CN204505857U - Dlp三维打印机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于数字光处理技术与三维扫描技术的DLP三维打印机,该DLP三维打印机包括机架及安装于机架上的控制单元、扫描投影单元、扫描成型载物单元及用于盛装光固化树脂溶液的成型槽;扫描投影单元包括扫描投影装置,扫描投影装置包括扫描光源、成型光源、数字微镜晶片及扫描反射光接收器;扫描成型载物单元用于承载被扫描物及在上述成型槽中成型出的三维物体;数字微镜晶片受控制单元控制地对扫描光源或成型光源产生的光进行处理,对应地形成用于对物体进行三维扫描的扫描光或用于固化成型槽中的光固化树脂溶液的成型光。该三维打印机充分地利用数字微镜晶片对光的处理能力,使扫描光束光斑的形状及大小不再受限于扫描光源。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种快速成型装置,具体地说涉及一种基于数字光处理技术与三维扫描技术的三维打印机。
背景技术
三维打印机,是一种基于三维物体的数字模型,利用塑料、液态光固化树脂、粉末状金属等材料,通过逐层打印的方式构造三维物体的设备。
数字光处理技术(Digital Light Processing,简称DLP)是一种基于数字微镜晶片(Digital Micromirror Device,简称DMD,也称数字微器件)的新式投影技术,数字微镜晶片为一个半导体开关,其在CMOS硅基片上集成了50-130万个微镜片,每一微镜片代表一个像素,当一个微镜片处于“开”状态时,入射光将被反射并通过投影镜将影像投射至屏幕上,当一个微镜片处于“关”状态时,入射光将被反射至光吸收器而被吸收。DLP三维打印机是一种基于数字光处理技术,以液态光固化树脂为成型材料的快速成型设备,其具有成型速度快及成型精度高的优点。
公布号为CN104085106A的专利文献中公布了一种DLP三维打印机,其包括计算机、电气控制装置、底板可透光的成型槽、垂直升降机构及成型载物台,成型载物台安装于垂直升降机构上,通过垂直升降机构来控制成型载物台与成型槽间的垂向间距。在打印三维物体的过程中,计算机用于处理三维模型并将三维模型按顺序分层处理得到一定厚度的若干剖面图形,即三维模型的切片层,计算机还连接并控制电气控制装置,电气控制装置控制垂直升降机构驱动成型载物台的升降,并控制DLP投影机对成型槽中的光固化树脂液面进行照射,DLP投影机设于成型槽的下方并与计算机连接,DLP投影机投射出剖面图形的图形光路经成型槽的底板透射以照射并固化液态光固化树脂,从而逐层地打印出与三维模型相对应的三维物体。
有些DLP三维打印机为了缩小整机的纵向结构尺寸,在成型槽底部的正下方设有一45度角倾斜布置的光反射器, DLP投射机的前端为一投射镜头,数字微镜晶片处理后的光束经投射镜头折射后形成发散的剖面图形的图形光路,该光路经光反射器反射后投射于成型槽的透光底板上。
此外,由于三维打印机是基于计算机辅助建模软件等建立的三维模型进行打印,为了简化建模过程,降低对用户建模能力的要求及提高建模效率,尤其是逆向工程,通常使用三维扫描仪对被扫描物进行三维扫描,对扫描得到的三维模型可人工或软件自动进行修补以得到更准确的三维模型。根据扫描所采用光束的形状及大小,现有三维扫描仪可分为点测量式、线测量式及面测量式。激光扫描仪作为一种最常用三维扫描仪,其是通过扫描被扫描物的表面而建立被扫描物的几何表面的点云,并将这些点云插补成物体的表面形状,即三维物体的三维模型,扫描得到的点云越密集,创建出的三维模型更精确,该三维模型的创建过程称为三维模型重建过程,计算机对重建出的三维模型进行分层处理,在该处理过程中,可人工进行添加支撑结构或由处理软件自动添加支撑结构,三维打印机再根据分层处理后的三维模型成型出与被扫描物相对应的三维物体,受光源的限制,常用激光扫描仪为点测量式及线测量式;点测量式激光扫描仪扫描精度高,但是扫描速度慢,通常用于精密部件的扫描;线测量式激光扫描仪扫描精度较高,且扫描速度较快。
为了能够进行快速进行成型,需要同时购买三维扫描仪及三维打印机,不仅要占据大量的空间,而且成本也高。此外,现有三维扫描仪所用的扫描光束的光斑的形状及大小取决于扫描光源,无法根据扫描精度的需要进行调整。
发明内容
本实用新型的主要目的是提供一种基于数字光处理技术与三维扫描技术的DLP三维打印机。
为了实现上述主要目的,本实用新型提供一种DLP三维打印机,其包括机架及安装于机架上的控制单元、扫描投影单元、扫描成型载物单元及用于盛装光固化树脂溶液的成型槽;扫描投影单元包括扫描投影装置,扫描投影装置包括扫描光源、成型光源、数字微镜晶片及扫描反射光接收器;扫描成型载物单元用于承载被扫描物及在上述成型槽中成型出的三维物体;数字微镜晶片受控制单元控制地对扫描光源或成型光源产生的光进行处理,对应地形成用于对物体进行三维扫描的扫描光或用于固化成型槽中的光固化树脂溶液的成型光。
由以上方案可见,充分地利用数字微镜晶片对光的处理能力,使经过数字微镜晶片处理后的扫描光束光斑的形状及大小不再受限于扫描光源,而是可以根据扫描精度的需要进行调整扫描光束光斑的形状及大小,从而可达到更好地扫描效果。此外,本DLP三维打印机集成了三维打印技术及三维扫描技术,可在该DLP三维打印机上完成物体的扫描及根据该扫描结果进行打印与该物体相对应的三维物体。
一个具体的方案为扫描成型载物单元为一扫描成型载物台,该扫描成型载物台可绕轴线垂直于其载物面的旋转轴旋转。该DLP三维打印机可在完成三维物体的成型之后,对成型出的三维物体进行扫描。
另一个具体的方案为扫描成型载物单元包括用于承载三维物体的成型载物台及用于承载被扫描物的扫描载物台,扫描载物台可绕轴线垂直于其载物面的旋转轴旋转。
一个更具体的方案为成型载物台可绕轴线垂直于其载物面的旋转轴旋转,且成型载物台的旋转轴与扫描载物台的旋转轴共轴线。该DLP三维打印机可在完成三维物体的成型之后,对成型出的三维物体进行扫描。
另一个更具体的方案为上述DLP三维打印机还包括安装于机架上的承载台,该承载台相对机架可绕轴线垂直于其台面的旋转轴旋转;成型槽及扫描载物台沿该承载台的旋转轴的周向布置地固定于承载台的台面上。
优选的方案为扫描投影装置受控制单元控制地相对机架可沿垂向移动;扫描成型载物台或成型载物台受控制单元控制地相对机架可沿垂向移动。
附图说明
图1是本实用新型第一实施例对被扫描物进行三维扫描过程的示意图;
图2是使用本实用新型第一实施例进行打印三维物体的方法的流程图;
图3是本实用新型第一实施例进行三维物体成型过程的示意图;
图4是本实用新型第二实施例对成型出的三维物体进行三维扫描过程的示意图;
图5是使用本实用新型第二实施例进行打印三维物体的方法的流程图;
图6是本实用新型第三实施例对被扫描物进行三维扫描过程的示意图;
图7是使用本实用新型第三实施例进行打印三维物体的方法的流程图;
图8是本实用新型第四实施例中成型槽、扫描载物台及承载台间相对位置关系示意图;
图9是本实用新型第五实施例对被扫描物进行三维扫描过程的示意图;
图10是本实用新型第五实施例进行三维物体成型过程的示意图。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
第一实施例
参见图1,DLP三维打印机1由机架及安装于机架上的控制单元、扫描投影单元、扫描成型载物单元、承载台13与成型槽14构成。扫描投影单元由扫描投影装置111、第一升降装置112、光反射器113及投射镜头114构成,扫描投影装置111受第一升降装置112驱动地相对承载台13在Z轴方向上移动;扫描成型载物单元由成型载物台121、第二升降装置122及扫描载物台123构成,成型载物台121受第二升降装置122驱动地相对承载台13在Z轴方向上移动;承载台13的台面沿水平的X-Y平面布置,相对机架可绕沿Z轴方向布置的旋转轴Z11旋转,成型槽14与扫描载物台123的中心关于旋转轴Z11中心对称地固定于承载台13的台面上;成型槽14的底部及承载台13位于成型槽14底部正下方的透光部分131均由透光材料制成;光反射器113与承载台13的台面相夹45度地设于承载台113的下方且位于成型载物台121的正下方;成型槽14用于盛装光固化树脂溶液04;扫描投影装置111具有扫描光源、成型光源、数字微镜晶片、出光镜头1111及扫描反射光接收器1112。本实施例中的扫描光源为线式激光光源,成型光源为紫外光光源,光固化树脂溶液04为紫外光固化树脂。
参见图2,使用DLP三维打印机1进行打印三维物体的方法由扫描建模步骤S11及成型步骤S12构成:
扫描建模步骤S11,参见图1,将被扫描物031安放于扫描载物台123上,如果被扫描物031在三维扫描过程随着扫描载物台123的旋转会移动,则通过夹持机构等对被扫描物031进行固定,控制单元控制承载台13绕旋转轴Z11旋转,使扫描载物台123旋转至成型载物台121的正下方;控制单元控制第一升降装置112驱动扫描投影装置111在Z轴方向上移动至可对被扫描物031进行扫描的起始高度,该高度可以通过设于扫描载物台123上的光传感器对由数字微镜晶片处理成点光状光束的感应,完成对出光镜头1111的垂向位置进行定位,从而控制出光镜头1111移动至扫描载物台123的载物面的共面位置处为被扫描物031的扫描起始高度处,接着控制扫描载物台123绕自身沿Z轴方向布置的中心轴Z12旋转及扫描光源工作,扫描光源产生的扫描光011经数字微镜晶片处理成所需光斑形状与大小的线型光束或点光束,从出光镜头1111投射至被扫描物031上,经被扫描物031反射的扫描反射光012被扫描反射光接收器1112接收,对扫描得到的模型数据经控制单元传输给计算机,计算机对模型数据进行处理并重建出与被扫描物相对应的第一三维模型,该第一三维模型记载有三维物体的形状及尺寸参数,计算机对第一三维模型进行分层处理得到由多层切片层构成的数字表示;完成对被扫描物031的三维扫描后,控制单元控制承载台13绕旋转轴Z11旋转,使成型槽14旋转至成型载物台121的正下方,同时控制第一升降装置112驱动扫描投影装置111沿Z轴向下移动至出光镜头1111的中心与投影镜头114的中心共水平线的位置;从扫描载物台123上取下被扫描物031。
成型步骤S12,参见图3,控制单元在接收到计算机对三维重建成的第一三维模型进行分层处理得到由多层切片层构成的数据信息后,控制成型载物台121沿Z轴向下移动至其下表面与光固化树脂04的液面共面的位置;接着控制成型光源工作,同时根据数字信息中的首层切片层的形状控制数字微镜晶片工作,经数字微镜晶片处理后的平行光线经出光镜头1111而投射至投射镜头114,经投射镜头114折射处理后的发散021投射至光反射器113上,在经光反射器113反射后的光线022依次经过承载台13透光部分131及成型槽14的底部,投射于成型载物台121的下表面上,形成三维物体032的首层切片层;接着控制单元控制第二升降装置122驱动成型载物台121沿Z轴向上移动第二层切片层的厚度,并向成型槽中补充光固化树脂溶液04至其液面与第一层切片层的下表面共面的位置,控制成型光源工作而成型出三维物体032的第二层切片层;此后,依次地打印出后续每层切片层,逐层地完成三维物体032的成型。
在扫描建模步骤S11中,如果在成型三维物体032的过程中需要成型用于支撑三维物体的支撑结构,则可通过计算机自动或人工地在三维模型上添加支撑结构模型,并一起进行分层处理,在成型步骤S12中,与三维物体同步地逐层打印出支撑结构。
在扫描建模步骤S11中,扫描光源产生的扫描光011经数字微镜晶片处理成所需的线型光束或点光束为,根据扫描精度的需要将扫描光源产生的光束的光斑处理成线状或点状,并且线状光斑与点状光斑的尺寸大小也通过数字微镜晶片处理成所需的尺寸要求。对于何时何物采用线型光束或点光束进行扫描,可以由使用人员进行设定,如果对整个扫描过程的扫描精度要求高而对扫描时间要求不高,将整个扫描过程设成点测量式,则在整个过程由数字微镜晶片将光束的光斑处理成所需的形状及尺寸大小;如果对整个扫描过程的扫描精度要求不高但是对快速进行扫描,则将整个扫描过程设成线测量式;如果只是对被扫描物031的局部要求扫描比较高,而且要求快速扫描,可以在局部要求高的高度范围内设定成点测量式,而其他高度范围内采用线测量式。
第二实施例
作为对本实用新型第二实施例的说明,以下仅对与上述第一实施例的不同之处进行说明。
参见图4,DLP三维打印机2的成型载物台221受控制单元控制地可绕其自身沿Z轴方向布置的中心轴Z22旋转,且扫描载物台223的旋转轴与中心轴Z22共轴线。
参见图5,使用DLP三维打印机2进行打印三维物体的方法由扫描建模步骤S21、成型步骤S22、扫描验证步骤S23及修补步骤S24构成。
扫描建模步骤S21及成型步骤S22与上述第一实施例中打印方法的扫描建模步骤S11及成型步骤S22相同,以下仅对扫描验证步骤S23及修补步骤S24进行说明。
扫描验证步骤S23,参见图4,在完成三维物体S32的成型之后,控制单元控制第二升降装置222驱动成型载物台221向上移动至预定高度,使整个三维物体032位于成型槽24的上方,控制单元控制承载台23绕旋转轴Z21旋转至扫描载物台223位于成型载物台221的正下方,接着控制第二升降装置222驱动成型载物台221向下移动至三维物体032的下端面与扫描载物台223的上表面相距一定间距高度处;接着控制单元控制第一升降装置212驱动扫描投影装置211沿Z轴向上移动至从出光镜头2111投射出的扫描光束刚好位于三维物体032的下端面处,此处为对三维物体032进行三维扫描的起始位置高度处;接着控制成型载物台221绕中心轴Z22旋转,从而带动三维物体032绕中心轴Z22旋转,同时控制扫描光源工作,从而对三维物体032的外表面形状及尺寸参数进行三维扫描,控制单元将扫描得到的数据传输给计算机;计算机对从三维物体032上扫描得到的数据进行三维重置出第二三维模型,将第二三维模型与从被扫描物上扫描得到的数据三维重建出的第一三维模型进行对比,即以第一三维模型的尺寸参数为基准,对成型出的三维物体是存在成型缺陷进行判断。
修补步骤S24,根据扫描验证步骤S23中的判断结果,对成型出的三维物体的成型缺陷进行人工修补。
在上述扫描验证步骤S23中,本实施例中的尺寸参数选择为被比较处于扫描旋转轴线间的间距,即在整个比较过程,将两个三维模型置于同个极坐标系中,并根据各比较处在极坐标系中的坐标值进行比较;由于扫描载物台223的旋转轴与成型载物台221的旋转轴共轴线,使扫描出的第一三维模型与第二三维模型的形状能够相对应,通过对应被扫描物031与三维物体032的起始扫描点处相对应,可便计算机自动地对两个三维模型的尺寸参数进行比对;也可以人工地进行确定比对起始点。上述中以第一三维模型的尺寸参数为基准,对成型出的三维物体是存在成型缺陷进行判断为,通过对应高度坐标与极轴角坐标,从而判断径向坐标值相差是否在设定阈值内,如果超出设定阈值,则判断为该处出现成型缺陷。设定阈值可根据对成型精度的要求进行设定,通常设为单层切片层厚度或其整数倍,因为成型过程是以切片层的厚度为单位进行成型的。
上述比较也可以放置于其他坐标系中进行比较。
第三实施例
作为对本实用新型第三实施例的说明,以下仅对与上述第二实施例的不同之处进行说明。
参见图6,与上述第二实施例相比,DLP三维打印机3略去扫描载物台,而用扫描成型载物台321替代成型载物台,扫描成型载物台321集成了成型用于承载三维物体及扫描时用于承载被扫描物的功能。
参见图7,使用DLP三维打印机3进行打印三维物体的方法由扫描建模步骤S31、成型步骤S32、扫描验证步骤S33及修补步骤S34构成。
扫描建模步骤S31,参见图6,控制单元控制承载台33绕旋转轴Z31旋转,使成型槽34旋转出成型载物台321的正下方之外;将被扫描物032安放于扫描成型载物台321的下端面上并固定;控制单元控制第一升降装置312驱动扫描投影装置311在Z轴方向上移动,同时控制扫描成型载物台321绕自身沿Z轴方向布置的中心轴Z32旋转及扫描光源工作,扫描光源产生的扫描光011经数字微镜晶片处理成所需的扫描光,从出光镜头3111投射至被扫描物031上,经被扫描物031反射的扫描反射光012被扫描反射光接收器3112接收,对扫描得到的模型数据经控制单元传输给计算机,计算机对模型数据进行处理并三维重建出与被扫描物031相对应的第一三维模型,计算机对第一三维模型进行分层处理得到由多层切片层构成的数字表示;完成对被扫描物031的三维扫描后,从扫描成型载物台321上取下被扫描物031;控制单元控制承载台33绕旋转轴Z31旋转,使成型槽34旋转至扫描成型载物台321的正下方,同时控制第一升降装置312驱动扫描投影装置311沿Z轴向下移动至出光镜头3111的中心与投影镜头314的中心共水平线的位置。
在该扫描建模步骤S31中,将被扫描物031承载于成型载物台321上的方法可采用以下的方式进行,成型载物台321的下端面为铁制成或其下端部内固定有一磁铁,将被扫描物031用采用铁制成夹持装置进行夹持或其上固定有磁铁的夹持装置进行夹持,然后再吸引至成型载物台321的下端面上,等完成被扫描物031的三维扫描后,将被扫描物031及夹持装置一起从扫描成型载物台321上取下。还可采用搭扣扣合的方式将夹持装置固定于成型载物台321的下端面上。
成型步骤S32,采用与上述第二实施例中打印方法的成型步骤相类同的方法进行三维物体的成型。
扫描验证步骤S33,采用与上述第二实施例中打印方法的扫描验证步骤相类同的方法对成型出的三维物体进行三维扫描并进行成型缺陷判断。
修补步骤S34,采用与上述第二实施例中打印方法的修补步骤相类同的方法对成型出的三维物体的成型缺陷部分进行修补。
第四实施例
作为对本第四实施例的说明,以下仅对与上述第一实施例的不同之处进行说明。
参见图8,承载台43相对机架静止地固定于机架上,承载台43的上表面上设有沿X轴方向布置的第一导轨432及沿Y轴方向布置的第二导轨433,成型槽44受控制单元控制地相对承载平43可沿第一导轨432移动,扫描载物台423受控制单元控制地相对承载台43可沿第二导轨433移动。第一导轨432与第二导轨433的相交处位于成型载物台的正下方。
在扫描建模步骤中,控制单元控制扫描载物台423沿第二导轨433移动至第一导轨432与第二导轨433的相交处,从而对放置于扫描载物台423上的被扫描物进行三维扫描。
在成型步骤中,控制单元控制扫描载物台423沿第二导轨433移动出第一导轨432与第二导轨433的相交处,接着控制成型槽44沿第一导轨432移动至第一导轨432与第二导轨433的相交处,从而进行三维物体的成型。
第五实施例
作为对本实用新型第五实施例的说明,以下仅对与上述第三实施例的不同之处进行说明。
参见图9至图10,DLP三维打印机5的承载台53相对机架静止地固定于机架上,成型槽54可拆卸地固定于承载台53的上表面上。
参见图9,在扫描建模步骤中,控制单元控制第二升降装置522驱动扫描成型载物台521沿Z轴向上移动至其与成型槽54之间的垂向间距足够容许被扫描物031,将被扫描物031可拆卸地固定于成型载物台521的下端面上,接着控制第一升降装置512驱动扫描投影装置511沿Z轴向上移动至对被扫描物031进行三维扫描的起始位置,从而对被扫描物031进行三维扫描。在完成对被扫描物031的三维扫描后,从成型载物台521上取下被扫描物031。
参见图10,在完成三维物体032的成型后,控制单元控制第二升降装置522驱动扫描成型载物台521沿Z轴向上移动至整个三维物体032高于成型槽54的上端面,同时控制第一升降装置512驱动扫描投影装置511沿Z轴向上移动至可对三维物体032进行三维扫描的起始位置处;接着进行扫描验证步骤。
第六实施例
作为对本实用新型第六实施例的说明,以下仅对与上述第一实施例的不同之处进行说明。
扫描投影装置中的扫描光源为点光源,该DLP三维打印机对被扫描物只进行点测量式扫描。
在对被扫描物进行扫描时,由扫描光源产生的光束经数字微镜晶片处理后可形成相应形状及大小的光斑的扫描光束,减少扫描光源对扫描光束光斑形状及大小的限制。
上述各实施例中扫描得到的数据经由控制单元传输给计算机进行处理,再传输回控制单元进行三维物体的成型;也可以是直接在DLP三维打印机的控制单元中进行处理;此外,DLP三维打印机上可设置有用于显示扫描得到的第一三维模型、第二三维模型及二者进行比较结果的显示器。
对于上述各实施例中扫描验证步骤中判断结果还可用于判断成型出的三维物体是否合格。
Claims (6)
1.DLP三维打印机,包括机架及安装于所述机架上的控制单元及成型槽;
其特征在于:
扫描投影单元,所述扫描投影单元包括扫描投影装置,所述扫描投影装置包括扫描光源、成型光源、数字微镜晶片及扫描反射光接收器;
扫描成型载物单元,所述扫描成型载物单元用于承载被扫描物及所述成型槽成型出的三维物体;
所述数字微镜晶片受所述控制单元控制地对所述扫描光源或所述成型光源产生的光进行处理,对应地形成用于三维扫描的扫描光或用于成型的成型光。
2.根据权利要求1所述DLP三维打印机,其特征在于:
所述扫描成型载物单元为一扫描成型载物台,所述扫描成型载物台可绕轴线垂直于其载物面的旋转轴旋转。
3.根据权利要求1所述DLP三维打印机,其特征在于:
所述扫描成型载物单元包括用于承载所述三维物体的成型载物台及用于承载所述被扫描物的扫描载物台,所述扫描载物台可绕轴线垂直于其载物面的旋转轴旋转。
4.根据权利要求3所述DLP三维打印机,其特征在于:
所述成型载物台可绕轴线垂直于其载物面的旋转轴旋转;
所述成型载物台的旋转轴与所述扫描载物台的旋转轴共轴线。
5.根据权利要求3所述DLP三维打印机,其特征在于:
还包括安装于所述机架上的承载台,所述承载台相对所述机架可绕轴线垂直于其台面的旋转轴旋转;
所述成型槽及所述扫描载物台沿所述承载台的旋转轴的周向布置地固定于所述台面上。
6.根据权利要求3至5任一项所述DLP三维打印机,其特征在于:
所述扫描投影装置相对所述机架可沿垂向移动;
所述扫描成型载物台或所述成型载物台相对所述机架可沿垂向移动。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
AV01 | Patent right actively abandoned | ||
AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20150729 Effective date of abandoning: 20170815 |