TW201615446A - 手工立體成型方法及其系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種手工立體成型系統，包括控制設備、手工創作設備及投影設備。控制設備產生立體創作模型並將立體創作模型分層產生複數個分層影像；控制設備調整手工創作設備之升降檯高度，並同步控制投影設備投射對應當下升降檯高度之分層影像至升降檯，藉以引導使用者利用手工創作設備中之列印模組進行創作，手工立體成型系統會以逐步分層投影以及調整升降檯高度之方式引導使用者完成立體創作。

Description

手工立體成型方法及其系統

本發明是關於手工立體成形系統及方法，特別是關於3D列印(3D-Printing)技術上之手工創作系統及方法。

3D列印最近引起廣泛討論，被媒體喻為新一波「自造者革命」的新興商業手段。3D列印技術為快速成型技術(Rapid Prototyping)的一種，它以電腦產生之數位立體模型送入切層軟體(如地理等高線原理，求出切層高度所在之立體模型輪廓，進而得出複數個分層輪廓數據)，之後輸出G-code(內含3D印表機的移動及列印控制參數)作為3D印表機(3D-Printer)執行列印的藍圖。3D印表機的列印噴頭一般被設置在可進行三維移動之驅動機構，列印噴頭結合驅動機構透過G-code控制可進行精細之三維移動並進行物件列印，而列印噴頭更可藉由G-code控制輸出金屬、塑料或食用材質等可固化黏合之固態、半固態、液態、半液態或粉末狀材料，通過積層堆疊之方式，將所需成型之物件堆疊起來。

現行家用或商用3D印表機，為了立體成型需求，通常以可多維移動之列印噴頭方式來實現，其列印噴頭之多維驅動機構通常由各個軸向上之步進馬達、導桿、軸間連接機構、齒輪及驅動皮帶等傳動元件加上移動控制器所組成。此外，列印噴頭通常一個噴嘴負責一種材料之列印，因此現行家用或商用3D印表機通常採固定材質輸出，當成型物件需以多種材料或多色呈現時，不是以列印噴頭多噴嘴方式實現，就是以更換列印噴頭材料方式處理，前者因列印噴頭機構及材料輸出控制方式較為複雜，提 高3D印表機之售價，而後者需使用者頻繁地裝卸列印噴頭以更換材料，增加3D列印之時間成本。因此，當使用者欲利用現行的家用或商用3D印表機進行立體創作時，常常會發現多色或多材質之創作是不容易實現的。

另外，使用者在以電腦產生數位建模階段也會遇到設計上的困擾，當使用者不熟悉相關建模或繪圖的方法或技巧下，修改或新增模型樣版的過程都會造成使用者進入3D列印的技術障礙，前述情形對於使用者以3D列印方式進行自行創作及創作改良都是不小的困擾。

根據上述問題，本發明提出了一種手工立體成型方法及系統，透過控制設備、手工創作設備及投影設備加以實現。控制設備產生立體創作模型並將立體創作模型分層產生複數個分層影像；控制設備調整手工創作設備之升降檯高度，並同步控制投影設備投射對應當下升降檯高度之分層影像至升降檯，藉以引導使用者利用手工創作設備中之列印模組進行創作，手工立體成型系統會以逐步分層投影以及調整升降檯高度之方式引導使用者完成立體創作。

本發明所提出之手工立體成型方法及系統，讓使用者自身能確實參與立體成型過程，而非看著機器完成一個物件，因此能更加有成就感。

本發明所提出之手工立體成型方法及系統，能應用於一些非以機器完成之立體成型作業，從而降低手工成型之難度，例如在食品上所進行之奶油雕花。

根據以上目的，本發明提出了一種手工立體成型系統，包括：一投影設備，具有至少一個投影裝置；一立體成型設備，具有一升降檯、一控制模組、一列印模組及一工作平台，升降檯以一控制介面和控制模組電性連接，並位於工作平台中央之一開口，而列印模組具有複數個噴筆，用以填充不同顏色之材料；及一控制設備，以一投影傳輸界面與投影 設備通訊連接，並以一控制傳輸介面與立體成型設備之控制模組電性連接；其中，投影設備用以將一分層影像投影至升降檯；控制模組藉由控制設備發出之指令調整升降檯高度；噴筆可經由使用者控制，於開口範圍內進行任意之平面運動。

本發明也提出一種立體成型方法，包括：建立一立體模型；產生構成立體模型之複數個分層影像；投射分層影像中之其中之一至一升降檯；根據投射之分層影像，以手工方式形成一分層物件；判斷投射之分層影像是否為構成立體模型之分層影像中之最後一個，若是則結束投影，若否，則調整升降檯高度，並重複步驟三。

1‧‧‧手工立體成型系統

11‧‧‧投影設備

12‧‧‧立體成型設備

121‧‧‧升降檯

122‧‧‧控制模組

123‧‧‧列印模組

1231‧‧‧噴筆

1232‧‧‧開關

124‧‧‧工作平台

1241‧‧‧開口

1242‧‧‧手部支撐模組

125‧‧‧控制介面

13‧‧‧控制設備

131‧‧‧手工輔助應用程式

1311‧‧‧建模涵式

1312‧‧‧投影涵式

1313‧‧‧升降檯控制涵式

15‧‧‧投影傳輸界面

16‧‧‧控制傳輸界面

31‧‧‧投射光線

32‧‧‧分層影像

401~408‧‧‧步驟

第1圖 本發明一實施方式的手工立體成型系統方塊示意圖； 第2A圖 本發明一實施方式的立體成型設備俯視示意圖； 第2B圖 本發明一實施方式的立體成型設備側視示意圖； 第3A圖 本發明一實施方式的多點近距投影俯視示意圖； 第3B圖 本發明一實施方式的多點近距投影側視示意圖； 第4圖 本發明的手工立體成型方法流程示意圖。

本發明是有關於一種手工立體成型系統及方法，本發明主要提出一種3D列印方式，藉由投影設備投射至手工創作設備之分層投影，引導使用者逐步進行手工列印完成立體物件創作，至於系統與方法中所需使用之影像演算法、資料庫型態、通訊機制或機具結構，並非本發明揭露重點，因此不在此詳述。

請先參閱第1圖，第1圖是本發明一實施例之手工立體成型 系統1方塊圖。如第1圖所示，本發明之手工立體成型系統1包括投影設備11、立體成型設備12及控制設備13，投影設備11與控制設備13以投影傳輸界面15通訊連接，立體成型設備12與控制設備13以控制傳輸界面16電性連接，投影傳輸界面15及控制傳輸界面16可以是有線或無線之傳輸方式。

請同時參照第1圖、第2A圖及第2B圖所示，第2A圖是本發明一實施例之立體成型設備12俯視示意圖，第2B圖是本發明一實施例之立體成型設備12側視示意圖。立體成型設備12包含有升降檯121、控制模組122、列印模組123及工作平台124，其中控制模組122藉由控制介面125與升降檯121電性連接，並透過控制傳輸界面16與控制設備13電性連接，控制模組122藉由控制設備13經控制傳輸界面16傳來之指令調整升降檯121之高度，而控制模組122可由如先前技術所述之傳動元件及控制器所構成。列印模組123之功能及架構與習知3D印表機之列印噴頭相近，然而為了達成多色彩手工創作或多材料輸出之需求，列印模組123具有多個噴筆1231，可供使用者填充所需之多種不同顏色之材料。每一噴筆1231分別具有一開關1232以控制材料輸出，工作平台124中央具有開口1241用以容納升降檯121，開口1241另設有手部支撐模組1242，手部支撐模組1242是由雙軸滑軌連桿及設置於連桿上之支撐墊所構成，讓使用者手持噴筆1231時能支撐於支撐墊上，並可在開口1241範圍內進行任意之平面運動，以利於在升降檯121上列印材料並進行手工創作。

投影設備11可為一個投影裝置或由多個投影裝置所組成，在一個實施方式中，投影設備11設置於工作平台124上方，以便以從上到下之方式將影像投影至升降檯121處；在其他實施方式中，投影設備11是設置於工作平台124下方，採多點近距投影之方式，將影像投影至升降檯121處。投影設備11與工作平台124結合形成之多點近距投影實施俯視及側視示意方式如第3A圖及第3B圖所示，本實施例將四個投影裝置組成之投影設備11設置於工作平台124下方進行投影，投射光線31照射至升降檯121形成分層 影像32。

控制設備13包含輔助應用程式131，其中輔助應用程式131包含建模涵式1311、投影涵式1312及升降檯控制涵式1313。建模涵式1311包含數位建模功能及切層功能，使用者除了套用數位建模功能內建之立體模型樣版外，亦可自行下載平面(2D；two-dimensional)圖樣或立體(3D；three-dimensional)圖樣，利用數位建模功能轉換產生立體模型。切層功能如先前技術所述，將立體模型依據用戶之定義厚度或切層功能分析立體模型輪廓特徵所產生之建議厚度，作為厚度單位進行切層處理，產生複數個分層模型，並將此厚度單位設定為一單位厚度，作為後續升降檯控制涵式1313運作及升降升降檯121高度之間距單位，另外單位厚度也可以是分析立體模型輪廓前就先預先定義。

投影涵式1312與升降檯控制涵式1313偕同運作，升降檯控制涵式1313先經控制傳輸界面16傳輸升降檯121高度之初始化指令，藉由控制模組125之運作，將升降檯121高度調整為工作平台124之手部支撐模組1242底部高度減去一單位厚度，作為升降檯121之初始高度，其用意在於避免使用者利用手部支撐模組1242時，因手部支撐模組1242之平面運動而破壞創作物件。投影涵式1312經投影傳輸界面15，將複數個分層模型自底層數起的第一個模型底面投影至升降檯121，以形成物件第一層之分層影像32。之後以此方式循環，升降檯控制涵式1313以一次一單位厚度，將升降檯121高度逐步往下調整，維持升降檯121當下高度加上累積堆疊物件高度與工作平台124之手部支撐模組1242底部高度之間距為一單位厚度，而投影涵式1312即依據升降檯控制涵式1313之高度參數，投射對應之分層影像32至升降檯121。此外，控制設備13亦同步在其螢幕顯示當下分層影像於整體立體模型之所在位置，並預先顯示上一層之分層影像，讓使用者了解當前分層至上一層之輪廓變化，以利創作，其中控制設備13可為筆記型電腦(NB；NoteBook)或個人電腦(PC；Personal Computer)。

藉由上述可知，本發明手工立體成型系統1整合投影設備11、立體成型設備12及控制設備13，藉由分層投影功能及升降檯121之高度調整，逐步引導使用者完成立體創作。於過程中，使用者甚至可自行調整材料列印布局，達成與原先立體模型不同之改良效果。例如在沙雕或食品藝術創作，使用者無須修改樣板即可達成與原先立體模型樣板部分不同之手工創作，此點是現行3D印表機所無法達成之自由創作效果。

有關手工立體成型方法請參閱第4圖，第4圖為本發明一實施方式之手工立體成型流程示意圖，此概念包含前述手工立體成型系統1之操作方式，可一併參閱第1~3圖及其相關元件。手工立體成型輔助方法包括以下步驟：

步驟401：於控制設備13生成立體模型。控制設備13內包含輔助應用程式131，輔助應用程式131包含建模涵式1311，建模涵式1311具有數位建模功能，使用者除了套用或修改內建之立體模型樣版外，亦可自行下載2D或3D圖樣利用數位建模功能轉換產生立體模型。

步驟402：於控制設備13產生立體模型之複數個分層影像。輔助應用程式131包含建模涵式1311，建模涵式除了具有數位建模功能外，亦具有切層功能，能將步驟401建立之立體模型依據用戶之定義厚度或切層功能分析立體模型輪廓特徵所產生之建議厚度，作為厚度單位進行切層處理，產生複數個分層影像，並將此厚度單位設定為一單位厚度，作為後續升降檯控制涵式1313運作及升降升降檯121高度之間距單位，此外單位厚度也可以是在分析立體模型輪廓前就先預先定義。

步驟403：控制設備13初始化升降檯121高度。控制設備13內包含輔助應用程式131，輔助應用程式131包含升降檯控制涵式1313。升降檯控制涵式1313經控制傳輸界面16傳輸升降檯121高度之初始化指令，藉由控制模組125之運作，將升降檯121高度調整至離工作平台124之手部支撐模組1242底部有一單位厚度之間距，作為升降檯121之初始高度，其用意在 於避免使用者利用手部支撐模組1242時，因手部支撐模組1242之平面運動而破壞創作物件。

步驟404：控制設備13控制投影設備11，投射第一層分層影像32至升降檯12。控制設備13內包含輔助應用程式131，輔助應用程式131包含投影涵式1312。投影涵式1312經投影傳輸界面15，將複數個分層模型自底層數起之第一個模型底面投影至升降檯121，形成物件第一層之分層影像32。

步驟405：根據投射到升降檯12之分層影像32以形成分層物件。使用者使用列印模組123中之噴筆1231，根據投射到升降檯12之分層影像32，以手工繪製之方式形成立體分層物件；且使用者除了可以透過開關1232來控制材料量，也可以選擇不同噴筆1231來塗佈不同顏色之材料。

步驟406：控制設備13調整升降檯121高度，並投射下一個分層影像32到升降檯12。升降檯控制涵式1313調整升降檯121高度時，每次皆調整一單位厚度之高度，以維持升降檯121加上累積堆疊物件之高度，與工作平台124之手部支撐模組1242底部高度之間距為一單位厚度，而投影涵式1312即依據升降檯控制涵式1313之高度參數，投射對應之分層影像32至升降檯12。

步驟407：根據投射到升降檯12之分層影像32，形成分層物件；形成過程同樣是使用手工方式操作噴筆1231，新形成之分層物件會和既存之分層物件結合。

步驟408：控制設備13判斷所投影之分層影像32是否為構成立體模型之最後一個分層影像32，若是，則發出訊號示意投影結束，若否則重複步驟406。

此外，控制設備13亦同步在其螢幕顯示當下分層影像32於整體立體模型之所在位置，並預先顯示上一層之分層影像32，讓使用者了解當前分層至上一層之輪廓變化，方便使用者進行手工創作。

本發明之手工立體成型方法及系統讓使用者能親身參與立體物件之形成，而非觀看機器來形成一個物件，讓使用者更有參與感。

本發明之手工立體成型方法及系統可應用於一些非以機器來形成立體物件之流程，例如食品製作之奶油雕花，以往這樣的製作需要經驗和技巧才能完成，本發明能降低這種製作過程之完成門檻。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧手工立體成型系統

11‧‧‧投影設備

12‧‧‧立體成型設備

121‧‧‧升降檯

122‧‧‧控制模組

123‧‧‧列印模組

124‧‧‧工作平台

125‧‧‧控制介面

13‧‧‧控制設備

131‧‧‧手工輔助應用程式

1311‧‧‧建模涵式

1312‧‧‧投影涵式

1313‧‧‧升降檯控制涵式

15‧‧‧投影傳輸界面

16‧‧‧控制傳輸界面

Claims (11)

1. 一種手工立體成型系統，包括：一立體成型設備，具有一升降檯、一控制模組、一列印模組及一工作平台，其中該升降檯位於該工作平台中央之一開口，與該控制模組電性連接，該列印模組設置在該工作平台上且可於該開口之範圍內進行任意之平面運動；一投影設備，具有至少一個投影裝置，用以將一分層影像投影至該升降檯；以及一控制設備，電性連接該投影設備和該立體成型設備，其中該控制模組係接收該控制設備發出之一指令，用以調整該升降檯之高度。
2. 根據專利申請範圍第1項所述之手工立體成型系統，其中該列印模組更包括：複數個噴筆，用以填充不同顏色之一材料。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之手工立體成型系統，其中每一該些噴筆更包括：一開關，用以控制該材料輸出。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之手工立體成型系統，更包括：一手部支撐模組，設置於該工作平台之該開口。
5. 根據申請專利範圍第1至4中任一項所述之手工立體成型系統，其中該投影設備設置於該工作平台上方，藉由從上到下之方式將該分層影像投影至該升降檯。
6. 根據申請專利範圍第1至4中任一項所述之手工立體成型系統，其中該投影設備設置於該工作平台下方，藉由多點近距投影之方式將該分層影像投影至該升降檯。
7. 一種手工立體成型方法，包括下列步驟：(a).建構一立體模型；(b).產生構成該立體模型之複數個分層影像； (c).投射該些分層影像中之其中之一至一升降檯；(d).根據投射之該分層影像，以手工方式形成一分層物件；(e).判斷投射之該分層影像是否為構成該立體模型之該些分層影像中之最後一個，若是則結束投影，若否，則調整該升降檯之高度，並重複步驟(c)~(e)。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之手工立體成型方法，其中每一該些分層影像具有一單位厚度，該單位厚度可以是預先定義，或經由一切層功能分析該立體模型而產生。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之手工立體成型方法，其中該升降檯每次調整之高度都是該單位厚度。
10. 根據申請專利範圍第7項所述之手工立體成型方法，其中於步驟(c)前，更包括下列步驟：將該升降檯之高度初始化。
11. 根據申請專利範圍第7項所述之手工立體成型方法，其中該立體模型可以是2D圖樣或3D圖樣其中之一。