CN113103566B - 一种3d打印可收缩物品适配件的设计制作方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法及系统，所述方法包括：S1，获取已有物体的简化形状和粗略尺寸；S2，根据目标结合状态以及已有物体的形状尺寸对所述物体的适配件进行设计建模，并控制3D打印件在预计结合部位预留有收缩的空间；进行3D打印；S3，将已有物体按预计结合方式插入或嵌入3D打印件中，加热使得3D打印件实现收缩变形，从而包裹已有物体，停止加热冷却后，适配件与已有物体实现紧固结合。该方法利用已成型3D打印件中的打印丝在加热时会释放应力、沿着打印路径收缩的材料特性，通过加热打印好的3D打印物体使其在打印截面方向横向收缩，从而紧密包裹原有物品，与原有物体实现紧固结合。

Description

一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法及系统
技术领域
本发明属于已有物体改造技术领域，涉及一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法及系统，以使三维(3D)打印的适配件与已有物体结合以改造已有物体，以完善或实现更多新功能。
背景技术
随着低成本消费级3D打印技术的发展与普及，越来越多的消费者3D打印配件，对已有物体的外观或功能进行定制改造，比如为脑瘫、关节炎等特殊人群打印定制更方便持握的勺子或牙刷把手，将损坏的旧物改造再利用。
然而，3D打印件与已有物体的适配对精度要求高，可是用户测量误差和3D打印设备制造误差普遍存在，这常导致3D打印件与已有物体尺寸不匹配。用户需要多次修改尺寸、反复尝试，或者使用昂贵的精密测量仪器和高门槛高精度的打印机。
此外，为了实现打印件与已有物体紧固结合，现有方法设计添加卡扣、公母接口、螺栓孔等结构或使用胶水黏合、海绵(等软材料)填充等方式组装，这些方法对结构建模和多部件的组装提出了更高难度的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法及系统。该方法利用已成型3D打印件中的打印丝在加热时会释放应力、沿着打印路径收缩的材料特性，通过加热打印好的3D打印物体使其在打印截面方向横向收缩，从而紧密包裹原有物品，与原有物体实现紧固结合。
本发明采用的技术方案如下：
一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，包括如下：
S1，测量已有物体，获取已有物体的简化形状和粗略尺寸；
S2，根据用户需求以及已有物体的形状尺寸对所述物体的适配件进行设计建模，并控制3D打印件在所述适配件与所述物体预计结合部位预留有在结合截面方向上进行收缩的空间；建模后进行3D打印；
S3，将已有物体按预计结合方式插入或嵌入3D打印件中，对所需结合部位进行加热使得3D打印件被加热区域在结合截面方向实现收缩变形，从而包裹已有物体，停止加热冷却后，适配件与已有物体实现紧固结合。
上述技术方案中，进一步的，S1中，所述的已有物体若为形状不规则物体，则将其简化为标准的直线挤出体，并测量其预计结合部位最大尺寸；所述的直线挤出体为长方体、圆柱体、立方体。
进一步的，S2中在设计建模时，所述3D打印件中除了用于容纳所述已有物体简化形状的孔洞外，需进行筛孔结构填充以使得3D打印件在受热后有进行收缩的空间。
更进一步的，所述的筛孔截面优选为蜂窝形或三角形。
更进一步的，所述筛孔结构填充的填充密度为20％-80％。
进一步的，S2中设计建模和打印采用如下方式：根据已有物体外形以及目标结合效果，获取最终适配件效果模型，对所述适配件效果模型采用尺寸逆向拉伸，并根据已有物体的简化形状及尺寸进行挖孔，并在其余部位进行筛孔结构填充，获得3D打印件模型，设置打印参数，进行打印。
进一步的，3D打印时打印温度越低或打印切片层厚越小，则3D打印件受热后收缩率越大，根据需要设置打印温度及打印切片层厚。
进一步的，3D打印时打印材料采用PLA、ABS、TPU或尼龙。
进一步的，S3中所述的加热具体方式为热水浴、烤箱或热风枪等。
一种3D打印可收缩物品适配件的设计系统，获取已有物体简化形状和粗略尺寸以及用户需求的目标结合状态，输入所述系统，所述系统根据目标结合状态以及已有物体的形状尺寸对所述物体的适配件进行设计建模：首先获取最终适配件效果模型，对所述适配件效果模型采用尺寸逆向拉伸，并根据已有物体的简化形状进行挖孔，并在其余部位进行筛孔结构填充，获得3D打印件模型。
本发明的有益效果是：
本发明方法降低了设计制造3D打印件与已有物体结合的过程中测量已有物体、建模适配件和将两者组装的难度：无需昂贵精密测量工具和高门槛高精度打印机，可以容忍测量误差和打印制造误差；无需设计建模卡口、公母接口等复杂的连接结构；无需使用其它辅助零件配件组装；整体提升了打印件与已有物体的适配成功率而无需多次修改尺寸反复建模打印组装。这有利于消费级3D打印和个性化制造的普及。
附图说明
图1为本发明方法的总体流程示意图。
图2为步骤S1中粗略测量已有物体，(a)为将物体形状简化示意图；(b)为测量物体最大尺寸后，嵌入物体并收缩后的截面效果示意图；
图3为不同形状筛孔截面填充在加热收缩后的效果示意图；
图4为设计建模的一种流程示例；
图5为S2步骤中一种具体的设计建模软件流程图。
图6为以改造勺柄为例，步骤S1中粗略测量已有物体，仅测量宽度不一致的勺子柄的最宽处，将勺柄简化为长方体。
图7为步骤S2中设计建模改造件，逆向拉伸打印件并预留孔隙。
图8a和图8b分别为步骤S3中将已有物体装入打印件和此时两者有空隙未紧固结合的示意图。
图9a和图9b分别为步骤S3中热水加热初始状态和收缩变形后状态。打印件内孔收缩与原有勺子把柄紧密贴合，整个打印件与勺子紧固结合。
图10为结合后得到的新勺子把手的使用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，具体包括如下步骤(如图1所示)：
S1，粗略测量已有物体，获取已有物体的简化形状和粗略尺寸；该步骤可以无需专用精密的测量工具或3D扫描仪，用户仅需使用日常生活中常用的普通尺子粗略测量物体即可
S2，根据用户需求以及已有物体的形状尺寸对所述物体的适配件进行设计建模，并控制3D打印件在所述适配件与所述物体预计结合部位预留有在结合截面方向上进行收缩的空间(通常可以预留比已有物体截面测量尺寸大约20％以内的孔隙)；建模后进行3D打印；
S3，将已有物体按预计结合方式插入或嵌入3D打印件中，对所需结合部位进行加热(对于PLA打印材料可以使用75℃-100℃热水或75℃-110℃热空气加热3D打印件)使得3D打印件被加热区域在结合截面方向实现收缩变形(如使3D打印件加热部分在打印截面方向实现约25％的收缩变形)，从而包裹已有物体，停止加热冷却后，适配件与已有物体实现紧固结合。
本发明不限制被3D打印件结合改造的物体的形状，可适配的物体形状包括但不限于圆柱、圆管、方体、平板、圆台、芒果形、梭形、波浪/螺纹表面。基于实际制造情况，对于形状不完全规则的已有物体，可在S1步骤中将其简化为标准的直线挤出体(如圆柱体、长方体、立方体)，测量其结合部分最粗部位最大直径/宽度，如图2中(a)所示；在S2步骤中打印件的中空形状为已有物体简化而得的直线挤出形状；在S3步骤中打印件加热收缩后将适配贴合形状不完全规则的已有物体，如图2中(b)所示。
本发明不限制被3D打印件结合改造的物体的属性，3D打印改造件可通过受热收缩与各种物体结合。可改造物体的材质包括但不限于金属、耐高温树脂、玻璃、石材、陶瓷、木头。可改造结合的物体包括但不限于日常工具(例如园艺铁锹、喷壶、拖把、锅铲勺厨具)、洗漱清洁用品(例如牙刷、牙膏盖、梳子、镜子、刷子)、餐饮器具(例如水杯水瓶、勺子筷子)、家居家具(例如门把手、水龙头、灯具、桌椅、置物架)、家电(例如台灯/烤箱旋钮)、文具(例如笔、笔架)、运动物品(例如球拍、渔具)、穿戴(例如眼镜架、箱包拉链、首饰)、定制礼品饰品。使用本文描述的系统、方法而设计制造的物品不限于任何特定对象(可以被任何对象使用)，包括不同年龄、大小、性别、健康状况的人类和动物。
所述S2步骤中，在设计建模时，所述3D打印件中除了用于容纳所述已有物体简化形状的孔洞外，需进行筛孔结构填充以使得3D打印件在受热后有进行收缩的空间。筛孔结构填充疏密和填充图案(排布结构)会影响打印件受热收缩形变效果。单方向直线填充或折线填充的打印件加热收缩时会单向挤压而无法保持原有形状。如图2所示，打印件使用均匀的截面呈蜂窝或三角形的筛孔结构进行填充能在加热收缩后较好的保持原有形状。此外，各填充密度的打印件都能实现收缩，且打印填充结构越疏松，打印件加热收缩率越大。但过于疏松的填充结构无法在加热收缩过程中支撑保持原有形状和提供足够结构强度。作为优选，填充密度可以设置为20-80％(尤其是当采用蜂窝筛孔结构以20％填充密度时，在加热后收缩率约为25％，且收缩后可以较好的保持原有形状)。
其它打印参数(如打印温度、打印切片层厚)也会影响打印件加热收缩程度。打印温度越低、打印层厚越小，打印件加热后收缩率越大，可容忍测量制造误差越大且结合越紧固。当打印材料选用PLA材料时，打印温度可以设置为190℃，打印切片层厚设置为0.1mm。而且打印件外壳(外边缘)的厚度设置也会影响打印件收缩包裹形状不规则物体的外部形状保持程度。例如，用直通圆管形打印件加热收缩包裹粗细不均匀的花瓶时，花瓶瓶肚突起部分挤压打印件，会造成打印件外部对应区域产生轻微起伏。若设置相对较厚的打印件外壳(沿外边缘打印4圈/层)可减少打印件受内部已有物体不规则形状的影响。
所述S2步骤中，设计建模的过程可以使用任何建模软件(包括但不限于Rhinos、TinkerCAD)建模、直接下载使用或修改已有模型、或扫描已有物体建模；可以使用任何3D打印切片软件(包括但不限于Cura、Simplify3D、Slic3r、FlashPrint)进行3D打印参数设置。作为优选，可以采用如图4、5所示的逆向设计建模工具：根据已有物体形状和目标结合效果，自动生成加热收缩前打印件模型(具体的，可以根据已有物体外形以及目标结合效果，获取最终适配件效果模型，对所述适配件效果模型采用尺寸逆向拉伸，并根据已有物体的简化形状及尺寸进行挖孔，并在剩余部位进行筛孔结构填充，获得3D打印件模型，设置打印参数，进行打印)。
本发明方法不被3D打印机机型限制。实际上各种(FDM熔融沉积式)打印机均可应用于本发明，包括但不限于Makerbot、Object、Cube等公司制造、设计和销售的打印机或本领域中已知或本文中描述的任何其它打印机。
本发明不受打印材料限制，可以采用PLA材料或其它3D打印材料(包括但不限于ABS、尼龙、TPU)，均可实现收缩效果(其加热温度和收缩率可以预先根据实验进行确定)。作为优选，推荐使用常用、低成本、环保的PLA材料。
所述S3中，本发明不限制3D打印件的形状，且本文描述的系统/方法可与原有传统3D打印制造流程相结合，可选择对3D打印件进行后续整体加热或局部加热。3D打印件既可以整体设置成疏松多孔结构且整体加热收缩，也可以仅在需要与已有物体结合的部分设置成本文描述的填充结构和打印参数，且在组装过程中仅加热与已有物体结合的部分，其余部分以任意填充结构和参数打印并保持原有形状和尺寸。本发明中的加热方式可通过热水浴、烤箱、热风枪等各种加热方式实现收缩，在实际制造过程中可根据3D打印件加热部分尺寸大小和加热操作难易程度选择加热方式。对于并非整体防烫防水或者位置固定难移动的大型已有物体，可以使用热风枪围绕结合部位加热。作为优选，整体水浴加热的加热收缩更均匀、收缩形变效率更高。
本发明中的3D打印件可以将已有物体整体包裹(比如整块磁铁或石头)，也可以仅与已有物体的部分结合(比如牙刷的把手、台灯的旋钮)。
如图6-10所示，为本发明应用的一个具体实施例，为将金属勺勺柄改造为脑瘫、关节炎和手指残疾患者更易于持握、对手指灵活度要求更低的把柄，3D打印件要与形状扁平长条但宽窄不均匀的原有勺柄结合。
本发明不限制打印件与已有物体收缩结合的功能。使用本文描述的系统/方法可以在已有物体原有功能上提升易用性(例如改造原有各类物件把手使其省力和易于持握，方便老人/儿童/关节炎、脑瘫、手指残疾等行动受限患者使用)或增加其它功能(比如在椅子扶手增加杯托)，也可改变物体功能/使用方式(例如将水杯添加封盖改造为笔架或存钱罐)，还可修补破损的物体(比如连接断裂的窗帘绳/项链)，改变物体外观或者增加外观装饰(比如更吸引儿童的童趣形态的生活用品)。
如果将原有物体看作主体，本文描述的系统方法是改造原有物体的方法。如果将3D打印件看作主体，本文描述的系统/方法也是使材料相对单一的3D打印件与其它丰富材质物品结合的创新方法，弥补了3D打印材质单一/有限的缺陷。使用本文描述的系统/方法，3D打印件可以与其它材质的物品结合，通过嵌入其它材质的物品实现原有单一材质难以实现的属性/功能。比如3D打印件收缩嵌入磁铁获得磁吸属性、嵌入石头/铁块等大密度材料增大重量或降低重心、嵌入表面粗糙的耐磨材质实现打磨功能、嵌入海绵/硅胶等软质材料实现底面防撞防滑。
使用本文描述的系统/方法制造的3D打印改造件与物体结合后可长久使用，也可一次性使用后拆除丢弃。如需拆除，可将3D打印件重新加热至软化后趁热取脱，已有物品可恢复为原有形态继续使用。

Claims (9)

1.一种3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，包括如下：
S1，粗略测量已有物体，获取已有物体的简化形状和粗略尺寸；该步骤可以无需专用精密的测量工具或3D扫描仪，用户仅需使用日常生活中常用的普通尺子粗略测量物体即可；
S2，根据用户需求的目标结合状态以及已有物体的形状尺寸对所述物体的适配件进行设计建模，并控制3D打印件在所述适配件与所述物体预计结合部位预留有在结合截面方向上进行收缩的空间；建模后进行3D打印；设计建模和打印采用如下方式：根据已有物体外形以及目标结合效果，获取最终适配件效果模型，对所述适配件效果模型采用尺寸逆向拉伸，并根据已有物体的简化形状进行挖孔，并在其余部位进行筛孔结构填充，获得3D打印件模型，设置打印参数，进行打印；
S3，将已有物体按预计结合方式插入或嵌入3D打印件中，对所需结合部位进行加热使得3D打印件被加热区域在结合截面方向实现收缩变形，从而包裹已有物体，停止加热冷却后，适配件与已有物体实现紧固结合。
2.根据权利要求1所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，S1中，所述的已有物体若为形状不规则物体，则将其简化为标准的直线挤出体，并测量其预计结合部位最大尺寸；所述的直线挤出体为长方体、圆柱体或立方体。
3.根据权利要求1所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，S2中在设计建模时，所述3D打印件中除了用于容纳所述已有物体简化形状的孔洞外，需进行筛孔结构填充以使得3D打印件在受热后有进行收缩的空间。
4.根据权利要求3所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，所述的筛孔截面为蜂窝形或三角形。
5.根据权利要求3所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，所述筛孔结构填充的填充密度为20%-80%，筛孔结构填充密度越低则3D打印件受热后收缩率越大，根据需要设置填充密度。
6.根据权利要求1所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，3D打印时打印温度越低或打印切片层厚越小，则3D打印件受热后收缩率越大，根据需要设置打印温度及打印切片层厚。
7.根据权利要求1所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，3D打印时打印材料采用PLA、ABS、TPU或尼龙。
8.根据权利要求1所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，S3中所述的加热具体方式为热水浴、烤箱或热风枪。
9.一种3D打印可收缩物品适配件的设计系统，用于执行如权利要求1-8任一项所述的3D打印可收缩物品适配件的设计制作方法，其特征在于，获取已有物体简化形状和粗略尺寸以及用户需求的目标结合状态，输入所述系统，所述系统根据目标结合状态以及已有物体的形状尺寸对所述物体的适配件进行设计建模：首先获取最终适配件效果模型，对所述适配件效果模型采用尺寸逆向拉伸，并根据已有物体的简化形状进行挖孔，并在其余部位进行筛孔结构填充，获得3D打印件模型。
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