CN110920076A - 3d打印机的物件边界检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印机的物件边界检测方法，运用于3D打印机，并且包括下列步骤：取得3D打印机的打印台面的基准定位点；将汇入的3D物件投影到2D平面以取得多个2D坐标点；依据多个2D坐标点计算2D凸包；取得2D凸包的所有顶点；依据基准定位点及2D凸包的所有顶点判断3D物件的位置；及，于判断3D物件完全落在打印台面内时允许3D打印机启动打印程序。

Description

3D打印机的物件边界检测方法
技术领域
本发明涉及3D打印机，尤其涉及3D打印机的物件边界检测方法。
背景技术
3D打印机是依据汇入的3D物件来控制打印喷头在打印平台的对应位置上打印成型材，藉此形成与3D物件具有相同形状、外观的实体3D模型。在开始打印之前，3D打印机必须对使用者汇入的3D物件的摆放位置进行检测，确保3D物件位于打印平台的范围内，藉此避免打印错误。
为了快速完成上述检测程序，一般3D打印机会采用边界框(bounding box)来概略判断3D物件的摆放位置。
如图1A及图1B所示，分别为相关技术的物件边界的第一示意图与第二示意图。于图1A的实施例中，使用者汇入的3D物件2为一个三角锥。当3D打印机要检测此3D物件2是否完全落在打印平台1的范围内时，会先将3D物件2投影在2D平面上，以生成多个2D坐标点(图1A中以坐标(X1,Y1)、坐标(X1,Y2)及坐标(X2,Y1)的三个点为例)。
接着，如图1B所示，3D打印机取得此3D物件2在X轴上的最小坐标点(X1)、在X轴上的最大坐标点(X2)、在Y轴上的最小坐标点(Y1)以及在Y轴上的最大坐标点(Y2)，并且依据这四个坐标点产生一个虚拟的边界框21。于图1B的实施例中，所述边界框21为矩形的边界框。若所述边界框21在打印平台1的范围内，则3D打印机可以确定被汇入的3D物件2完全落在打印平台1的范围内，符合了打印条件。
通过上述方式，3D打印机只需要取得3D物件2的四个坐标点即可确认3D物件2在打印平台1上的位置，相当快速。然而，当打印平台1的形状不是矩形时，利用上述方式来检测3D物件2的位置将可能会造成错误。
参阅图2，为相关技术的物件边界的第三示意图。于图2的实施例中，3D打印机包含了一个圆形的打印平台3。由图2可看出，若采用上述方式来检测3D物件2的位置，则因为所述边界框21已超出了打印平台3的范围，因此3D打印机将不允许使用者在这个位置上直接打印此3D物件2。然而，所述3D物件2实际上完全落在打印平台3的范围内，符合打印条件。也就是说，3D打印机将会因为边界框21的不适用而造成了判断错误。
综上所述，3D打印领域的从业人员实需发展另一套可以快速为3D物件进行定位的方法，以因应采用了不同形状的打印平台的3D打印机。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种3D打印机的物件边界检测方法，可以快速且正确地检测3D物件被摆放在打印台面上的位置。
于本发明的一实施例中，所述3D打印机的物件边界检测方法包括下列步骤：
a)取得该3D打印机的一打印台面的一基准定位点，其中该打印台面为圆形的打印台面；
b)将汇入的一3D物件投影到一2D平面以取得该3D物件的多个2D坐标点；
c)依据该多个2D坐标点计算一2D凸包；
d)取得该2D凸包的所有顶点；
e)依据该基准定位点以及该些顶点判断该3D物件是否落在该打印台面的范围内，或依据该打印台面的一圆心位置及一半径以及该些顶点判断该3D物件是否落在该打印台面的范围内；及
f)于判断该3D物件完全落在该打印台面的范围内时允许该3D打印机打印该3D物件。
如上所述，其中更包括一步骤：g)于判断该3D物件未完全落在该打印台面的范围内时发出一警示信号。
如上所述，其中该步骤e)包括下列步骤：
e11)取得该打印台面的该圆心位置；
e12)取得该打印台面的该半径；
e13)分别计算该2D凸包的各该顶点至该圆心位置的一第一距离；
e14)判断各该第一距离是否大于该半径；
e15)于任一该第一距离大于该半径时判断该3D物件超出了该打印台面的范围；及
e16)于各该第一距离皆小于或等于该半径时判断该3D物件未超出该打印台面的范围。
如上所述，其中该步骤e11)是依据该基准定位点及该打印台面的摆放位置计算该圆心位置的坐标点。
如上所述，其中该步骤e12)是依据该基准定位点及该打印台面的摆放位置与尺寸计算该打印台面的各个边缘位置的坐标点，并依据该圆心位置及任一该边缘位置计算该半径。
如上所述，其中该步骤e)包括下列步骤：
e21)取得对应该打印台面的一圆形方程式；
e22)分别计算该2D凸包的各该顶点至该基准定位点的一第一联机；
e23)分别计算各该第一联机与该圆形方程式的交点信息；
e24)判断各该第一联机与该圆形方程式是否皆只有一个交点；
e25)于各该第一联机与该圆形方程式皆只有一个交点时判断该3D物件未超出该打印台面的范围；及
e26)于任一该第一联机与该圆形方程式具有大于一个交点时判断该3D物件超出了该打印台面的范围。
如上所述，其中该步骤e25)是于判断各该第一联机与该圆形方程式皆只有一个交点时分别产生通过各该顶点与该基准定位点的多条直线，取得在各该直线上该基准定位点与该圆形方程式的交点的一最大距离，并且于各该第一联机皆小于或等于对应的各该最大距离时，判断该3D物件未超出该打印台面的范围。
如上所述，其中该基准定位点位于该3D打印机的左下角。
如上所述，其中该3D打印机具有一处理单元，该处理单元于该3D物件被汇入后自动执行该步骤a)至该步骤f)。
如上所述，其中该3D打印机为一光固化成型式(Stereolithography,SLA)的3D打印机，该打印台面为用以容置光固化成型液的一承槽。
如上所述，其中该3D打印机为一熔融沉积成型式(Fused Deposition Modeling,FDM)的3D打印机，该打印台面为一承载平台。
如上所述，其中该步骤b)是将汇入的该3D物件投影到该打印台面的一2D平面以取得该3D物件的多个2D坐标点。
通过本发明的技术方案，即使3D打印机所采用的打印台面不是矩形的打印台面，亦可快速且正确地检测出要打印的3D物件是否完全落在打印台面的范围内。相较于相对技术，本发明具有更大的便利性。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A为相关技术的物件边界的第一示意图；
图1B为相关技术的物件边界的第二示意图；
图2为相关技术的物件边界的第三示意图；
图3为本发明的3D打印机的第一实施例的方框图；
图4为本发明的检测方法的第一实施例的流程图；
图5为本发明的物件边界的第一实施例的示意图；
图6为本发明的判断机制的第一实施例的流程图；
图7为本发明的物件边界的第二实施例的示意图；
图8为本发明的物件边界的第三实施例的示意图；
图9为本发明的判断机制的第二实施例的流程图；
其中，附图标记：
1、3…打印平台；
2…3D物件；
21…边界框；
4…3D打印机；
41…处理单元；
42…打印台面；
420…基准定位点；
421…圆心；
43…打印单元；
44…显示单元；
45…传输单元；
5…计算机设备；
60…凸包；
601…顶点；
602…交点；
Lmax…最大距离；
S10～S24…检测步骤；
S30～S40、S50～S62…判断步骤。
具体实施方式
兹就本发明之一较佳实施例，配合图式，详细说明如后。
参阅图3及图4，图3为本发明的3D打印机的第一实施例的方框图，图4为本发明的检测方法的第一实施例的流程图。本发明揭露了一种3D打印机的物件边界检测方法(下面简称为检测方法)，所述检测方法主要应用于如图3所示的3D打印机4及/或计算机设备5。
如图3所述，本发明的3D打印机4通过有线或无线方式连接计算机设备5，以从计算机设备5接收打印所需的打印数据。于一实施例中，3D打印机4从计算机设备5接收已完成切层处理的切层数据，并依据切层数据直接执行打印程序。于另一实施例中，3D打印机4从计算机设备5接收原始的3D影像，并通过内部的处理单元41对3D影像进行了切层处理后，再接着执行打印程序。上述切层处理为本技术领域的常用技术手段，于此不再赘述。
所述3D打印机4包括所述处理单元41，以及与处理单元41电性连接的打印台面42、打印单元43、显示单元44及传输单元45。于一实施例中，所述检测方法是由3D打印机4的处理单元41所执行。于另一实施例中，所述检测方法亦可由计算机设备5来执行，并且计算机设备5依据检测结果对3D打印机4进行打印程序的控制，不加以限定。
于一实施例中，所述3D打印机4为一光固化成型式(Stereolithography,SLA)的3D打印机，所述打印台面42为光固化成型液(例如液态光敏树酯)的一承槽，更详细地说，为此承槽的底面。本实施例中，所述打印单元43可例如为激光光源，对打印台面42中的光固化成型液进行照射，以令光固化成型液固化并转变为3D物件。
于另一实施例中，所述3D打印机4为一熔融沉积成型式(Fused DepositionModeling,FDM)的3D打印机，所述打印台面42为一承载平台。本实施例中，所述打印单元43可例如为成型材喷头，于打印台面42上挤出成型材，以藉由成型材在承载平台上构成3D物件。
为便于理解，下面叙述将以热挤出成型式的3D打印机来进行实例说明，但并不以此为限。
本实施例中，3D打印机4的打印台面42可受处理单元41的控制进行上升、下降、旋转等动作，以协助打印程序的进行。然而，于其他实施例中，打印台面42亦可被直接固定于3D打印机4内的特定位置。于此实施例中，打印台面42不必然与处理单元41具有电性连接关系。
打印单元43可受处理单元41的控制进行二维或三维方向的移动，以在打印台面42上打印实体3D模型。本实施例中，3D打印机4为所述FDM式的3D打印机，所述打印单元43为用以挤出成型材的3D喷头。于另一实施例中，所述打印单元43包括用以挤出成型材的3D喷头以及用以喷洒彩色墨水的2D喷头。值得一提的是，若3D打印机4为前述SLA式的3D打印机，则所述打印单元43可为用来提供点光源或面光源以固化成型材(例如液态光敏树脂)的照射单元。
显示单元44用以显示3D打印机4的相关信息，以令使用者快速得知3D打印机4目前的状况。于一实施例中，显示单元44还用以显示所述检测方法的检测结果(例如3D物件是否完全在打印台面42的范围内、是否需对3D物件做进一步的编辑、是否可以启动打印程序等)。
3D打印机4藉由传输单元45与计算机设备5进行连接，以从计算机设备5接收数据(例如切层数据、3D影像或检测结果等)。本发明中，所述传输单元45可为有线传输单元(例如连接端口)或无线传输单元(例如Wi-Fi模块或蓝牙模块等)，不加以限定。
本发明的检测方法的其中一个技术功效在于，3D打印机4及/或计算机设备5可快速且正确地判断要打印的3D物件在打印台面42上的位置，藉此避免使用者在编辑3D影像时将3D物件摆放在不适当的位置而造成打印失败的风险。
于一实施例中，所述检测方法的各个步骤是由3D打印机4的处理单元41来执行，于另一实施例中，所述检测方法的各个步骤是由与3D打印机4连接的计算机设备5来执行。为便于理解，下面将于说明书中以处理单元41执行检测方法为例来进行说明，但所有说明亦适用于所述计算机设备5。
当一个3D物件(包含已完成切层处理的切层数据以及尚未进行切层处理的3D影像)被汇入3D打印机4时，表示使用者有打印意图，此时处理单元41将自动执行本发明的检测方法，以检测并判断此3D物件的摆放位置是否符合打印条件。通过此检测方法，可以避免3D物件事实上可落在打印台面42的范围内，却误判为有3D物件的部分落在打印台面42的范围外的情形。另，处理单元41于自动执行本发明的检测方法后，亦可将3D物件自动调整至较适合打印的摆放位置，以避免或是解决有3D物件的部分落在打印台面42的范围外，因而无法打印的情形。
如图4所示，于执行本发明的检测方法时，处理单元41首先取得3D打印机4的打印台面42的一个基准定位点(步骤S10)，所述基准定位点用以决定打印台面42上各个位置的坐标。
接着，处理单元41将使用者汇入的3D物件投影到2D平面(即，3D打印机4上的X-Y平面)，以取得3D物件的多个2D坐标点(步骤S12)。具体地，所述3D物件是一个三维的虚拟物件，步骤S12是将3D物件的每一个3D坐标点(X,Y,Z)的Z轴值设定为0，以将多个3D坐标点转换为多个2D坐标点(X,Y)。
步骤S12后，处理单元41依据3D物件的多个2D坐标点计算产生一个2D凸包(2Dconvex hull)(步骤S14)，所述2D凸包指的是一个可以包住3D物件的所有2D坐标点的最小凸多边形。并且，处理单元41进一步取得所述2D凸包上的所有顶点的坐标点(步骤S16)。本实施例中，所述2D凸包的顶点数量相同或少于3D物件的多个2D坐标点的数量。
接着，处理单元41依据所述基准定位点以及所述顶点来确定3D物件的位置(步骤S18)，并且判断3D物件是否落在所述打印台面42的范围内(步骤S20)。若处理单元41于步骤S20中判断3D物件完全落在打印台面42的范围内，则允许3D打印机41执行进一步的打印程序，以打印3D物件(步骤S22)。若处理单元41于步骤S20中判断3D物件未完全落在打印台面42的范围内，则可藉由显示单元44发出警示信号(步骤S24)，以要求使用者调整3D物件的位置(例如通过计算机设备5的绘图软件对3D影像进行编辑)。
通过本发明的检测方法，当使用者使用绘图软件编辑3D影像并且编辑不当，使得3D物件被摆放在不适当的位置(即，超出打印台面42的范围)时，3D打印机4及/或计算机设备5可以主动检测此错误，并且在错误排除前禁止3D打印机4启动打印程序，藉此可有效避免打印错误。
续请参阅图5，为本发明的物件边界的第一实施例的示意图。于图5的实施例中，所述打印台面42为圆形的打印台面。
如图5所示，当处理单元41将一个3D物件投影到2D平面后，可以得到多个2D坐标点。处理单元41可以依据这些2D坐标点来计算产生一个2D凸包60，并且进一步取得这个2D凸包60的所有顶点601。具体的，所述顶点601皆为所述多个2D坐标点的一部分。于本发明的第一实施例中，处理单元41是分别计算这些顶点601至打印台面42的圆心421的距离，并且分别将这些距离与打印台面42的半径长度进行比较，以判断3D物件是否落在打印台面42的范围内。
请同时参阅图6，为本发明的判断机制的第一实施例的流程图。图6主要是对图4的步骤S18做更进一步的技术描述。
当处理单元41于图4的步骤S16中取得2D凸包60的所有顶点601的坐标后，会接着取得所述打印台面42的圆心位置(步骤S30)，并且取得所述打印台面42的半径(步骤S32)。具体地，处理单元41是在图4的步骤S10中取得打印台面42的基准定位点420(例如图5中的坐标点(0,0))，而在步骤S30中，处理单元41是依据基准定位点420及打印台面42在3D打印机4中的摆放位置计算所述圆心位置421的坐标点(例如图5中的坐标点(x,y))。
本实施例中，所述基准定位点420位于3D打印机4的左下角。然而，在其他实施例中，所述基准定位点420亦可为3D打印机4的左上角、右下角、右上角或正中央等地，不应加以限定。
在步骤S32中，处理单元41依据基准定位点420及打印台面42的摆放位置与尺寸计算打印台面42上各个边缘位置的坐标点，并且再依据所述圆心位置421及任一边缘位置(例如图5中的坐标点(0,y))来计算打印台面42的半径。
于另一实施例中，3D打印机4亦可于制造完成时直接将所述圆心位置421及半径记录于记忆单元(图未标示)中，藉此在步骤S30及步骤S32中，处理单元41可以直接从记忆单元中取得所述圆心位置421以及半径，而不需即时计算。
步骤S32后，处理单元41分别计算所述2D凸包60的各个顶点601至所述圆心位置421的距离(步骤S34)，并且判断这些距离中是否有任一距离大于打印台面42的半径(步骤S36)。本实施例中，若所述距离的其中之一大于打印台面42的半径，则处理单元41判断所述3D物件超出了打印台面42的范围(步骤S38)。反之，若所述距离全部小于或等于打印台面42的半径，则处理单元41判断所述3D物件未超出打印台面42的范围(步骤S40)。于步骤S38或步骤S40后，处理单元41再进一步执行图4的步骤S20，以判断是否可以允许3D打印机4执行打印程序。
参阅图7，为本发明的物件边界的第二实施例的示意图。于图7的实施例中，所述打印台面42为圆形的打印台面。
如图7所示，当处理单元41将一个3D物件投影到2D平面后，可以得到多个2D坐标点。处理单元41可以依据这些2D坐标点来计算产生2D凸包60，并且进一步取得2D凸包60的所有顶点601。于本发明的第二实施例中，处理单元41是分别将这些顶点601连接至所述基准定位点420以产生多条联机，并且依据这些联机与打印台面42的交点状况来判断3D物件是否落在打印台面42的范围内。
请同时参阅图9，为本发明的判断机制的第二实施例的流程图。图9主要是对图4的步骤S18做更进一步的技术描述。
当处理单元41于图4的步骤S16中取得2D凸包60的所有顶点601的坐标后，会接着取得对应所述打印台面42的一个圆形方程式(步骤S50)，并且分别计算并产生2D凸包60的各个顶点601与基准定位点420的联机(步骤S52)。本实施例中，所述圆形方程式与打印台面42的摆放位置及形状相符，意即，将打印台面42的任意边缘位置的坐标带入圆形方程式后，皆可解开所述圆形方程式。
步骤S52后，处理单元41分别计算各条联机与所述圆形方程式的交点信息(步骤S54)，并且判断各条联机与圆形方程式是否皆只有一个交点602(步骤S56)。
具体地，所述基准定位点420主要设置于打印台面42的外部，若一个顶点601与基准定位点420的联机与圆形方程式仅有一个交点602(意即，与打印台面42仅有一个交点602)，代表此顶点601位于打印台面42的内部。若2D凸包60上的所有顶点601与基准定位点420的联机与打印台面42皆仅有一个交点602，表示2D凸包60的所有顶点601皆落在打印台面42内部，也就是说所述3D物件完全落在打印台面42的范围内。
然而，当一个顶点601正巧位于基准定位点420与打印台面42的切线上时，虽然所述顶点601与基准定位点420的联机与打印台面42仅有一个交点602，但所述顶点601却是位于打印台面42的外部。因此，本发明还设置有进一步的过滤机制来排除上述的例外状况。
请同时参阅图8，为本发明的物件边界的第三实施例的示意图。于一实施例中，处理单元41分别产生通过各个顶点601与所述基准定位点420的直线，取得在所述直线上基准定位点420与圆形方程式的交点的最大距离Lmax，并且判断所述顶点601至基准定位点420的联机距离是否小于或等于所述最大距离Lmax(步骤S58)。如上所述，步骤S58是用以进一步确认各个顶点601是否属于上述的例外状况，但步骤S58并不必然被执行。
若处理单元41于步骤S56中判断为是(若步骤S58存在，步骤S58亦判断为是)，则处理单元41可判断所述3D物件未超出打印台面42的范围(步骤S60)。反之，若处理单元41于步骤S56中判断为否(或是于步骤S58中判断为否)，则处理单元41可判断所述3D物件超出了打印台面42的范围(步骤S62)。于步骤S60或步骤S62后，处理单元41再进一步执行图4的步骤S20，以判断是否可以允许3D打印机4执行打印程序。
通过本发明的检测方法，即使3D打印机4所采用的打印台面42不是矩形打印台面，处理单元41或计算机设备5仍可快速地检测出要打印的3D物件是否完全落在打印台面42的范围内，相当便利。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种3D打印机的物件边界检测方法，运用于一3D打印机，其特征在于，包括下列步骤：
a)取得该3D打印机的一打印台面的一基准定位点，其中该打印台面为圆形的打印台面；
b)将汇入的一3D物件投影到一2D平面以取得该3D物件的多个2D坐标点；
c)依据该多个2D坐标点计算一2D凸包；
d)取得该2D凸包的所有顶点；
e)依据该基准定位点以及该些顶点判断该3D物件是否落在该打印台面的范围内，或依据该打印台面的一圆心位置及一半径以及该些顶点判断该3D物件是否落在该打印台面的范围内；及
f)于判断该3D物件完全落在该打印台面的范围内时允许该3D打印机打印该3D物件。
2.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，更包括一步骤：g)于判断该3D物件未完全落在该打印台面的范围内时发出一警示信号。
3.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该步骤e)包括下列步骤：
e11)取得该打印台面的该圆心位置；
e12)取得该打印台面的该半径；
e13)分别计算该2D凸包的各该顶点至该圆心位置的一第一距离；
e14)判断各该第一距离是否大于该半径；
e15)于任一该第一距离大于该半径时判断该3D物件超出了该打印台面的范围；及
e16)于各该第一距离皆小于或等于该半径时判断该3D物件未超出该打印台面的范围。
4.根据权利要求3所述的物件边界检测方法，其特征在于，该步骤e11)是依据该基准定位点及该打印台面的摆放位置计算该圆心位置的坐标点。
5.根据权利要求4所述的物件边界检测方法，其特征在于，该步骤e12)是依据该基准定位点及该打印台面的摆放位置与尺寸计算该打印台面的各个边缘位置的坐标点，并依据该圆心位置及任一该边缘位置计算该半径。
6.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该步骤e)包括下列步骤：
e21)取得对应该打印台面的一圆形方程式；
e22)分别计算该2D凸包的各该顶点至该基准定位点的一第一联机；
e23)分别计算各该第一联机与该圆形方程式的交点信息；
e24)判断各该第一联机与该圆形方程式是否皆只有一个交点；
e25)于各该第一联机与该圆形方程式皆只有一个交点时判断该3D物件未超出该打印台面的范围；及
e26)于任一该第一联机与该圆形方程式具有大于一个交点时判断该3D物件超出了该打印台面的范围。
7.根据权利要求6所述的物件边界检测方法，其特征在于，该步骤e25)是于判断各该第一联机与该圆形方程式皆只有一个交点时分别产生通过各该顶点与该基准定位点的多条直线，取得在各该直线上该基准定位点与该圆形方程式的交点的一最大距离，并且于各该第一联机皆小于或等于对应的各该最大距离时，判断该3D物件未超出该打印台面的范围。
8.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该基准定位点位于该3D打印机的左下角。
9.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该3D打印机具有一处理单元，该处理单元于该3D物件被汇入后自动执行该步骤a)至该步骤f)。
10.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该3D打印机为一光固化成型式的3D打印机，该打印台面为用以容置光固化成型液的一承槽。
11.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该3D打印机为一熔融沉积成型式的3D打印机，该打印台面为一承载平台。
12.根据权利要求1所述的物件边界检测方法，其特征在于，该步骤b)是将汇入的该3D物件投影到该打印台面的一2D平面以取得该3D物件的多个2D坐标点。
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