面的方向。

识别步骤，识别出上述数字模型所表征的待打印三维物体的实心规则部。实心规则部为外轮廓在高度方向上呈规则分布的实心体部。具体步骤包括：

(1)识别出数字模型中的预选切片层，该预选切片层为无内孔且打印面积大于等于预设面积阈值的切片层。

(2)识别出由连续布置的预选切片层构成的预选层段，该预选层段高度挡板件高度的正整数倍，且同一预选层段上的所有预选切片层的外轮廓在所述高度方向上大致相同。

获取预选层段的具体方案为，(1)判断两相邻切片层的外轮廓是否大致相同的方案包括：先通过比较两个切片层的面积之差是否在预定阈值之内，接着判断两个切片层的周长之差是否在预定阈值之内；若上述两个条件均为在预定阈值之内，则判断两外轮廓上对应抽样点的坐标相差度是否小于预定阈值，小于则认为二者外轮廓大致相同，相差度采用所有对应抽样点的坐标之差的方差之和来表征，其中，N为抽样点数，1、2分别表示相邻两个切片层上的抽样点；(2)直至获取轮廓大致相同且连续布置的切片层累积厚度大于等于挡板件的高度，若超过挡板件高度的整数倍，则将超过的部分视为非实心规则部进行打印。

获取预选层段还可采用以下方案，判断内部打印面积大于预设面积阈值且没有内孔的区域在给定挡板高度h内是否有变化；若无变化，则计算该区域外轮廓不变的层高H，根据挡板层高h，计算出在高度方向上需要n＝H/h层挡板，并对n进行截尾取整。

浇注成型步骤，利用浇注成型方法成型出三维物体的实心规则部。如图8所示，浇注成型步骤包括边界构建步骤S1与浇注填充步骤S2。

边界构建步骤S1，沿实心规则部的轮廓在预定位置设置定位柱，并在相邻两定位柱间布置挡板件以围成动态可组合边界。具体方案为：

(1)用长度为单位长度的挡板件沿外轮廓拟合出实心规则部的外轮廓线，两相邻的挡板件的连接处为预定位置。具体为获取实心规则部的外轮廓线长L，使用N条挡板件逼近实心规则部的外轮廓线，N为L与单位长度比值的向上取整值。即采用N条单位长度的线段逼近外轮廓，并计算出线段端点的坐标。

(2)使用三维打印方法在预定位置打印出定位柱，定位柱的高度等于实心规则部的高度。根据上述步骤(1)所计算出的端点坐标，通过打印头5打印出端点处定位柱，高度为挡板件高度的N倍。

当然了，也可通过设置其他区别于打印头6的模块打印出定位柱。

(3)根据所确定位置，通过机械手7上的夹爪抓取空心销轴82固定在所打印的定位柱上，再利用机械手抓取可组合挡板件81安装于空心销轴82上，完成外轮廓挡板的安装，即构建出一个动态可组合边界。

浇注填充步骤S2，如图9所示，使用浇注口6以利用浇注方法在动态可组合边界8所围区域内填充成型材料。

三维打印步骤，用于打印出所述三维物体除实心规则部之外的其他部分。

在上述打印方法中，三维打印步骤与浇注成型步骤没有固定顺序，其根据识别步骤的识别结果进行安排顺序。

混合式三维成型装置及成型方法实施例2

作为对本发明混合式三维成型装置及成型方法实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

参见图10及图11，挡板件91的左端定位孔部911、右端定位孔部912同时位于板体部910的内侧，从而在构建动态可组合边界9时，使其外围壁为大致光滑面结构，有效地提高实心规则部的打印质量。

此外，在本实施例中，略去套装在挡板件的端定位孔部的定位孔与定位柱之间的空心销轴，而使定位柱与定位孔在径向上相适配进行套装而实现定位。

本发明的主要构思是通过在现有三维打印方法及打印装置的基础上，通过识别出三维物体中的实心规则部，以利用浇注成型方法成型出该实心规则部，并利用三维打印技术打印出三维物体的其余部分，以提高三维物体的成型速度。根据本构思，在上述实施例中，混合式三维成型方法为使用本发明混合式三维成型装置为例进行说明，其还可适用于其他结构的三维打印系统进行打印，并不局限于上述各实施例中的混合式三维打印系统。

Claims (10)

1.一种基于动态可组合边界的混合式三维成型方法，包括用于识别出待打印三维物体的实心规则部的识别步骤、利用浇注成型方法成型出所述实心规则部的浇注成型步骤及用于打印出所述三维物体其余部分的三维打印步骤；

所述实心规则部为外轮廓在高度方向上呈规则分布的实心体部，所述高度方向为垂直于所述三维物体的数字模型的切片层层面的方向；

所述浇注成型步骤包括：

边界构建步骤，沿实心规则部的轮廓在预定位置设置定位柱，并在相邻两定位柱间布置挡板件以围成动态可组合边界；

浇注填充步骤，利用浇注方法在所述动态可组合边界所围区域内填充成型材料。

2.根据权利要求1所述的混合式三维成型方法，其特征在于，所述识别出待打印三维物体的实心规则部的步骤包括：

识别出所述数字模型中的预选切片层，所述预选切片层为无内孔且打印面积大于等于预设面积阈值的切片层；

识别出由连续布置的所述预选切片层构成的预选层段，所述预选层段高度为所述挡板件高度的正整数倍，且同一预选层段上的所有预选切片层的外轮廓在所述高度方向上大致相同。

3.根据权利要求1所述的混合式三维成型方法，其特征在于，所述沿实心规则部的轮廓在预定位置设置定位柱的步骤包括：

用长度为单位长度的所述挡板件沿外轮廓拟合出实心规则部的外轮廓线，两相邻的挡板件的连接处为所述预定位置；

使用三维打印方法在所述预定位置打印出所述定位柱，所述定位柱的高度等于实心规则部的高度。

4.根据权利要求3所述的混合式三维成型方法，其特征在于，所述用长度为单位长度的所述挡板件沿外轮廓拟合出实心规则部的外轮廓线的步骤包括：

获取实心规则部的外轮廓线长L，使用N条所述挡板件逼近实心规则部的外轮廓线，N为L与所述单位长度比值的向上取整值。

5.根据权利要求1所述的混合式三维成型方法，其特征在于：

所述挡板件包括板体部及位于所述板体部两端且用于套装在所述定位柱外的左端定位孔部与右端定位孔部，两挡板件间的相邻接的左端定位孔部与右端定位孔部构成交错式拼接结构；

所述并在相邻两定位柱间布置挡板件以围成动态可组合边界的步骤包括将所述挡板件依序套装在所述定位柱外，以拼接出单层动态可组合边界。

6.根据权利要求5所述的混合式三维成型方法，其特征在于：

在所述挡板件与所述定位柱间套装有空心销轴，所述挡板件的内侧面涂布有耐高温涂层；

在将当前层挡板件套装在所述定位柱上之前及将前一层挡板件套装在所述定位柱上之后，将当前层空心销轴套装在所述定位柱上。

7.一种基于动态可组合边界的混合式三维成型装置，其特征在于，包括控制单元及受所述控制单元控制的机架、边界构建单元、浇注成型单元与三维打印单元；

所述机架包括打印平台及行走机构，所述行走机构上设有相对所述打印平台可做三维空间移动的安装座；

所述三维打印单元包括安装在所述安装座上的打印头，所述边界构建单元包括利用挡板件构建出所述动态可组合边界的机械手，所述浇注成型单元包括安装在所述安装座上用于向所述动态可组合边界所围区域内浇注填充料的浇注口。

8.根据权利要求7所述的混合式三维成型装置，其特征在于：

所述行走机构包括横向支架、横移滑架及驱动所述横移滑架相对所述横向支架沿第一横向往复移动的横向致动器；

所述安装座可滑动地安装在所述横移滑架上，且二者间设有用于驱动所述安装座相对所述横移滑架沿第二横向往复移动的横向致动器，所述第二横向与所述第一横向相正交。

9.根据权利要求7所述的混合式三维成型装置，其特征在于：

所述浇注口处设有用于启闭其的截止阀，所述浇注口与所述打印头沿竖向位置可调地安装在所述安装座上；

所述机械手安装在所述安装座上，包括剪叉式伸缩机构、安装在所述剪叉式伸缩机构的伸缩端上的夹爪及用于驱动所述剪叉式伸缩机构伸缩动作的致动器。

10.根据权利要求7至9任一项权利要求所述的混合式三维成型装置，其特征在于：

所述控制单元包括处理器及存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现权利要求1至6任一项权利要求所述的混合式三维成型方法的步骤。