CN109774153A - 一种3d打印方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D打印方法及系统。方法包括：确定扫描对象；对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；对所述点云数据进行处理，得到数字模型；对所述数字模型进行3D打印，得到实体。本发明将3D打印技术与3D扫描技术结合设计打印模型，先通过扫描获得三维点云数据，通过对点云数据的处理获取数字模型，通过打印技术将数字模型最终转为实体，实现原物品的复制，能够大大提高设计、生产产品的效率。

Description

一种3D打印方法及系统

技术领域

本发明涉及打印领域，特别是涉及一种3D打印方法及系统。

背景技术

从1986年Charles Hull建立3D Systems公司、生产第一台3D打印机到现在，短短的30年间，3D打印技术得到迅速的进步与应用。我国在1994年制造出第一台增材打印机，其原理就是在三维坐标下把需要打印的实体分为有限个平面，分别打印出每个平面内的部分，然后把这些部分组合，最终形成实体。

3D打印技术拥有它特有的优点，一是3D打印比传统的技术更加灵活，制造结构复杂的物体也不会增加成本，一些传统工业设备功能有限，能够做出的模型也有限，3D打印可直接通过设计不同地的模型或者程序就能做到；二是可以减少废弃的材料，传统制造业加工中大量的金属制造使用的原材料被废弃，而一些3D打印使用的原料却能够回收利用；三是3D打印技术可以与3D扫描技术结合使用，一起提升数字扫描和实体之间转变的分辨率，可以通过逆向工程扫描、数字模型处理、打印来复制实体对象。同时，3D打印的节省材料、节省能源的一些优点非常符合我国的可持续发展战略，无论是高校研究所、生产的企业等都在涉足3D打印产业。

但同时3D打印也存在着它的缺陷。目前我们使用的很多是桌面级的3D打印机，打印效率普遍较低且打印时间比较长，同时会受到尺寸限制，对于超过尺寸的物体或是选择等比例缩小打印，或者将实体模型分割为不同的部分，分别打印再组合；还有一点是打印结束后，支撑部分的材料去除比较麻烦；同时3D打印在批量生产方面还有很大的发展空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印方法及系统，能够将数字模型转为实体，大大提高设计、生产产品的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种3D打印方法，包括：

确定扫描对象；

对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；

对所述点云数据进行处理，得到数字模型；

对所述数字模型进行3D打印，得到实体。

可选的，所述对所述点云数据进行处理，得到数字模型，具体包括：

对所述点云数据进行去噪，得到去噪后的点云文件；

对所述去噪后的点云文件进行拼接，得到拼接的点云文件；

对所述拼接的点云文件进行孔洞修复，得到封闭的数字模型。

可选的，所述对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据，具体包括：

对所述扫描对象的面进行扫描，扫描完成后，将所述扫描对象转动设定角度，继续扫描所述扫描对象的其他面，直至对所述扫描对象的每个面都进行一次扫描，得到点云数据。

可选的，所述对所述数字模型进行3D打印，得到实体之前还包括：

将所述数字模型导出为stl文件格式，得到三维三角形平面模型。

一种3D打印系统，包括：

扫描对象确定模块，用于确定扫描对象；

扫描模块，用于对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；

处理模块，用于对所述点云数据进行处理，得到数字模型；

3D打印模块，用于对所述数字模型进行3D打印，得到实体。

可选的，所述处理模块，具体包括：

去噪单元，用于对所述点云数据进行去噪，得到去噪后的点云文件；

拼接单元，用于对所述去噪后的点云文件进行拼接，得到拼接的点云文件；

修复单元，用于对所述拼接的点云文件进行孔洞修复，得到封闭的数字模型。

可选的，所述扫描模块，具体包括：

扫描单元，用于对所述扫描对象的面进行扫描，扫描完成后，将所述扫描对象转动设定角度，继续扫描所述扫描对象的其他面，直至对所述扫描对象的每个面都进行一次扫描，得到点云数据。

可选的，所述系统还包括：

导出模块，用于将所述数字模型导出为stl文件格式，得到三维三角形平面模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种3D打印方法，将3D打印技术与3D扫描技术结合，设计打印模型，先通过扫描获得三维点云数据，通过对点云数据的处理获取数字模型，通过打印技术将数字模型最终转为实体，实现原物品的复制，大大提高了设计、生产产品的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3D打印方法流程图；

图2为本发明实施例3D打印系统结构图。

具体实施方式

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做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。

本发明的目的是提供一种3D打印方法及系统，能够将数字模型转为实体，大大提高设计、生产产品的效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例3D打印方法流程图。如图1所示，一种3D打印方法，包括：

步骤101：确定扫描对象；

使用微深的三维扫描仪进行扫描，在电脑上安装相应的Vtop Studio软件连接，首先运用标定靶将扫描仪进行标定，需要进行5个方向的标定，来调整摄像头角度和高度。标定成功后选择扫描对象，待扫描的物体不能是深黑色或者表面透明，否则扫描不出图像，需要使用显像剂才可扫描。另外考虑到相机采集区域有限，打印机打印的大小限制，我们最终选择了一个玩具小人进行扫描。在物体的每个扫描面都贴上不少于3个标记点，这样有利于后续的点云拼接。图像采集的过程对周围的光源也有要求，需要稳定的光源，同时光源不能影响扫描仪发射出的光栅，否则采集的图像将会缺少一块。

步骤102：对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；

对所述扫描对象的面进行扫描，扫描完成后，将所述扫描对象转动设定角度，继续扫描所述扫描对象的其他面，直至对所述扫描对象的每个面都进行一次扫描，得到点云数据。例如，每次转动25度，这样能够保证最后扫描点云数据文件不同的点有重叠的地方，手动拼接的时候可以拼接到一起，物体横向纵向都要进行图像采集，即图像扫描。

步骤103：对所述点云数据进行处理，得到数字模型；具体的，包括：

对所述点云数据进行去噪，得到去噪后的点云文件；

对所述去噪后的点云文件进行拼接，得到拼接的点云文件；

对所述拼接的点云文件进行孔洞修复，得到封闭的数字模型。

对于去噪：

因为Vtop Studio软件没有合适的自动拼接方案，所以选择进行手动拼接。首先对点云数据去噪声，在Vtop Studio中得到扫描数据就可操作，把过于远离扫描中心，分散在周围的单个点选中删掉，将不同方向得到的点云数据分别存储为asc格式的点云文件。

对于拼接：

点云的拼接和孔洞的修复使用的软件是Geomagic，首先将全部的点云文件导入软件，全部选中然后进行手动注册，也就是手动拼接，首先选中一个点云文件为基础坐标，另一个点云文件与它拼接合成一个新的点云文件，然后再以新合成的点云文件为基础，其他点云数据按照此方法依次往上拼接，注意拼接时的模型方向选择要一致，可以通过标记点或者玩具小人表面的特征点来找重叠的部分，更容易拼接成功；拼接的过程中，同一个方向的扫描结果也会由于光照不同导致数据的分布也有不同，可以全部加入拼接，会保留重叠的部分，减少数据的缺失。此时被扫描实物的数字模型大体上就完成了。

对于孔洞修复：

可以看出拼接完的整个模型比较粗糙，还有大量孔洞，边界也不清晰，由于3D打印只能打印封闭的网络，这时要对模型进行修补，使整个模型成为一个封闭的实体。可以在多边形选项中选择手动的单个孔填充，将孔洞自动选择，根据曲率或者方向等进行填充，但是单个填充比较麻烦，而且许多分布密集的小孔洞不可能全部填充上；所以实验中选择将模型全选中后，直接进行全局修复，可以完全填充。但是软件进行填充也有缺点，如果模型有较大的孔洞，需要填充的面积较大，该面积内曲率的变化也较大，填充的部分很可能会有形变，不如原物体表面光滑。所以尽量在扫描的时候多扫描几次点云数据，拼接的时候多用一些数据，尽量减少孔洞。完成拼接后可以再进行一次去噪声，将多余的干扰点云删除，由于扫描的物体比较大，实验的精度不是很高，可以直接手动删除噪声点，此时的模型是一个较为封闭的模型，可以进行点云合并等操作。

步骤104：对所述数字模型进行3D打印，得到实体。

所述对所述数字模型进行3D打印，得到实体之前还包括：

将所述数字模型导出为stl文件格式，得到三维三角形平面模型。

将数字模型导出为stl格式的文件。stl格式是一种储存三维模型信息的格式，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形平面来近似表示。stl格式的文件是一种空间闭合的、有界的表示物体的模型，具有物体的点、线、面等工程信息。将处理好的模型导出为stl格式，就是对模型进行表面三角形小平面化处理，类似将它进行网格划分，可达到工程允许的精度，stl文件格式简单，是3D打印技术使用的标准文件格式，可直接导入3D打印机。

实验使用的3D打印机为Uprint SEplus，该设备使用FDM熔融沉积型技术，用料为ABSplus热塑性塑料，能够打印出使用寿命较长、稳定、高分辨率的原型和功能性模型。打印时区分分层的薄厚，用户可以选择以快30％的速率或者以更高的分辨率进行打印。同时打印机的底部配备了双材料仓，不间断的打印时长更长。与打印机配套的软件是CatalystEX。

通过网线将打印机与工作站(计算机)相连，将打印机联网。

通过设置静态网络建立打印机的通信。在打印机空闲状态下，在显示面板上选择维护-系统-设置网络，找到静态的IP地址，并在电脑属性中修改IP地址。

将CatalystEX软件与打印机相连。在CatalystEX软件中选择常规-管理3D打印机选项，输入打印机的静态IP地址，然后添加打印机即可。

在打印机上进行固件升级，点击维护-系统-加载升级。

将stl文件导入CatalystEX。在常规-属性一栏中选择较薄的层厚0.245mm，可以提升玩具小人表面平整度；模型内部选择疏松—高密度，可以节省打印的原材料；支撑填充方式选择SMART，因为打印机是从底座开始往上打印，会根据将要打印的结构生成对应的支撑方式，通过SMART方式可以减少原材料，减少制作时间；玩具小人在stl文件中的大小是1400*3165*1655mm，考虑到打印机的打印范围，将模型进行了0.03比例的缩小，缩小后将要打印的模型大小为42*95*50mm。

选择打印过程中模型的摆放方向也是十分重要的一步。方向会影响打印的速率、玩具小人的韧性、表面的平整度、原材料的使用量。数字模型是处在三维坐标系下，一般来说，打印机在X-Y平面的打印速度比沿着Z轴打印时的速度快。

最后，将stl文件添加到模型包，点击打印按钮，将创建一个CMB文件，打印机将据此打印玩具小人模型。由于玩具小人模型打印时间较长，可以在打印机开始打印后选择自动关机按钮，打印机就在打印模型完成后自动结束任务，能够节约资源。

本发明的3D打印方法，将3D打印技术与3D扫描技术结合，设计打印模型，先通过扫描获得三维点云数据，通过对点云数据的处理获取数字模型，通过打印技术将数字模型最终转为实体，实现原物品的复制，大大提高了设计、生产产品的效率。

图2为本发明实施例3D打印系统结构图。如图2所示，一种3D打印系统，包括：

扫描对象确定模块201，用于确定扫描对象；

扫描模块202，用于对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；

处理模块203，用于对所述点云数据进行处理，得到数字模型；

3D打印模块204，用于对所述数字模型进行3D打印，得到实体。

所述处理模块203，具体包括：

去噪单元，用于对所述点云数据进行去噪，得到去噪后的点云文件；

拼接单元，用于对所述去噪后的点云文件进行拼接，得到拼接的点云文件；

修复单元，用于对所述拼接的点云文件进行孔洞修复，得到封闭的数字模型。

所述扫描模块202，具体包括：

扫描单元，用于对所述扫描对象的面进行扫描，扫描完成后，将所述扫描对象转动设定角度，继续扫描所述扫描对象的其他面，直至对所述扫描对象的每个面都进行一次扫描，得到点云数据。

所述系统还包括：

导出模块，用于将所述数字模型导出为stl文件格式，得到三维三角形平面模型。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种3D打印方法，其特征在于，包括：

确定扫描对象；

对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；

对所述点云数据进行处理，得到数字模型；

对所述数字模型进行3D打印，得到实体。

2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述对所述点云数据进行处理，得到数字模型，具体包括：

对所述点云数据进行去噪，得到去噪后的点云文件；

对所述去噪后的点云文件进行拼接，得到拼接的点云文件；

对所述拼接的点云文件进行孔洞修复，得到封闭的数字模型。

3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据，具体包括：

对所述扫描对象的面进行扫描，扫描完成后，将所述扫描对象转动设定角度，继续扫描所述扫描对象的其他面，直至对所述扫描对象的每个面都进行一次扫描，得到点云数据。

4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述对所述数字模型进行3D打印，得到实体之前还包括：

将所述数字模型导出为stl文件格式，得到三维三角形平面模型。

5.一种3D打印系统，其特征在于，包括：

扫描对象确定模块，用于确定扫描对象；

扫描模块，用于对所述扫描对象进行扫描，得到点云数据；

处理模块，用于对所述点云数据进行处理，得到数字模型；

3D打印模块，用于对所述数字模型进行3D打印，得到实体。

6.根据权利要求5所述的3D打印系统，其特征在于，所述处理模块，具体包括：

去噪单元，用于对所述点云数据进行去噪，得到去噪后的点云文件；

拼接单元，用于对所述去噪后的点云文件进行拼接，得到拼接的点云文件；

修复单元，用于对所述拼接的点云文件进行孔洞修复，得到封闭的数字模型。

7.根据权利要求5所述的3D打印系统，其特征在于，所述扫描模块，具体包括：

扫描单元，用于对所述扫描对象的面进行扫描，扫描完成后，将所述扫描对象转动设定角度，继续扫描所述扫描对象的其他面，直至对所述扫描对象的每个面都进行一次扫描，得到点云数据。

8.根据权利要求5所述的3D打印系统，其特征在于，所述系统还包括：

导出模块，用于将所述数字模型导出为stl文件格式，得到三维三角形平面模型。