CN110406097A - 一种复合3d打印方法及系统 - Google Patents

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江姣龙
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黄华锋
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Abstract

本发明公开了一种复合3D打印方法及系统，包括以下步骤：设计出待打印工件的三维实体模型；进行逐层切片处理，并生成多层打印层的图形数据；工作平台运动到光敏树脂液面处；工作平台下降一层打印层厚度的距离；刮平装置水平运动将光敏树脂刮平；将对应打印层的图形数据分离成高精度区域和低精度区域；高精度区域的数据传给激光扫描系统，固化成图案；精度低区域的数据传给投影系统，固化成图案；将光敏树脂刮平，在上一层树脂上继续覆盖另一层液态树脂；将此层液态树脂预定区域固化处理，新固化层牢固地粘结在前一固化层上，一层层叠加而成三维工件模型。有益效果：可以根据产品需求选择复合的工艺参数，以满足产品特定的性能需求。

Description

一种复合3D打印方法及系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体来说，涉及一种复合3D打印方法及系统。
背景技术
3D打印：也称为增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。SLA(steroligographapparatus)即光固化立体造型和DLP(Digital Light Procession)即为数字光处理是两种比较成熟的3D打印技术。
SLA原理为：以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外光线激光以预定零件各分层截面的轮廓面为轨迹对液态树脂逐点、逐层进行扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应而固化成型。
DLP原理为：以光敏树脂为原料，将预定零件各分层截面的图像通过DLP紫外光线投影逐层照射在树脂上，使被照射区的树脂薄层产生光聚合反应而固化成型。
由SLA和DLP的原理可知，SLA是逐点逐层扫描固化光敏树脂，而DLP是逐层面曝光固化光敏树脂，因此DLP比SLA打印速度快得多。但是由于DLP是数字光处理投影，其分辨率一定，对应小幅面打印精度很高，对于大幅面其打印精度很低。而SLA是激光点扫描，其打印精度主要取决于激光光斑和轨迹，受幅面的影响很小。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种复合3D打印方法及系统，结合SLA和DLP各自的特点，取长补短，克服各自的缺点，兼顾了幅面、效率、精度三方面的需求，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种复合3D打印方法，该复合3D打印方法包括以下步骤：
步骤一、通过绘图软件设计出待打印工件的三维实体模型；
步骤二、将三维实体模型进行逐层切片处理，并生成多层打印层的图形数据；
步骤三、升降系统垂直向上运动，驱动工作平台运动到光敏树脂液面处；
步骤四、升降系统垂直向下运动，驱动工作平台下降一层打印层厚度的距离；
步骤五、刮平装置水平运动将光敏树脂刮平，使工作平台上均匀附着一层打印层厚度的光敏树脂；
步骤六、将对应打印层的图形数据依次分离成高精度区域和低精度区域；
步骤七、高精度区域的数据传给激光扫描系统，控制振镜将激光光束按照预定的轨迹照射工作平台上对应区域树脂，固化成图案；精度低区域的数据传给投影系统，投影系统控制紫外光源发出的光按照预定的图案照射工作平台的光敏树脂，固化成图案；当一层加工完毕后，就复合固化生成了零件的一个截面；
步骤八、升降系统带动工作平台继续下降一层打印层厚度的距离；
步骤九、刮平装置水平运动，将光敏树脂刮平，在上一层树脂上继续覆盖另一层液态树脂；
步骤十、再进行步骤六和步骤七将此层液态树脂预定区域固化处理，新固化层牢固地粘结在前一固化层上，一层层叠加而成三维工件模型。
进一步的，所述绘图软件包括3DMAX软件、MAYA软件、UG软件、CAD软件或CAM软件中的至少一种。
进一步的，将三维实体模型进行逐层切片处理，并生成每层打印层的图形数据的步骤还包括：
将所述三维实体模型置于三维坐标系中，并使所述三维实体模型的打印方向与所述三维坐标系的z轴的方向重合；
获取所述三维实体模型映射在z轴方向上最大值和最小值；
以z轴上的最小值到z轴上的最大值为方向，根据所述预设的打印层厚度，对所述三维实体模型进行分层，获得多层打印层的图形数据。
进一步的，每个所述打印层包括至少一个多边形。
进一步的，将对应打印层的图形数据依次分离成高精度区域和低精度区域的步骤还包括：
在所述打印层上建立直角坐标系，过所述直角坐标系的原点的射线与所述直角坐标系的x轴的夹角建立所述打印层所在平面旋转角；
预先配置每个所述打印层所在的平面旋转角为第一旋转角；
采用扫描线方式，并根据所述第一旋转角对每个所述打印层进行分割，获得第一矩形块，即为低精度区域；
根据每个所述打印层的矩形块，采用遗传算法，获得第二旋转角；
根据所述第二旋转角，获得与所述第二旋转角对应的第二矩形块，即为高精度区域。
进一步的，所述遗传算法的计算模型为Ε(α)＝argminθF(θ)，其中θ为所述第一旋转角，α为所述第二旋转角，F(θ)为所述第一旋转角所对应的第一矩形块，Ε(α)为所述第二旋转角所对应第二矩形块。
进一步的，采用对第一旋转角进行基因编码；
其中，INTMAX＝216-1，b为二进制的形式，是由16个0、1组成的二进制串，θ为第一旋转角；
其中，θ为所述第一旋转角，fi(θ)为打印层中的一个多边形所对应的第一矩形块，n为所述打印层中的多边形的个数，F(θ)为所述第一旋转角所对应的打印层的第一矩形块。
进一步的，采用扫描线方式，并根据所述第一旋转角对每个所述打印层进行分割，获得第一矩形块，即为低精度区域的步骤还包括：
获取每个所述打印层中的多边形上的点，以原点为中心做第一旋转角的变化，获得变换后的多边形；
根据所述变换后的多边形，确定所述变换后的多边形的边界值，以获得所述变换后的多边形的外接矩形；
根据所述变换后的多边形的外接矩形的底部顶点和打印机的尺寸的高度，做平行于x轴的扫描线，获得扫描线与所述变换后的多边形的外接矩形的相交点集；
对所述扫描线与所述变换后的多边形的外接矩形的相交点集进行删除和包含的处理，获得处理后的相交点集；
对所述处理后的相交点集，采用打印机尺寸相同的矩形块进行平铺，获得每个打印层的第一矩形块。
进一步的，根据每个所述打印层的矩形块，采用遗传算法，获得第二旋转角的步骤包括：
采用二进制串对所述第一旋转角进行基因编码，并采用基因交叉重叠的方式对所基因编码的个体进行交配，获得新的基因编码的个体；
对所述新的基因编码的个体采用基因编码位突变的方式进行基因的变异，获得新的基因个体，进而获得所述第二旋转角。
根据本发明的另一方面，提供了一种复合3D打印系统。
该复合3D打印系统包括光敏容器，所述光敏容器内部设置有工作平台，所述工作平台的顶端设置有待打印工件，所述光敏容器内部填充光敏树脂，所述工作平台的一侧与升降系统连接，所述光敏容器的顶端设置有刮平装置，所述光敏容器上方从左至右依次设置有投影光源、投影系统、扫描系统及激光光源，且所述投影系统与所述扫描系统及所述光敏容器之间形成工作幅面。
本发明的有益效果为：
(1)、传统DLP工艺的3D打印，由于投影系统是固定的分辨率，在打印大幅面产品时，表面光洁度比较差；本发明在打印产品时对于需要的高精度区域采用的是SLA工艺打印，可以克服此缺点，精度很高。
(2)、传统DLP工艺的3D打印，由于投影系统在大幅面打印中，投影图像容易有畸变，本发明可以通过SLA工艺矫正投影畸变，使产品精度提高。
(3)、传统SLA工艺的3D打印，由于激光固化是一个点沿着轨迹扫描，在打印大幅面产品时，效率很低；本发明在打印产品时对于不需要的高精度区域采用的是DLP工艺，属于面固化树脂，可以克服此缺点，效率很高。
(4)、传统SLA工艺的3D打印，在打印大幅面产品时，往往需要用到动态聚焦的三维振镜，才能保证大幅面所有的点固化质量一致，如果不用的话，产品固化强度比较差，甚至失败；而动态焦距振镜成本比非动态焦距振镜高很多；本发明在打印产品时可以采用非动态焦距振镜的SLA工艺，固化强度不足的问题由DLP工艺固化来补充。
(5)、本发明可以根据产品的表面质量需求柔性选择与打印效率相匹配的多种精度，从而根据实际需求控制制造成本。
(6)、可以根据产品结构强度的需求，合理选择打印工艺，比如可以由SLA系统打印轮廓和骨架，由DLP系统填充实体。
(7)、可以根据产品需求选择复合的工艺参数，以满足产品特定的性能需求，比如渐变透明度调节；由于SLA和DLP工艺不同，可选择多种复合工艺参数；SLA能调整的参数有：光强度，光斑大小，扫描速度，光斑偏移，填充方式，扫描方向等；DLP能调整的参数有：光强度，作用时间，灰度等；这些不同参数复合叠加，可得到许多性能不同的产品。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种复合3D打印方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种复合3D打印系统的原理简图。
图中：
1、光敏容器；2、工作平台；3、待打印工件；4、光敏树脂；5、升降系统；6、刮平装置；7、投影光源；8、投影系统；9、扫描系统；10、激光光源；11、工作幅面。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种复合3D打印方法及系统。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的复合3D打印方法，该复合3D打印方法包括以下步骤：
步骤S101、通过绘图软件设计出待打印工件的三维实体模型；
步骤S102、将三维实体模型进行逐层切片处理，并生成多层打印层的图形数据；
步骤S103、升降系统垂直向上运动，驱动工作平台运动到光敏树脂液面处；
步骤S104、升降系统垂直向下运动，驱动工作平台下降一层打印层厚度的距离；
步骤S105、刮平装置水平运动将光敏树脂刮平，使工作平台上均匀附着一层打印层厚度的光敏树脂；
步骤S106、将对应打印层的图形数据依次分离成高精度区域和低精度区域；
步骤S107、高精度区域的数据传给激光扫描系统，控制振镜将激光光束按照预定的轨迹照射工作平台上对应区域树脂，固化成图案；精度低区域的数据传给投影系统，投影系统控制紫外光源发出的光按照预定的图案照射工作平台的光敏树脂，固化成图案；当一层加工完毕后，就复合固化生成了零件的一个截面；
步骤S108、升降系统带动工作平台继续下降一层打印层厚度的距离；
步骤S109、刮平装置水平运动，将光敏树脂刮平，在上一层树脂上继续覆盖另一层液态树脂；
步骤S110、再进行步骤S106和步骤S107将此层液态树脂预定区域固化处理，新固化层牢固地粘结在前一固化层上，一层层叠加而成三维工件模型。
在一个实施例中，所述绘图软件包括3DMAX软件、MAYA软件、UG软件、CAD软件或CAM软件中的至少一种。
在一个实施例中，将三维实体模型进行逐层切片处理，并生成每层打印层的图形数据的步骤还包括：
将所述三维实体模型置于三维坐标系中，并使所述三维实体模型的打印方向与所述三维坐标系的z轴的方向重合；
获取所述三维实体模型映射在z轴方向上最大值和最小值；
以z轴上的最小值到z轴上的最大值为方向，根据所述预设的打印层厚度，对所述三维实体模型进行分层，获得多层打印层的图形数据。
在一个实施例中，每个所述打印层包括至少一个多边形。
在一个实施例中，将对应打印层的图形数据依次分离成高精度区域和低精度区域的步骤还包括：
在所述打印层上建立直角坐标系，过所述直角坐标系的原点的射线与所述直角坐标系的x轴的夹角建立所述打印层所在平面旋转角；
预先配置每个所述打印层所在的平面旋转角为第一旋转角；
采用扫描线方式，并根据所述第一旋转角对每个所述打印层进行分割，获得第一矩形块，即为低精度区域；
根据每个所述打印层的矩形块，采用遗传算法，获得第二旋转角；
根据所述第二旋转角，获得与所述第二旋转角对应的第二矩形块，即为高精度区域。
在一个实施例中，所述遗传算法的计算模型为Ε(α)＝argminθF(θ)，其中θ为所述第一旋转角，α为所述第二旋转角，F(θ)为所述第一旋转角所对应的第一矩形块，Ε(α)为所述第二旋转角所对应第二矩形块。
在一个实施例中，采用对第一旋转角进行基因编码；
其中，INTMAX＝216-1，b为二进制的形式，是由16个0、1组成的二进制串，θ为第一旋转角；
其中，θ为所述第一旋转角，fi(θ)为打印层中的一个多边形所对应的第一矩形块，n为所述打印层中的多边形的个数，F(θ)为所述第一旋转角所对应的打印层的第一矩形块。
在一个实施例中，采用扫描线方式，并根据所述第一旋转角对每个所述打印层进行分割，获得第一矩形块，即为低精度区域的步骤还包括：
获取每个所述打印层中的多边形上的点，以原点为中心做第一旋转角的变化，获得变换后的多边形；
根据所述变换后的多边形，确定所述变换后的多边形的边界值，以获得所述变换后的多边形的外接矩形；
根据所述变换后的多边形的外接矩形的底部顶点和打印机的尺寸的高度，做平行于x轴的扫描线，获得扫描线与所述变换后的多边形的外接矩形的相交点集；
对所述扫描线与所述变换后的多边形的外接矩形的相交点集进行删除和包含的处理，获得处理后的相交点集；
对所述处理后的相交点集，采用打印机尺寸相同的矩形块进行平铺，获得每个打印层的第一矩形块。
在一个实施例中，根据每个所述打印层的矩形块，采用遗传算法，获得第二旋转角的步骤包括：
采用二进制串对所述第一旋转角进行基因编码，并采用基因交叉重叠的方式对所基因编码的个体进行交配，获得新的基因编码的个体；
对所述新的基因编码的个体采用基因编码位突变的方式进行基因的变异，获得新的基因个体，进而获得所述第二旋转角。
根据本发明的实施例，还提供了一种复合3D打印系统。
如图2所示，该复合3D打印系统包括光敏容器1，所述光敏容器1内部设置有工作平台2，所述工作平台2的顶端设置有待打印工件3，所述光敏容器1内部填充光敏树脂4，所述工作平台2的一侧与升降系统5连接，所述光敏容器1的顶端设置有刮平装置6，所述光敏容器1上方从左至右依次设置有投影光源7、投影系统8、扫描系统9及激光光源10，且所述投影系统8与所述扫描系统9及所述光敏容器1之间形成工作幅面11。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，(1)、传统DLP工艺的3D打印，由于投影系统是固定的分辨率，在打印大幅面产品时，表面光洁度比较差；本发明在打印产品时对于需要的高精度区域采用的是SLA工艺打印，可以克服此缺点，精度很高。
(2)、传统DLP工艺的3D打印，由于投影系统在大幅面打印中，投影图像容易有畸变，本发明可以通过SLA工艺矫正投影畸变，使产品精度提高。
(3)、传统SLA工艺的3D打印，由于激光固化是一个点沿着轨迹扫描，在打印大幅面产品时，效率很低；本发明在打印产品时对于不需要的高精度区域采用的是DLP工艺，属于面固化树脂，可以克服此缺点，效率很高。
(4)、传统SLA工艺的3D打印，在打印大幅面产品时，往往需要用到动态聚焦的三维振镜，才能保证大幅面所有的点固化质量一致，如果不用的话，产品固化强度比较差，甚至失败；而动态焦距振镜成本比非动态焦距振镜高很多；本发明在打印产品时可以采用非动态焦距振镜的SLA工艺，固化强度不足的问题由DLP工艺固化来补充。
(5)、本发明可以根据产品的表面质量需求柔性选择与打印效率相匹配的多种精度，从而根据实际需求控制制造成本。
(6)、可以根据产品结构强度的需求，合理选择打印工艺，比如可以由SLA系统打印轮廓和骨架，由DLP系统填充实体。
(7)、可以根据产品需求选择复合的工艺参数，以满足产品特定的性能需求，比如渐变透明度调节；由于SLA和DLP工艺不同，可选择多种复合工艺参数；SLA能调整的参数有：光强度，光斑大小，扫描速度，光斑偏移，填充方式，扫描方向等；DLP能调整的参数有：光强度，作用时间，灰度等；这些不同参数复合叠加，可得到许多性能不同的产品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合3D打印方法，其特征在于，该复合3D打印方法包括以下步骤：
步骤一、通过绘图软件设计出待打印工件的三维实体模型；
步骤二、将三维实体模型进行逐层切片处理，并生成多层打印层的图形数据；
步骤三、升降系统垂直向上运动，驱动工作平台运动到光敏树脂液面处；
步骤四、升降系统垂直向下运动，驱动工作平台下降一层打印层厚度的距离；
步骤五、刮平装置水平运动将光敏树脂刮平，使工作平台上均匀附着一层打印层厚度的光敏树脂；
步骤六、将对应打印层的图形数据依次分离成高精度区域和低精度区域；
步骤七、高精度区域的数据传给激光扫描系统，控制振镜将激光光束按照预定的轨迹照射工作平台上对应区域树脂，固化成图案；精度低区域的数据传给投影系统，投影系统控制紫外光源发出的光按照预定的图案照射工作平台的光敏树脂，固化成图案；当一层加工完毕后，就复合固化生成了零件的一个截面；
步骤八、升降系统带动工作平台继续下降一层打印层厚度的距离；
步骤九、刮平装置水平运动，将光敏树脂刮平，在上一层树脂上继续覆盖另一层液态树脂；
步骤十、再进行步骤六和步骤七将此层液态树脂预定区域固化处理，新固化层牢固地粘结在前一固化层上，一层层叠加而成三维工件模型。
2.根据权利要求1所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，所述绘图软件包括3DMAX软件、MAYA软件、UG软件、CAD软件或CAM软件中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，将三维实体模型进行逐层切片处理，并生成每层打印层的图形数据的步骤还包括：
将所述三维实体模型置于三维坐标系中，并使所述三维实体模型的打印方向与所述三维坐标系的z轴的方向重合；
获取所述三维实体模型映射在z轴方向上最大值和最小值；
以z轴上的最小值到z轴上的最大值为方向，根据所述预设的打印层厚度，对所述三维实体模型进行分层，获得多层打印层的图形数据。
4.根据权利要求3所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，每个所述打印层包括至少一个多边形。
5.根据权利要求4所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，将对应打印层的图形数据依次分离成高精度区域和低精度区域的步骤还包括：
在所述打印层上建立直角坐标系，过所述直角坐标系的原点的射线与所述直角坐标系的x轴的夹角建立所述打印层所在平面旋转角；
预先配置每个所述打印层所在的平面旋转角为第一旋转角；
采用扫描线方式，并根据所述第一旋转角对每个所述打印层进行分割，获得第一矩形块，即为低精度区域；
根据每个所述打印层的矩形块，采用遗传算法，获得第二旋转角；
根据所述第二旋转角，获得与所述第二旋转角对应的第二矩形块，即为高精度区域。
6.根据权利要求5所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，所述遗传算法的计算模型为Ε(α)＝argminθF(θ)，其中θ为所述第一旋转角，α为所述第二旋转角，F(θ)为所述第一旋转角所对应的第一矩形块，Ε(α)为所述第二旋转角所对应第二矩形块。
7.根据权利要求6所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，采用对第一旋转角进行基因编码；
其中，INTMAX＝216-1，b为二进制的形式，是由16个0、1组成的二进制串，θ为第一旋转角；
其中，θ为所述第一旋转角，fi(θ)为打印层中的一个多边形所对应的第一矩形块，n为所述打印层中的多边形的个数，F(θ)为所述第一旋转角所对应的打印层的第一矩形块。
8.根据权利要求5所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，采用扫描线方式，并根据所述第一旋转角对每个所述打印层进行分割，获得第一矩形块，即为低精度区域的步骤还包括：
获取每个所述打印层中的多边形上的点，以原点为中心做第一旋转角的变化，获得变换后的多边形；
根据所述变换后的多边形，确定所述变换后的多边形的边界值，以获得所述变换后的多边形的外接矩形；
根据所述变换后的多边形的外接矩形的底部顶点和打印机的尺寸的高度，做平行于x轴的扫描线，获得扫描线与所述变换后的多边形的外接矩形的相交点集；
对所述扫描线与所述变换后的多边形的外接矩形的相交点集进行删除和包含的处理，获得处理后的相交点集；
对所述处理后的相交点集，采用打印机尺寸相同的矩形块进行平铺，获得每个打印层的第一矩形块。
9.根据权利要求5所述的一种复合3D打印方法，其特征在于，根据每个所述打印层的矩形块，采用遗传算法，获得第二旋转角的步骤包括：
采用二进制串对所述第一旋转角进行基因编码，并采用基因交叉重叠的方式对所基因编码的个体进行交配，获得新的基因编码的个体；
对所述新的基因编码的个体采用基因编码位突变的方式进行基因的变异，获得新的基因个体，进而获得所述第二旋转角。
10.一种复合3D打印系统，其特征在于，该复合3D打印系统包括光敏容器(1)，所述光敏容器(1)内部设置有工作平台(2)，所述工作平台(2)的顶端设置有待打印工件(3)，所述光敏容器(1)内部填充光敏树脂(4)，所述工作平台(2)的一侧与升降系统(5)连接，所述光敏容器(1)的顶端设置有刮平装置(6)，所述光敏容器(1)上方从左至右依次设置有投影光源(7)、投影系统(8)、扫描系统(9)及激光光源(10)，且所述投影系统(8)与所述扫描系统(9)及所述光敏容器(1)之间形成工作幅面(11)。
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