CN110450406A - 一种基于rpm技术在回转体圆弧表面实现3d打印的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，包括以下步骤：获取预先配置的回转体外形曲面数据；设计三维实体模型，并将立体图案连同支撑图案与三维实体模型合并为三维产品模型；建立三维柱坐标系，按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面；求出圆柱面与三维实体面片图形的交点，生成圆柱形截面图案；将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形；通过3D打印机在回转体的外圆柱面上沿着轴向喷印一小区域的宽度图案；回转体旋转一定的角度，3D打印机再次喷印对应角度的小区域宽度图案。有益效果：实现在已有回转体的圆弧表面进行立体装饰类的3D打印，可以更好的满足于人们的使用需求。

Description

一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体来说，涉及一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法。
背景技术
快速成型技术(又称快速原型制造技术，Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，又称3D打印，可以根据零件的形状，每次制作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或者熔融起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的3D打印系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是“分层制造、逐层叠加”。这种工艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”。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。
现有打印机一般使用笛卡尔直角坐标切片算法，将三维模型在Z轴方向上切片处理，得到X、Y轴直角坐标系内的截面图，然后逐层打印并在Z轴方向上叠加，从而得到完整的实体模型。具体办法是是通过切片平面与三维网格模型中的三角面片求交得到。这种切片对于在已有回转体圆弧表面做3D打印无能为力，比如在已有化妆瓶，酒瓶等圆弧表面做立体装饰类3D打印。因此，本发明提供了一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法来解决上述问题。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，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：
一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，包括以下步骤：
步骤S1、利用测量工具或者三维扫描仪获取预先配置的回转体外形曲面数据；
步骤S2、根据获取的外形曲面数据特性通过计算机中的3D建模软件设计出三维实体模型，并将需要增加的立体图案连同额外支撑图案与所述三维实体模型做布尔运算合并为三维产品模型；
步骤S3、建立三维柱坐标系，并按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面；
步骤S4、根据最优算法求出所述圆柱面与三维实体面片图形的交点，从而生成圆柱形截面图案；
步骤S5、将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形；
步骤S6、将得到的平面等效打印图形传输至喷光敏树脂的3D打印机中，并通过计算机控制3D打印机在回转体的外圆柱面上沿着轴向喷印一小区域的宽度图案；
步骤S7、通过计算机控制回转体在外力的作用下旋转一定的角度，并通过3D打印机再次喷印对应角度的小区域宽度图案；
步骤S8、通过计算机控制回转体边打印边旋转，直至回转体旋转360度，打印机将半径R+ΔR的截面图打印完成，使得截面实体包覆在回转体的外圆柱面上；
步骤S9、重复步骤S3-S8，将需要增加的整个立体图案连同支撑打印在回转体的外圆柱面上；
步骤S10、对打印后的物体进行后处理，去除支撑，得到需要的立体产品。
进一步的，所述利用测量工具或者三维扫描仪获取已有回转体的外形曲面数据具体包括以下步骤：
利用测量工具或三维扫描仪对已有回转体的外形和结构进行扫描，以获取已有回转体表面的空间坐标；
通过CAD系统对原始的点云数据进行预处理，以获取更加精确的点云数据；
将得到的空间坐标数据导入逆向工程软件进行点数据的处理，通过分门别类、群组分隔、电线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工。
进一步的，在所述利用测量工具或者三维扫描仪获取预先配置的回转体外形曲面数据中还包括以下步骤：
以三维扫描设备作为坐标中心建立三维笛卡尔坐标系。
进一步的，所述三维笛卡尔坐标系以三维扫描设备作为坐标中心，三维扫描设备的垂直旋转轴作为Z轴，三维扫描设备任意水平角的光轴作为X轴。
进一步的，所述建立三维柱坐标系，并按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面具体包括以下步骤：
以三维笛卡尔坐标系中的原点作为三维柱坐标系的原点，三维笛卡尔坐标系的Z轴作为中心轴，以R+ΔR为半径，三维笛卡尔坐标系的X轴为起始轴的圆柱面建立三维柱坐标系。
进一步的，在所述将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形中还包括坐标数据的转换，其中，所述坐标数据转换具体包括以下步骤：
设点M(x，y，z)为三维产品模型表面任意一点，并设点M在xoy面上的投影P的极坐标为(r，θ)，根据三维笛卡尔坐标系与三维柱坐标系的转换求得点M的柱面坐标为(r，θ，z)，其中，0≤θ≤2π，0≤r≤+∞，-∞<z<+∞；
三维笛卡尔坐标系与三维柱坐标系的转换关系如下公式：
其中，r为点M到旋转轴Z轴的距离，且θ为点所在扫描面与xoz平面的夹角，z为点M到xoy平面的距离。
进一步的，所述三维柱坐标系的三坐标面包括：
当r为常数时，坐标面为柱面；
当z为常数时，坐标面为平面；
当θ为常数时，坐标面为半平面。
进一步的，所述3D打印机采用微滴喷射技术进行打印，且所述微滴喷射3D打印机通过使用双喷头，在打印光敏树脂的同时使用水溶性或热熔型支撑材料。
进一步的，所述支撑图案与所述立体图案接触面之间的距离为所述支撑图案壁厚的一半，且所述支撑图案的壁厚以一定角度逐渐减薄，直至达到所述支撑图案刚好与所述立体图案接触并使所述支撑图案的壁厚减薄到零，使所述支撑图案与所述立体图案形成线接触或点接触的临界状态。
进一步的，所述支撑图案部分均为水溶性光敏树脂，后处理时只需将其浸泡于水中，便可使得水溶性光敏树脂溶解，留下非水溶性的图案，得到形成的立体图形。
相比于传统的3D打印技术，本发明的有益效果为：有效地解决了现有切片技术无法在已有圆柱面或者类圆柱面上做立体装饰类3D打印的技术问题，从而使得其可以实现在已有回转体的圆弧表面进行立体装饰类的3D打印，进而使得其可以更好的满足于人们的使用需求。
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基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法中设定笛卡尔坐标系的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法中设定柱坐标系的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法中带有立体图案的回转体的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法中半径R+ΔR的同心圆圆柱面的展开示意图；
图6是根据本发明实施例的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法中立体产品的结构示意图。
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，提供了一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-6所示，根据本发明实施例的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，包括以下步骤：
步骤S1、利用测量工具或者三维扫描仪获取预先配置的回转体外形曲面数据；
其中，所述利用测量工具或者三维扫描仪获取已有回转体的外形曲面数据具体包括以下步骤：
利用测量工具或三维扫描仪对已有回转体的外形和结构进行扫描，以获取已有回转体表面的空间坐标；
通过CAD系统对原始的点云数据进行预处理，以获取更加精确的点云数据；
将得到的空间坐标数据导入逆向工程软件进行点数据的处理，通过分门别类、群组分隔、电线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工。
在本发明中，所述利用测量工具或者三维扫描仪获取预先配置的回转体外形曲面数据中还包括以下步骤：
如图2所示，以三维扫描设备作为坐标中心，三维扫描设备的光电中心作为原点，三维扫描设备的垂直旋转轴作为Z轴，三维扫描设备任意水平角的光轴作为X轴，建立三维笛卡尔坐标系。
步骤S2、根据获取的外形曲面数据特性通过计算机中的3D建模软件设计出三维实体模型，并将需要增加的立体图案连同额外支撑图案与所述三维实体模型做布尔运算合并为三维产品模型；
其中，所述支撑图案与所述立体图案接触面之间的距离为所述支撑壁厚的一半，且所述支撑图案的壁厚以一定角度逐渐减薄，直至达到所述支撑图案刚好与所述立体图案接触并使所述支撑图案的壁厚减薄到零，使所述支撑图案与所述立体图案形成线接触或点接触的临界状态。
步骤S3、建立三维柱坐标系，并按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面；
其中，所述建立三维柱坐标系，并按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面具体包括以下步骤：
如图3所示，以三维笛卡尔坐标系中的原点作为三维柱坐标系的原点，三维笛卡尔坐标系的Z轴作为中心轴，以R+ΔR为半径，三维笛卡尔坐标系的X轴为起始轴的圆柱面建立三维柱坐标系。其中，R为所述已有回转体的直径，ΔR为每次打印所需的厚度。
步骤S4、根据最优算法求出所述圆柱面与三维实体面片图形的交点，从而生成圆柱形截面图案；
步骤S5、将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形；
其中，在所述将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形中还包括坐标数据的转换，其中，所述坐标数据转换具体包括以下步骤：
如图2-3所示，设点M(x，y，z)为三维产品模型表面任意一点，并设点M在xoy面上的投影P的极坐标为(r，θ)，根据三维笛卡尔坐标系与三维柱坐标系的转换求得点M的柱面坐标为(r，θ，z)，其中，0≤θ≤2π，0≤r≤+∞，-∞<z<+∞；
三维笛卡尔坐标系与三维柱坐标系的转换关系如下公式：
其中，r为点M到旋转轴Z轴的距离，且θ为点所在扫描面与xoz平面的夹角，z为点M到xoy平面的距离。
特别地，当r为常数时，坐标面为柱面；当z为常数时，坐标面为平面；当θ为常数时，坐标面为半平面，其中，这三组面两两垂直，称为柱面坐标的坐标面，坐标面的交线称为坐标线。
在本发明中，如图4所示，圆柱体R+ΔR切面与回转体是同心圆关系，其中，回转体外圆柱面半径R，ΔR为单次打印的厚度，若干ΔR之和即为所需增加立体图形(字母ABC)的厚度；
在本发明中，如图5所示，为半径R+ΔR的同心圆圆柱面和半径R的外圆柱面按径向360度等面积展开的展开图，其中，所示半径R+ΔR的同心圆圆柱面位于所述半径R的外圆柱面的顶部，具体的，ΔR为图4和图5中单次打印的厚度。
步骤S6、将得到的平面等效打印图形传输至喷光敏树脂的3D打印机中，并通过计算机控制3D打印机在回转体的外圆柱面上沿着轴向喷印一小区域的宽度图案；
其中，所述3D打印机的坐标系为平面坐标系，且所述3D打印机采用微滴喷射技术进行打印，且所述微滴喷射3D打印机通过使用双喷头，在打印光敏树脂的同时使用水溶性或热熔型支撑材料。
步骤S7、通过计算机控制回转体在外力的作用下旋转一定的角度，并通过3D打印机再次喷印对应角度的小区域宽度图案；
步骤S8、通过计算机控制回转体边打印边旋转，直至回转体旋转360度，打印机将半径R+ΔR的截面图打印完成，使得截面实体包覆在回转体的外圆柱面上；
步骤S9、重复步骤S3-S8，将需要增加的整个立体图案连同支撑打印在回转体的外圆柱面上；
其中，所述立体图形采用逐层叠加的方式进行打印，每次打印厚度均为ΔR，且通过边旋转边打印的方式对半径R+ΔR的截面图打印。
步骤S10、对打印后的物体进行后处理，去除支撑，得到需要的立体产品。
其中，所述支撑图案部分均为水溶性光敏树脂，后处理时只需将其浸泡于水中，便可使得水溶性光敏树脂溶解，留下非水溶性的图案，如图6所示，最终形成带有所需立体打印图形的立体产品。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过本发明的使用，有效地解决了现有切片技术无法在已有圆柱面或者类圆柱面上做立体装饰类3D打印的技术问题，从而使得其可以实现在已有回转体的圆弧表面进行立体装饰类的3D打印，进而使得其可以更好的满足于人们的使用需求。
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)

1.一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、利用测量工具或者三维扫描仪获取预先配置的回转体外形曲面数据；
步骤S2、根据获取的外形曲面数据特性通过计算机中的3D建模软件设计出三维实体模型，并将需要增加的立体图案连同额外支撑图案与所述三维实体模型做布尔运算合并为三维产品模型；
步骤S3、建立三维柱坐标系，并按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面；
步骤S4、根据最优算法求出所述圆柱面与三维实体面片图形的交点，从而生成圆柱形截面图案；
步骤S5、将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形；
步骤S6、将得到的平面等效打印图形传输至喷光敏树脂的3D打印机中，并通过计算机控制3D打印机在回转体的外圆柱面上沿着轴向喷印一小区域的宽度图案；
步骤S7、通过计算机控制回转体在外力的作用下旋转一定的角度，并通过3D打印机再次喷印对应角度的小区域宽度图案；
步骤S8、通过计算机控制回转体边打印边旋转，直至回转体旋转360度，打印机将半径R+ΔR的截面图打印完成，使得截面实体包覆在回转体的外圆柱面上；
步骤S9、重复步骤S3-S8，将需要增加的整个立体图案连同支撑打印在回转体的外圆柱面上；
步骤S10、对打印后的物体进行后处理，去除支撑，得到需要的立体产品。
2.根据权利要求1所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述利用测量工具或者三维扫描仪获取已有回转体的外形曲面数据具体包括以下步骤：
利用测量工具或三维扫描仪对已有回转体的外形和结构进行扫描，以获取已有回转体表面的空间坐标；
通过CAD系统对原始的点云数据进行预处理，以获取更加精确的点云数据；
将得到的空间坐标数据导入逆向工程软件进行点数据的处理，通过分门别类、群组分隔、电线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工。
3.根据权利要求2所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，在所述利用测量工具或者三维扫描仪获取预先配置的回转体外形曲面数据中还包括以下步骤：
以三维扫描设备作为坐标中心建立三维笛卡尔坐标系。
4.根据权利要求3所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述三维笛卡尔坐标系以三维扫描设备作为坐标中心，三维扫描设备的垂直旋转轴作为Z轴，三维扫描设备任意水平角的光轴作为X轴。
5.根据权利要求4所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述建立三维柱坐标系，并按照回转体半径R+ΔR绘制圆柱面具体包括以下步骤：
以三维笛卡尔坐标系中的原点作为三维柱坐标系的原点，三维笛卡尔坐标系的Z轴作为中心轴，以R+ΔR为半径，三维笛卡尔坐标系的X轴为起始轴的圆柱面建立三维柱坐标系。
6.根据权利要求5所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，在所述将生成的圆柱形图案按径向360度等面积转换展开，得到平面的等效打印图形中还包括坐标数据的转换，其中，所述坐标数据转换具体包括以下步骤：
设点M(x，y，z)为三维产品模型表面任意一点，并设点M在xoy面上的投影P的极坐标为(r，θ)，根据三维笛卡尔坐标系与三维柱坐标系的转换求得点M的柱面坐标为(r，θ，z)，其中，0≤θ≤2π，0≤r≤+∞，-∞<z<+∞；
三维笛卡尔坐标系与三维柱坐标系的转换关系如下公式：
其中，r为点M到旋转轴Z轴的距离，且θ为点所在扫描面与xoz平面的夹角，z为点M到xoy平面的距离。
7.根据权利要求6所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述三维柱坐标系的三坐标面包括：
当r为常数时，坐标面为柱面；
当z为常数时，坐标面为平面；
当θ为常数时，坐标面为半平面。
8.根据权利要求7所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述3D打印机采用微滴喷射技术进行打印，且所述微滴喷射3D打印机通过使用双喷头，在打印光敏树脂的同时使用水溶性或热熔型支撑材料。
9.根据权利要求8所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述支撑图案与所述立体图案接触面之间的距离为所述支撑图案壁厚的一半，且所述支撑图案的壁厚以一定角度逐渐减薄，直至达到所述支撑图案刚好与所述立体图案接触并使所述支撑图案的壁厚减薄到零，使所述支撑图案与所述立体图案形成线接触或点接触的临界状态。
10.根据权利要求9所述的一种基于RPM技术在回转体圆弧表面实现3D打印的方法，其特征在于，所述支撑图案部分均为水溶性光敏树脂，后处理时只需将其浸泡于水中，便可使得水溶性光敏树脂溶解，留下非水溶性的图案，得到形成的立体图形。
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