CN204340222U - 一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备，包括处理装置、控制主板、3D打印桌面、打印机头、喷嘴、喷涂材料提供装置、液氮制冷装置、三维扫描装置机体、扫描控制单元、图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块；扫描控制单元控制图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块对模型进行扫描，获得的三维图像数据被输送至处理装置，处理装置将该数据解析为模型的分层切割信息，根据该信息打印机头在3D打印桌面上打印模型；打印时，液氮制冷装置对打印材料进行冷却；打印完成后，喷嘴对模型的表面喷涂上胶水层、颗粒材料层和光油层。本实用新型提高模型制作效益和制作精度，制出的模型无表面层叠纹理，并同时集三维扫描功能于一体。

Description

一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备

技术领域

本实用新型属于3D制造领域，具体涉及一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备。

背景技术

现有的模型如建筑工程模型一般是通过手工利用铁丝或塑料搭接粘贴而成，这需要消耗大量人力、物力。特别是一些结构复杂、节点特殊的建筑模型，所消耗的工时更多，而且组装的建筑模型不稳定、易坍塌。此外，对于比较精细的建筑模型，手工制作难以实现。

目前3D打印设备可以打印各种模型，但由于受到成型工艺和成型速度的制约，3d打印机打印出来的模型很难克服在Z轴方向形成的层叠纹理，这样对于3d打印机在工业和民用市场的广泛应用受到一定的制约。传统针对3d打印模型的处理，都是通过上灰、打磨、喷色这些步骤，但是由于3d打印模型一般结构比较复杂，所以处理起来耗时，而且对人员的要求高，效率低，严重影响了3d打印在民用市场的应用。

同时，在3D打印技术领域，在挤出设备根据打印需要挤出打印材料后，需要对打印材料进行快速冷却，使其尽快固定形状，满足打印的需求。现有的3D打印机一般采用制冷风扇，其冷却效果较好，应用范围相当广泛。然而制冷风扇的转动的过程中容易造成挤出喷头震动，导致打印模型表面产生波纹，从而影响打印精度的问题，同时风扇送风范围过大也会造成挤出喷头降温导致材料挤出不均匀的问题，这都会对最终的打印效果产生不利影响。

而且，3D打印机需要基于三维CAD设计图纸资料才能进行打印，其弊端也正是如此，用户要么下载其他人创建的文件，要么使用软件从头开始设计模型。而3D建模软件难以掌握，面对一个实物，大部分用户无法自行构建物体模型，所以一般只能制作出简单的物件，而想要打印复杂的产品，就需要非常专业的工业设计能力，先通过软件设计出模型，再利用3D打印机打印成型，这对于普通的用户来说，是非常困难的，导致很多用户买了3D打印机后，却不知道应该打印什么。即使是专业设计人员，制作起来效率也比较低，且不能保证完全与实物相吻合，从而影响了3D打印机的使用。而三维扫描仪可以大大改善3D打印技术的这一窘境，需要打印的实物，通过三维扫描仪扫描后，能快速形成物体模型的三维图像数据资料，从而快速实现许多物体的复制工作，为家用或手工制品提供了很好的助力。由此可见，三维扫描成为获取物品可打印的三维图像数据资料的一个便捷途径。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备。

本实用新型的技术方案如下：

一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备，包括打印机本体和三维扫描装置，二者通过有线或是无线的方式通信连接；三维扫描装置包括三维扫描装置机体、扫描控制单元、图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块；打印机本体包括处理装置、控制主板、3D打印桌面、打印机头、喷嘴、喷涂材料提供装置和液氮制冷装置。

扫描控制单元与处理装置通过有线或是无线的方式通信连接，扫描控制单元控制图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块对模型进行扫描以获得模型三维图像数据，该三维图像数据被输送至处理装置；进一步的，图像采集装置为照相机或摄像头；三维扫描装置为接触式三维扫描装置或非接触式三维扫描装置；有线连接方式为串行口、并行口或USB接口连接。

处理装置用于分析三维图像数据，并按工程建造要求设置3D打印精度，并利用3D建模软件将所获得的三维图像数据进行分层切割，并把每层模型信息发送给控制主板；进一步的，处理装置为安装有3D建模软件的计算机。

控制主板根据处理装置所发送的每层模型信息，控制打印机头在水平范围内以及纵向上的位置、移动方向、速度以及3D打印材料输入，从而在3D打印桌面上逐层打印出需要打印的模型；

喷嘴与喷涂材料提供装置通过导管相连，喷涂材料提供装置包括胶水盒、颗粒材料盒和光油盒；模型打印完成后，控制主板控制喷嘴对模型的表面喷涂上胶水层，在胶水层上喷涂颗粒材料层，在颗粒材料层上喷涂上光油层。

液氮制冷装置包括出风嘴和气泵，该气泵通过导气管连通出风嘴，该出风嘴设置于打印机头正下方；进一步的，出风嘴包括环形本体，环形本体内部具有中空的环形气路，环形本体上开设有连通环形气路的若干个出气口以及至少一个进气口，进气口通过管道连通气泵，出风嘴的环形本体围绕的3D打印机的打印机头设置。

进一步的，打印机本体还包括纵向导杆、水平Y向导杆、水平X向导杆和电动机；四个纵向导杆垂直地设置在3D打印桌面的四角；两个水平Y向导杆分别滑动地设置在一对纵向导杆之间，并且两个水平Y向导杆平行；水平X向导杆设置在两个水平Y向导杆之间，并将两个水平Y向导杆连接；电动机能够驱动水平Y向导杆沿着纵向导杆滑动，并能够驱动水平X向导杆沿着水平Y向导杆滑动；打印机头滑动地安装在水平X向导杆上；打印机头中具有电动机；打印机头中电动机驱动打印机头沿着水平X向导杆滑动；控制主板根据处理装置所发送出的每层模型信息控制电动机及打印机头中电动机的运行。

进一步的，水平Y向导杆的两端分别通过滑头滑动地安装在对应的纵向导杆上。

进一步的，水平X向导杆的两端分别通过滑头滑动地安装在对应的水平Y向导杆上。

进一步的，打印机本体还包括材料导管和材料提供装置；材料导管的一端与打印机头连接，另一端与材料提供装置连接。

进一步的，打印机本体还包括喷嘴套环、套环纵向导杆和第三电机，套环纵向导杆与纵向导杆平行，套环纵向导杆的一端固定于水平X向导杆上，另一端固定于3D打印桌面上，喷嘴套环通过第三电机与套环纵向导杆活动连接，第三电机驱动喷嘴套环在竖直方向上移动，喷嘴内置有喷嘴电机，喷嘴电机驱动喷嘴在喷嘴套环上移动。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

(1)、与传统手工制模相比，用本实用新型制模可减少人力物力，提高模型制作效益；而且，只要可以在处理装置上建立模型就可以打印，操作便捷；而且打印出来的模型精度高、美观、牢固。

(2)、打印出的模型表面光滑，与传统3D打印设备相比，无需对模型表面再次处理，加工简单，实用性强，可直接将模型投入市场；无需更换喷嘴，对模型的表面层叠纹理处理更高效。

(3)、由于其该冷却装置，包括出风嘴和连通该出风嘴的气泵而不具有风扇，且出风嘴设置于3D打印设备的打印机头附近的位置，因此可以有效避免由于风扇转动造成的打印机头震动问题，同时，由于出风嘴的环形本体围绕所述的打印机头设置，且其出气口位于环形本体上朝向打印机头材料挤出方向的一个侧面，因此也不会造成打印机头降温导致的材料挤出不均匀的问题，从而能够有效提升3D打印的精度，保证打印出的产品能够满足苛刻的精度要求。

(4)、通过在现有3D打印机的基本功能上，集三维扫描功能于一体，帮助用户更方便地将现实世界中的物品转换成为可用于3D打印的三维图像数据资料，同步完成，提高了3D打印机的实用性和易用性，具有操作简单、高效便捷、快速传输的优点。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图；

图2为本实用新型的打印机本体的结构示意图；

图3为本实用新型的出风嘴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1所示，一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备，包括打印机本体和三维扫描装置，二者通过有线或是无线的方式通信连接；三维扫描装置包括三维扫描装置机 体、扫描控制单元、图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块；打印机本体包括处理装置、控制主板、3D打印桌面、打印机头、喷嘴、喷涂材料提供装置和液氮制冷装置。

扫描控制单元与处理装置通过有线或是无线的方式通信连接，扫描控制单元控制图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块对模型进行扫描以获得模型三维图像数据，该三维图像数据被输送至处理装置。

处理装置用于分析三维图像数据，并按工程建造要求设置3D打印精度，并利用3D建模软件将所获得的三维图像数据进行分层切割，并把每层模型信息发送给所述控制主板。

控制主板根据处理装置所发送的每层模型信息，控制打印机头在水平范围内以及纵向上的位置、移动方向、速度以及3D打印材料输入，从而在3D打印桌面上逐层打印出需要打印的模型；

喷嘴与喷涂材料提供装置通过导管相连，喷涂材料提供装置包括胶水盒、颗粒材料盒和光油盒；模型打印完成后，控制主板控制喷嘴对模型的表面喷涂上胶水层，在胶水层上喷涂颗粒材料层，在颗粒材料层上喷涂上光油层。

液氮制冷装置包括出风嘴和气泵，该气泵通过导气管连通所述的出风嘴，该出风嘴设置于所述打印机头正下方，气泵内装有液氮。

如图2所示，是本实用新型打印机本体的一较佳实施例，包括处理装置110、控制主板120、3D打印桌面130、纵向导杆140、水平Y向导杆150、水平X向导杆160、打印机头(含电动机)170、材料导管180、材料提供装置182、电动机190、喷嘴210(内置喷嘴电机)、喷嘴套环220、套环纵向导杆230、第三电机240、喷涂材料提供装置250(包括胶水盒251、颗粒材料盒252、光油盒253和共用导管254)、出风嘴260、导气管270和气泵280。其中，处理装置110通过控制主板120控制电动机190及打印机头170中电动机的运行，进而控制打印机头170在纵向导杆140、水平Y向导杆150及水平X向导杆160上的位置、移动方向及材料输入，从而将材料提供装置182提供的材料经过材料导管180输送到打印机头170中，以在3D打印桌面130上3D打印出所需要的工程模型如建筑模型；处理装置110通过控制主板120控制第三电机240和喷嘴210内的喷嘴电机，进而控制喷嘴套环220在套环纵向导杆230上上下移动，进而控制喷嘴210绕喷嘴套环220移动，模型打印完成后，处理装置110通过控制主板120，控制喷嘴210在模型上均匀喷涂一层胶水层，再控制喷嘴210在模型的胶水层上喷涂一层颗粒材料，再控制喷嘴210在模型的颗粒材料层上喷涂一层光油层；在打印的同时，处理装置110通过控制主板120控制气泵280，使其在打印过程中不断通入冷却气体，冷却气体从出风嘴260内出来，对从打印头170中挤出的打印材料进行冷却。

具体地，处理装置110可以为安装有3D建模软件的计算机。3D建模软件可包括Bender、OpenSCAD、Art of Illusion、FreeCAD、Wings3D、BRL-CAD、SketchUp、Autodesk123D、MeshMixer等。其中，Blender一种免费开源3D模型制作软件套装。OpenSCAD是一款基于命令行的3D建模软件，可以产生CSG文件，特长是制作实心3D模型。Art of Illusion是开源的3D模型和渲染软件。FreeCAD是来自法国Matra Datavision公司的一款开源免费3D CAD软件，基于CAD/CAM/CAE几何模型核心，是一个功能化、参数化的建模工具。Wings3D是一个开源免费的3D建模软件，适合创建细分曲面模型。BRL-CAD是一款跨平台开源实体几何(CSG)构造和实体模型计算机辅助设计(CAD)系统。SketchUp是谷歌Google的一个免费交互式的3D模型程序，不仅适合高级用户，也适合初学者。Autodesk123D是欧特克公司的产品，是一个免费3D模型软件，目前只支持Windows系统。MeshMixer是一个3D模型工具，也是Autodesk公司的产品。针对需要打印的模型，在处理装置110上建模、导入模型或3D扫描导入模型，并按工程建造要求设置3D打印精度后，可利用3D建模软件将需要打印的模型进行分层切割，并把每层模型信息通过导线112发送给控制主板120。

控制主板120可通过导线112与处理装置110连接，并可根据处理装置110所发送的每层模型信息控制打印机头170在水平范围内以及纵向上的位置、移动方向及速度，从而使得打印机头170能够在三维空间内精确定位并进行打印。同时，控制主板120还可控制打印机头170处激光参数及温度等等。

3D打印桌面130用于承载打印形成的模型。3D打印桌面130的形状可以根据实际使用需求设计，在一实施例中，3D打印桌面130大致呈矩形。

多个如四个纵向导杆140大致垂直地设置在3D打印桌面130的四角。两个水平Y向导杆150分别设置在一对纵向导杆140之间，并且两水平Y向导杆150大致平行。如图2所示，水平Y向导杆150的两端分别通过滑头152滑动地安装在对应的纵向导杆140上，使得水平Y向导杆150可以在电动机190驱动下沿着纵向导杆140滑动。水平X向导杆160设置在两个水平Y向导杆150之间，并将两个水平Y向导杆150连接。水平X向导杆160的两端分别通过滑头152滑动地安装在对应的水平Y向导杆150，使得水平X向导杆160可以在电动机190驱动下沿着水平Y向导杆150滑动。打印机头170滑动地安装在水平X向导杆160上，并可在打印机头170中电动机的驱动下沿着水平X向导杆160滑动。这样，通过控制主板120控制电动机190及打印机头170中电动机的运行，即可控制打印机头170在水平范围内以及纵向上的位置、移动方向及速度，从而使得打印机头170能够在三维空间内精确定位并进行打印。

材料导管180的一端与打印机头170连接，另一端与材料提供装置182连接。在处理 装置110和/或控制主板120控制下，材料提供装置182上的材料经过材料导管180输送到打印机头170以实现3D打印。

喷嘴210内置有喷嘴电机，喷嘴210通过共用导管254与胶水盒251、颗粒材料盒252和光油盒253分别相连，胶水盒251内装白乳胶等慢干性胶水，颗粒材料盒252内装有直径大小在50um～200um塑胶片或粉末，光油盒253内装光油。套环纵向导杆230与纵向导杆140平行，套环纵向导杆230的一端固定于水平X向导杆160上，另一端固定于3D打印桌面130上，喷嘴套环220通过第三电机240与套环纵向导杆230活动连接，第三电机240驱动喷嘴套环220在竖直方向上移动，喷嘴210内置的喷嘴电机驱动喷嘴210在喷嘴套环220上移动。

由于3d打印是基于层叠原理进行模型的构建，层的厚度又决定了模型打印的速度和打印的稳定性，所以在3d打印技术里面，一般采用0.1-0.3mm左右作为层厚的参数，因此打印出来的模型在表面都会有用肉眼能明显分辨出来的层叠纹理。利用50um-200um颗粒，在模型表面覆盖一层装饰层，因为颗粒比较大，不会直接填充到层与层的间隙中，只会叠加在模型表面，可以迅速掩盖模型表面的纹理。胶水层与浮饰层的厚度不作硬性要求，只要使模型表面细节保持清晰，颗粒不易掉落即可，因为胶水的粘性大时，就可以薄一些，胶水的粘性小时，就可以厚一些，对于浮饰层，影响模型表面细节的决定因素是在于浮饰材料的颗粒大小。

出风嘴260通过导气管270与气泵280相连，如图3所示，出风嘴260包括一对环形本体2601(上环形本体和下环形本体)和本体连接管2602，这一对环形本体2601通过本体连接管2602连接，所述环形本体2601内部中空形成环形气腔(上环形气腔和下环形气腔)，上环形本体的上环形气腔和下环形本体的下环形气腔通过本体连接管2602连通，上环形本体和下环形本体上均设有若干均匀分布的出气口26010，上环形本体上表面上设置有进气口26011和固定螺纹孔26012，进气口26011与导气管270相连，出风嘴260通过固定螺纹孔26012设置在打印机头170的正下方。

下面对本实用新型的3D打印设备的使用方法做阐述。

在打印之前，将待打印物体模型扫放置在扫描平台上，让射灯发出的红色直线从上至下掠过被扫描物体的表面，照相机或摄像头捕获“扫描线”，该“扫描线”通过图像处理模块合成转变为三维图像数据资料，该资料被传输至处理装置110。

在处理装置110对接收到的三维图像数据资料进行分析，并按工程建造要求设置3D打印精度；利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并把每层模型信息通过导线112发送给控制主板120。

然后根据处理装置110所发送的每层模型信息，控制主板120控制打印机头170在水平范围内以及纵向上的位置、移动方向、速度以及3D打印材料输入，在3D打印桌面130上逐层打印出需要打印的模型，其中，3D打印材料可以用纯塑料/树脂以及粘合剂，3D打印材料输入包括：调节打印机头170处的激光温度至3D打印材料的熔点或塑化温度，使得3D打印材料熔化后落在3D打印桌面130上并凝固，并在粘合剂的作用下实现结构堆叠稳定，建立实体模型，可将打印机头170处的激光温度调节至高于3D打印材料的熔点或塑化温度。

在打印的同时，处理装置110通过控制主板120控制气泵280，使其在打印过程中不断通入液氮，液氮从导气管270进入出风嘴260，又从出风嘴260的出气口26010喷出，以对从打印头170中挤出的打印材料进行冷却。

在模型打印完成后，控制主板120控制第三电机240以驱动喷嘴套环220绕模型上下移动，同时控制主板120控制喷嘴210内的喷嘴电机以驱动喷嘴210在喷嘴套环220上移动，在移动过程中，控制主板120控制喷嘴210与胶水盒251连通，使得模型表面被喷涂上一层胶水；重复上述控制，在胶水层上喷涂一层颗粒材料；重复上述控制，在颗粒材料城上喷涂一层光油层。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带液氮制冷和三维扫描的多功能3D打印设备，其特征在于：包括打印机本体和三维扫描装置，二者通过有线或是无线的方式通信连接；所述三维扫描装置包括三维扫描装置机体、扫描控制单元、图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块；所述打印机本体包括处理装置、控制主板、3D打印桌面、打印机头、喷嘴、喷涂材料提供装置和液氮制冷装置；

所述扫描控制单元与所述处理装置通过有线或是无线的方式通信连接，所述扫描控制单元控制所述图像采集模块、光束发射模块和图像处理模块对模型进行扫描以获得模型三维图像数据，该三维图像数据被输送至所述处理装置；

所述处理装置用于分析三维图像数据，并按工程建造要求设置3D打印精度，并利用3D建模软件将所获得的三维图像数据进行分层切割，并把每层模型信息发送给所述控制主板；

所述控制主板根据所述处理装置所发送的每层模型信息，控制所述打印机头在水平范围内以及纵向上的位置、移动方向、速度以及3D打印材料输入，从而在所述3D打印桌面上逐层打印出需要打印的模型；

所述喷嘴与喷涂材料提供装置通过导管相连，喷涂材料提供装置包括胶水盒、颗粒材料盒和光油盒；模型打印完成后，所述控制主板控制喷嘴对模型的表面喷涂上胶水层，在胶水层上喷涂颗粒材料层，在颗粒材料层上喷涂上光油层；

所述液氮制冷装置包括出风嘴和气泵，该气泵通过导气管连通所述的出风嘴，该出风嘴设置于所述打印机头正下方，所述气泵内装有液氮。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述图像采集装置为照相机或摄像头；所述三维扫描装置为接触式三维扫描装置或非接触式三维扫描装置；所述有线连接方式为串行口、并行口或USB接口连接。

3.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述处理装置为安装有所述3D建模软件的计算机。

4.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述打印机本体还包括纵向导杆、水平Y向导杆、水平X向导杆和电动机；

四个所述的纵向导杆垂直地设置在所述3D打印桌面的四角；

两个所述的水平Y向导杆分别滑动地设置在一对所述纵向导杆之间，并且两个所述的水平Y向导杆平行；

所述水平X向导杆设置在两个所述的水平Y向导杆之间，并将两个所述的水平Y向导杆连接；

所述电动机能够驱动所述水平Y向导杆沿着所述纵向导杆滑动，并能够驱动所述水平X 向导杆沿着所述水平Y向导杆滑动；

所述打印机头滑动地安装在所述水平X向导杆上；所述打印机头中具有电动机；所述打印机头中电动机驱动所述打印机头沿着所述水平X向导杆滑动；

所述控制主板根据所述处理装置所发送出的每层模型信息控制所述电动机及所述打印机头中电动机的运行。

5.根据权利要求4所述的3D打印设备，其特征在于，所述水平Y向导杆的两端分别通过滑头滑动地安装在对应的所述纵向导杆上。

6.根据权利要求4或5所述的3D打印设备，其特征在于，所述水平X向导杆的两端分别通过滑头滑动地安装在对应的所述水平Y向导杆上。

7.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括材料导管和材料提供装置；所述材料导管的一端与所述打印机头连接，另一端与所述材料提供装置连接。

8.根据权利要求4所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括喷嘴套环、套环纵向导杆和第三电机，所述套环纵向导杆与所述纵向导杆平行，套环纵向导杆的一端固定于所述水平X向导杆上，另一端固定于所述3D打印桌面上，所述喷嘴套环通过所述第三电机与所述套环纵向导杆活动连接，第三电机驱动喷嘴套环在竖直方向上移动，所述喷嘴内置有喷嘴电机，所述喷嘴电机驱动喷嘴在喷嘴套环上移动。

9.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的出风嘴包括环形本体，所述的环形本体内部具有中空的环形气路，所述的环形本体上开设有连通所述环形气路的若干个出气口以及至少一个进气口，所述的进气口通过管道连通所述的气泵。

10.根据权利要求9所述的3D打印设备，其特征在于：所述的出风嘴的环形本体围绕所述的3D打印设备的打印机头设置。