CN204183907U - 三维扫描打印复合装置 - Google Patents

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CN204183907U CN201420560127.4U CN201420560127U CN204183907U CN 204183907 U CN204183907 U CN 204183907U CN 201420560127 U CN201420560127 U CN 201420560127U CN 204183907 U CN204183907 U CN 204183907U
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Abstract

本实用新型提供一种多功能的三维扫描打印复合装置，同时具备三维打印和三维扫描的功能，透过共用一个数字光源处理器(Digital Light Processing，DLP)投影机或是利用分光装置(如：半反射半穿透镜、可翻转反射镜等)，来达成在同一装置中配置各种三维扫描及三维打印设备所需的元件，并且使用精确度提高装置(如：棱镜、柱状镜等非对称性透镜)来让双影像感应器量测的精确度不受有限空间的限制。

Description

三维扫描打印复合装置
技术领域
本实用新型有关于一种多功能复合装置，且特别是有关于一种具有一三维扫描功能及一三维打印功能的复合装置。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)、三维打印(3D Printing)或快速成型(Rapid Prototyping)是一种快速制造立体物件的技术。利用影像感应器先取得物件的三维空间数据，经计算机处理后，再将材料由点或面堆积成立体物件。传统实施快速成型方法制造立体物件时，三维扫描与三维打印通常是以互相独立的两个设备来分别进行，如此的作法需要较大空间来分别摆置此两种设备，且较不便利。然而若欲将三维扫描与三维打印整合于同一装置中，必须要克服：(1)三维扫描及三维打印设备所需的元件多有不同，如何在有限的空间中(同一装置)配置该等元件(2)习知具有双影像感应器的三维扫描设备，主要目的为扩大扫描范围，然而扫描的量测误差又随兩影像感应器夹角减少而增加，若为了降低量测误差而增加兩影像感应器之间的夹角，则兩影像感应器间的距离必须加大，势必需要较大空间来容置影像感应器，因此如何让双影像感应器量测的精确度不受有限空间的限制。因此如何去解决上述问题，一直是本领域技术人士所急迫有待寻求解决方案以及改进之处。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供一种多功能的三维扫描打印复合装置，同时具备三维打印和三维扫描的功能，透过共用一个数字光源处理器(Digital Light Processing， DLP)投影机并利用分光装置(如：半反射半穿透镜、可翻转反射镜等)，来达成在同一装置中配置各种三维扫描及三维打印设备所需的元件，并且使用精确度提高装置(如：棱镜、柱状镜等非对称性透镜)来让双影像感应器量测的精确度不受有限的空间的限制。
根据本实用新型的一构想，提出一种用以扫描/打印一物件的三维扫描打印复合装置，其包含装置本体、扫描模组、精确度提高装置、计算器装置、打印模组及分光装置。其中，装置本体与该物件维持一特定相对位置关系；扫描模组设置于该装置本体上，用以撷取对应该物件的一三维影像数据；精确度提高装置设置于该扫描模组与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度；计算器装置耦接至该扫描模组，用以储存及整合该三维影像数据，并经处理后将该三维影像数据转换成一三维移动控制讯号输出；打印模组，耦接至该计算器装置，接收该三维移动控制讯号并据以输出一立体结构；以及分光装置，将一光线分配至该物件与该打印模组。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，其中该扫描模组包含一俯仰与水平旋转机构及至少一影像感应器，该俯仰与水平旋转机构用以放置该物件，该影像感应器为一电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)或一互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感应器且装载该精确度提高装置。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，其中该打印模组更包含一座体，其为一框架结构，该座体具有一容置空间，空间大小可达80mm(长)x80mm(宽)x80mm(高)；一架体，其与该座体垂直连接；一承载装置，其位于该容置空间；以及一移动控制装置，其与该承载装置相连接，该移动控制装置用以使该承载装置于该容置空间中进行一第一方向或一第二方向的一线性位移运动。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，更包含一光源投射装置，其中该光源投射装置与该扫描模组、该打印模组及该物件维持一特定相对位置关系，投射该光线至该物件且作为一热源投射至该座体。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，其中该光源投射装置为一数字光源处理器(Digital Light Processing，DLP)投影机。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，其中该精确度提高装置为一非对称性透镜(如：棱镜、柱状镜等)。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，其中该分光装置是一半穿透半反射镜也可以是一可翻转反射镜。
本实用新型还提供一种三维扫描打印复合装置，用以扫描及打印一物件，其包含：一装置本体，与该物件维持一特定相对位置关系；一扫描模组，设置于该装置本体上，用以撷取对应该物件的一三维影像数据；一打印模组，设置于该装置本体上，根据该三维数据而输出对应该物件的一立体结构；以及一投影机，与该扫描模组、该打印模组及该物件维持一特定相对位置关系，投射一光线至该物件且作为一热源投射至该座体。
较佳地，三维扫描打印复合装置更包含一精确度提高装置，设置于该扫描模组与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度。
本实用新型还提供一种三维扫描打印复合装置，用以扫描及打印一物件，包含：一装置本体，与该物件维持一特定相对位置关系；一输入单元，设置于该装置本体上，用以撷取对应该物件的一三维影像数据；一精确度提高装置，设置于该输入单元与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度；以及一输出单元，设置于该装置本体上，根据该三维数据而输出对应该物件的一立体结构。
较佳地，上述的三维扫描打印复合装置，更包含一分光装置，该分光装置将一光线分配至该物件与输出单元。
较佳地，三维扫描打印复合装置更包含一精确度提高装置，设置于该输入单元与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型三维扫描打印复合装置的其中一实施例的示意图；
图2为图1的影像感应器、投影机、分光装置及物件的相对位置的示意图；
图3为图1的打印模组、分光装置及投影机实施的示意图；
图4A为图1投射光线由分光装置反射及穿透的示意图；
图4B为图1投射光线由分光装置反射的示意图；
图5是说明本实用新型三维扫描打印复合装置的另一实施例的示意图；
图6为图5的投射光线作为热源照射座体的示意图。
【符号说明】
10 三维扫描打印复合装置             
11 打印模组                          
111 座体
112 架体
113 承载装置
114 移动控制装置
115 俯仰与水平旋转机构
12 扫描模组
121 影像感应器
122 精确度提高装置
123 支架
13 计算器装置
14 投影机
15 容置空间
16 分光装置
30 装置本体
199 光敏树脂
200 物件
201 投射光线
202 反射光
203 折射光
A 第一移动方向
B 第二移动方向。
具体实施例
将于下文中说明本实用新型，熟悉本技术者须了解下文中的说明仅作为例证用，而不用于限制本实用新型。
以下针对本案较佳实施例的三维扫描打印复合装置10进行描述，但实际架构并不必须完全符合描述的架构，熟习本技艺者当能在不脱离本实用新型的实际精神及范围的情况下，做出种种变化及修改。为了方便说明本实用新型的技术内容，各实施例中相同的元件使用相同的元件符号表示。而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本实用新型实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图的比例与配置关系解读、局限本实用新型于实际实施上的权利范围，合先叙明。
请参照图1，其绘示本实用新型第一较佳实施例的三维扫描打印复合装置10的示意图，而图2为图1中影像感应器121、投影机（或光源投射装置）14、分光装置16及物件200的相对位置的示意图。请合并参照图1与图2，本实施例的三维扫描打印复合装置10的取像区域与打印区域是二个独立不同的区域，其包括：一装置本体30、一扫描模组12、一精确度提高装置122、一计算器装置13、一打印模组11及一分光装置16所组合而成。三维扫描打印复合装置10更进一步包含一投影机14。
扫描模组12及打印模组11皆设置于装置本体30上，此二模组相对的配置方式为打印模组11配置于扫描模组12上方。扫描模组12及打印模组11共用投影机14，于本实用新型第一较佳实施例中投影机14较佳是使用DLP投影机。扫描模组12进一步包含一俯仰与水平旋转机构115及二个影像感应器121，于本实用新型第一较佳实施例中影像感应器121较佳是使用高画素彩色线型CCD相机，其中投影机14与双影像感应器121以相对位置固定在同一个支架123上，于本实施例中该支架123较佳为(但不限于)一金属支架。由投影机14投射光栅，结合双影像感应器121扫描撷取影像的技术，并且利用俯仰与水平旋转机构115来转动物件200，以获得物件200的完整三维外型轮廓数据。
本实用新型采用一种结合了结构光技术、相位测量技术、计算器视觉技术的复合三维非接触式测量方法。影像感应器121能同时撷取整个面的影像数据，测量过程中，投影机14投射数幅特定编码的结构光到待测物件上。其中，编码方式可分成三种方式：（1）投影黑白条纹做为编码方式，利用不同密度的黑白条纹编码，欲完成一次整面撷取，需连续拍摄好几张，每张的条纹密度不一样，再根据条纹的偏移量计算三维深度；或是（2）投影彩色条纹做为编码方式，利用颜色编码，所以事先已经知道每个色块的颜色代码；或是（3）投影随机数点做为编码方式，随机数点为一张固定画面数据，所以每个区块点排列方式是已知，可以用区块比对方式找出在x方向上的差异，再推算深度。因此本实施例可以采用两组以上的影像感应器121，利用影像处理方式，以区块对应方式找到相差。然后对图像进行译码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，算出两个影像感应器121共同视区内像素点的三维坐标。此外，使用第二组以上的影像感应器121同步取像亦可以减少测量死角。
此外，本实用新型第一较佳实施例中所配置的二个影像感应器121为了减少本体30整体所占空间，因此尽量缩减两个影像感应器121的间距，使得两个影像感应器121的夹角相应减少，为避免双两个影像感应器121扫描的量测误差受到兩个影像感应器121夹角减少而增加，因而本实施例于扫描模组12与物件200之间设置精确度提高装置122，以提高三维影像数据的精确度。于本实用新型第一较佳实施例中该精确度提高装置122较佳为(但不限于)一非对称性透镜，如：棱镜、柱状镜等。
本实施例的扫描模组12具有光测量技术的优势，能够精确测量出被扫描物件200的全部或局部范围内复杂曲面，而可以对物件进行快速、精确的在线测量，获得扫描物件200的三维数据。
请参照图3，其为图1的打印模组11、分光装置16及投影机14实施的示意图。其中，打印模组11更进一步包含：一座体111、一架体112(示出于图1)、一承载装置113、一移动控制装置114(示出于图1)及一供料装置(未示出)。座体111为具有一容置空间15的框架结构，空间大小可达80mm(长)x80mm(宽)x80mm(高)，该供料装置所输出的材料即盛装在此容置空间15中。架体112与该座体111垂直连接，用于承载座体111的重量，并架出一个距离使座体111与投影机14间存在空间。承载装置113位于该容置空间15中，与移动控制装置114相连接，该移动控制装置114用以使该承载装置113于该容置空间15中进行一第一方向A或一第二方向B的一线性位移运动，该第一方向A与第二方向B为相互呈180度，在本实施例中，该第一方向A是一垂直地面而朝上的方向，该第二方向B是一垂直地面而朝下的方向。于本实用新型第一较佳实施例中，该移动控制装置114更包括有：至少一第一导杆及至少一第一驱动单元。该第一导杆的数量为二个且相互平行，分别位于该容置空间15的二侧。该第一驱动单位为一马达，且与该第一导杆电讯相连接，用以控制该承载装置113沿着该第一方向A或第二方向B进行线性位移运动的速度与位置。
该供料装置与该计算器装置13相连接，该供料装置可提供一材料至该座体111中。于本实用新型第一较佳实施例中，该材料较佳为(但不限于)光敏树脂199，亦可使用任何受光线照射后可固化的材料。当材料受到投影机14所发出的光线照射而硬化附着于承载装置113后，承载装置113上升，此时供料装置再输入一定量的材料至容置空间15中，该些材料再受到投影机14所发出的光线照射而硬化附着于承载装置113，承载装置113再上升，并反复进行以完成对应物件200的三维实体工件。
本实施例的打印模组11中的投影机14较佳(但不限于)使用高分辨率的DLP投影机，为一种光固化立体成型法，与立体光刻技术（Stereo Lithography Appearance，SLA）的差别在于：SLA使用激光使树脂硬化成型，因为激光光为细长的直线，因此会延长整个制造过程，而以激光为激发源的成本也较高。而DLP投影机则使用金属卤化物所发出的投射光线201(图3中的投射光线201有部份与反射光线202重叠)，再经由数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)控制光线是否照射到光硬化树脂，由于DLP投影机制程所使用的光源可以在同一时间内照射一片区域，所以能大幅缩短加工时间，而DLP制程可经由DMD装置控制精度。
请参照图4A及图4B，其分别为图1投射光线201(图4A中的投射光线201有部份与反射光线202重叠)由分光装置16反射及穿透的示意图；与图1投射光线201(图4B中的投射光线201有部份与反射光线202重叠)由分光装置16反射的示意图。如上所述，本实施例的扫描模组12放置于打印模组11的下方，两模组间并共用一投影机14，为使投影机14所发出的投射光线201得以分别投射至物件200(取像区域)及打印模组11的座体111，本实用新型的三维扫描打印复合装置10并包含一分光装置16，其中该分光装置16较佳为(但不限于)一半穿透半反射镜也可以是一可翻转反射镜。
举例来说，于本实用新型第一较佳实施例中，在使用扫描功能时，投影机14所发出的投射光线201可透过半穿透半反射镜投射出穿透光203至物件200(取像区域)，或是翻转反射镜使反射镜平行于地面而使投影机14所发出的投射光线201可直接投射至物件200(取像区域)，且被影像感应器121所撷取，并进一步由计算器装置13或其它运算单元计算出一个面向的三维模型。亦可再透过俯仰与水平旋转机构115将待扫描的物件200转动摆置姿态，以取得物件200的完整三维模型数据，例如物件200的各切层影像。当使用打印模组11时，投影机14所发出的投射光线201可由半穿透半反射镜也可以由可翻转反射镜反射出反射光202至打印模组11的座体111，再由计算器装置13控制投射各切层影像，并逐步带动承载装置113于容置空间15中进行一第一方向A或一第二方向B的线性位移运动，依据各切层影像逐层堆栈出对应物件200实体的三维模型。
于本实用新型第一较佳实施例中，该计算器装置13分别与该影像感应器121、投影机14、移动控制装置114、俯仰与水平旋转机构115及该供料装置电讯连接，用以作为三维扫描打印复合装置10的运作核心，亦即用以储存及整合扫描模组12所撷取的三维影像数据，并经处理后将的转换成三维移动控制讯号输出。其中，该计算器装置13与该影像感应器121电讯连接以接收、储存并整合被扫描物件200的三维影像数据，该计算器装置13与该投影机14电讯连接以控制该投影机14投射光线至物件200及作为一热源投射至座体111的时间，该计算器装置13与该移动控制装置114电讯连接以控制该承载装置113于该容置空间15中所进行的线性位移运动，该计算器装置13与该俯仰与水平旋转机构115电讯连接以转动摆置待扫描物件200的姿态，以及与该供料装置电讯连接以控制该供料装置提供材料至该座体111的数量。
另外，请参阅图5及图6，其分别为本实用新型三维扫描打印复合装置10的第二较佳实施例的示意图及其的投射光线201作为热源照射座体111的示意图。此实施例的三维扫描打印复合装置10与第一较佳实施例中所述者的结构相似，其不同之处在于此是利用取像区域与打印区域重叠模式，故无须分光装置16的辅助。三维扫描模组12配置于三维打印模组11下方。其中该座体111底部为透明材质，允许DLP投影机投射光线201穿透，且投射后的影像可被两个影像感应器121所撷取。在使用扫描功能时，必须将物件200放置于座体111底部的上方位置，亦可以透过悬臂支撑的俯仰与水平旋转机构115，藉由投射结构光产生的影像进行分析取得单一面向的物件200三维数据，经过多次扫描取得完整三维模型。
本实用新型的三维扫描打印复合装置10确实可达到在有限的空间中(同一装置)配置三维扫描及三维打印设备所需的元件，并且成功地使双影像感应器121在精确度提高装置122的辅助下，其量测的精确度不受双影像感应器121夹角减少的限制。减少三维扫描打印所需的空间配置并且提升其作用效能。
以上所述是利用较佳实施例详细说明本实用新型，而非限制本实用新型的范围，因此熟知此技艺的人士应能明了，适当而作些微的改变与调整，仍将不失本实用新型的要义所在，亦不脱离本实用新型的精神和范围，故都应视为本实用新型的进一步实施状况。谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims (12)

1.一种三维扫描打印复合装置，用以扫描/打印一物件，其特征在于，包含：
  一装置本体，与该物件维持一特定相对位置关系；
  一扫描模组，设置于该装置本体上，用以撷取对应该物件的一三维影像数据； 
  一精确度提高装置，设置于该扫描模组与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度；
  一计算器装置，耦接至该扫描模组，用以储存及整合该三维影像数据，并将整合后的该三维影像数据转换成一三维移动控制讯号输出； 
  一打印模组，耦接至该计算器装置，接收该三维移动控制讯号并据以输出一立体结构；以及
一分光装置，将一光线分配至该物件与该打印模组。
2.如权利要求1所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，该扫描模组包含至少一影像感应器，该影像感应器是一电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)或是一互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感应器且装载该精确度提高装置。
3.如权利要求1所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，该打印模组更包含：
  一座体，其为一框架结构，该座体具有一容置空间；
  一架体，其与该座体垂直连接；
  一承载装置，其位于该容置空间；以及
  一移动控制装置，其与该承载装置相连接，该移动控制装置用以使该承载装置于该容置空间中进行一第一方向或一第二方向的一线性位移运动。
4.如权利要求3所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，更包含一光源投射装置，其中该光源投射装置与该扫描模组、该打印模组及该物件维持一特定相对位置关系，以投射该光线至该物件且作为一热源投射至该座体。
5.如权利要求4所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，该光源投射装置是一数字光源处理器(Digital Light Processing，DLP)投影机。
6.如权利要求1所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，该精确度提高装置为一非对称性透镜。
7.如权利要求1所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，该分光装置是一半穿透半反射镜或是一可翻转反射镜。
8.一种三维扫描打印复合装置，用以扫瞄/打印一物件，其特征在于，其包含：
一装置本体，与该物件维持一特定相对位置关系；
  一扫描模组，设置于该装置本体上，用以撷取对应该物件的一三维影像数据； 
  一打印模组，设置于该装置本体上，根据该三维数据而输出对应该物件的一立体结构；以及
  一投影机，与该扫描模组、该打印模组及该物件维持一特定相对位置关系，投射一光线至该物件且作为一热源投射至该打印模组的一座体。
9.如权利要求8所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，更包含一精确度提高装置，设置于该扫描模组与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度。
10.一种三维扫描打印复合装置，用以扫描/打印一物件，其特征在于，包含：
一装置本体，与该物件维持一特定相对位置关系；
一输入单元，设置于该装置本体上，用以撷取对应该物件的一三维影像数据；以及
一输出单元，设置于该装置本体上，根据该三维数据而输出对应该物件的一立体结构。
11.如权利要求10所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，更包含一分光装置，该分光装置将一光线分配至该物件与该输出单元。
12.如权利要求10所述的三维扫描打印复合装置，其特征在于，更包含一精确度提高装置，设置于该输入单元与该物件之间，用以提高该三维影像数据的精确度。
CN201420560127.4U 2014-08-19 2014-09-25 三维扫描打印复合装置 Active CN204183907U (zh)

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