TWI566919B - 一種可檢測列印精確度的三維列印機及其列印精確度的 檢測方法 - Google Patents

Description

一種可檢測列印精確度的三維列印機及其列印精確度的 檢測方法

本發明係一種三維列印技術，特別是關於一種可檢測列印精確度的三維列印機及其列印精確度的檢測方法。

三維列印(3D Printing)是一種快速成形技術。藉由將設計者繪製的三維模型文件的數據輸入三維列印機中，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，將材料以平面列印方式，逐層堆叠列印以形成最終成品。三維列印的這種實現方法在工業上被稱為積層製造(Additive Manufacturing)，是一種藉由三維STL模型數據，採用增加材料與逐層製造的方式，直接製造與數學模型完全一致的三維實體模型的製造方法，其特點在於能製造出任何形狀的物品，與傳統的去除材料加工方法截然相反。

近年來三維列印技術快速發展，同時也越來越受到重視，各個廠商因應不同需求開發出各種三維列印技術。其中，三維列印的實體品質可以從多個標準評定，但其中對模型的精確度即實體與模型之間的形狀匹配度是最重要的指標。

然而，目前的三維列印機在列印過程中缺乏必要的即時檢測精確度的裝置和方法，一般只能借助被動方式，如現場人工檢查或遠程拍攝圖 片查看等，容易導致如下問題：1．無法即時主動檢測出問題並即時警示與處理，造成列印失敗與列印時間及材料的浪費；2．缺少匹配度的量化結果，無法客觀判斷模型形狀的精確度，只能借助人工的主觀判斷。

為了解決上述問題，本發明提供一種可檢測列印精確度的三維列印機，包括：三維模型轉換單元，用於將三維模型每一層的列印軌跡依次轉換為資料，同時按層進行資料的傳送與模擬切片，獲得三維模型每一層的預定列印軌跡；列印軌跡定位單元，用於即時擷取三維列印機噴頭的位置資訊；列印軌跡繪製單元，連接列印軌跡定位單元，用於根據三維列印機噴頭的位置資訊繪製每一層的實際列印軌跡；以及比對單元，用於比較預定列印軌跡與實際列印軌跡，得出匹配結果，以檢測列印的精確度。

在本發明之一實施例中，三維列印機還包括警示單元，當匹配結果超過預設值時，三維列印機即由警示單元發出警示。

在本發明之一實施例中，列印軌跡定位單元包括測距裝置，藉由測距裝置即時擷取三維列印機噴頭的位置資訊。

在本發明之一實施例中，三維列印機還包括一噴射速率擷取單元，用於即時擷取三維列印機的噴頭噴射速率，列印軌跡繪製單元藉由三維列印機噴頭的位置資訊和噴頭噴射速率，繪製實際列印軌跡。

在本發明之一實施例中，三維列印機還包括一噴射速率檢測單元，用於即時比較預設噴頭噴射速率與上述的噴頭噴射速率，以檢測噴頭噴射速率是否在正常範圍內。

在本發明之一實施例中，上述的噴頭噴射速率以每一層的料高來衡量，假設預定料高度為H，設定可以接受的料高超出範圍為X，當實際列 印時噴頭擠料形成的高度超出正負X時，對於超出的部分，下一層列印時將調整噴頭射出的材料供給，以平衡實際列印的高度偏差。

在本發明之一實施例中，比對單元藉由分析線條吻合度得出匹配結果。

在本發明之一實施例中，比對單元藉由分析面積匹配度得出匹配結果。

本發明還提供一種可檢測列印精確度的三維列印機的列印精確度檢測方法，包括：將三維模型每一層的列印軌跡依次轉換為資料，同時按層進行資料的傳送與模擬切片，獲得三維模型每一層的預定列印軌跡；即時擷取三維列印機噴頭的位置資訊；比較預定列印軌跡與實際列印軌跡，得出匹配結果，以檢測列印的精確度。

在本發明之一實施例中，上述方法還包括：即時擷取三維列印機的噴頭噴射速率，藉由三維列印機噴頭的位置資訊和噴頭噴射速率繪製實際列印軌跡。

本發明的可檢測列印精確度的三維列印機包括三維列印機以及三維模型轉換單元、列印軌跡定位單元、列印軌跡繪製單元和比對單元，藉由即時擷取三維列印機噴頭的位置資訊繪製實際列印軌跡，並與預定列印軌跡進行比對，實現列印精確度的檢測。本發明的可檢測列印精確度的三維列印機的精確度檢測方法，實現了三維列印的精確度檢測，具備判定可檢測列印精確度的三維列印機精度的能力，也可以提醒操作人員需要對三維列印機進行精度維護。

1‧‧‧測距裝置

2‧‧‧列印物體

3‧‧‧列印平台

4‧‧‧列印噴頭

10‧‧‧噴射速率擷取單元

20‧‧‧噴射速率檢測單元

100‧‧‧三維模型轉換單元

200‧‧‧列印軌跡定位單元

300‧‧‧列印軌跡繪製單元

400‧‧‧比對單元

500‧‧‧警示單元

11‧‧‧步驟

21‧‧‧步驟

31‧‧‧步驟

A‧‧‧列印點

B‧‧‧列印點

C‧‧‧列印點

D‧‧‧列印點

M‧‧‧參考點

P‧‧‧參考點

Q‧‧‧參考點

R‧‧‧參考點

d1‧‧‧距離

d2‧‧‧距離

d3‧‧‧距離

Ki‧‧‧匹配度

圖1為本發明實施例提供的可檢測列印精確度的三維列印機的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的可檢測列印精確度的三維列印機以及其列印軌跡定位單元的結構示意圖；圖3為本發明實施例提供的可檢測列印精確度的三維列印機中列印軌跡定位單元計算噴頭位置的原理圖；圖4為本發明實施例提供的預定列印軌跡與實際列印軌跡的比對圖；圖5為本發明實施例提供的預定列印軌跡面積與實際列印軌跡面積比對圖；以及圖6為本發明實施例提供的可檢測列印精確度的三維列印機的列印精確度檢測方法的流程圖。

以下結合圖式和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，其中各部件的機製加工等技術，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之示意，並未亦不需要依據實際情形完整繪製，合先敘明。

本發明所述可檢測列印精確度的三維列印機如圖1所示，可檢測列印精確度的三維列印機包括互相連接的：三維模型轉換單元100、列印軌跡定位單元200、列印軌跡繪製單元300以及比對單元400。同時，為了應對異常情况，增加警示單元500，當匹配結果超過一預設值時，三維列印機即由警示單元500發出警示。

對需列印的三維模型，首先藉由三維模型轉換單元100獲得模型每一層的列印軌跡並依次轉換為資料，同時按層進行資料的傳送與模擬切 片，獲得三維模型每一層的預定列印軌跡，三維列印機接收到列印資料後開始啟動XYZ馬達，控制噴頭進行列印。此時，列印軌跡定位單元200即時擷取噴頭列印的路徑位置信號傳給列印軌跡繪製單元300，以繪製出實際噴頭列印軌跡；比對單元400比較預定列印軌跡與實際列印軌跡，分析出匹配結果，以檢測列印的精確度；如匹配結果超出預設的極致範圍，則說明列印出問題，需警示後停止列印；如一切列印正常且完成列印，則藉由每一層的數據給出比對結果。

三維模型轉換單元100主要完成三維模型到資料的轉換，同時需要按層來進行資料的傳送與模擬切片，獲得模型的理想列印軌跡，並有效去除內外支撑數據，以利理想列印軌跡與實際列印軌跡作比對。優選的，以一件三維模型為例，將模型切片為M層，每一層對應特定的資料，包括系列列印控制指令，結合各分層數據特徵規劃合理的列印路徑，這些由通用的方式確定即可。所述三維模型轉換單元100根據列印精度需求而控制分層層數，即根據列印精度，對模型可以進行量化分層層數，以精確列印數據。

列印軌跡定位單元200是對實際列印物體本身的噴頭列印路徑進行信號擷取工作，需要擷取噴頭的即時位置資訊。為使三維列印機具備這項功能，具體的路徑擷取方法，本發明不作限制。

優選地，如圖2所示的三維列印機，在三維列印機的列印平台3上設置了測距裝置1，用以即時擷取列印噴頭4在列印物體2時的位置資訊。此方法是基於測距的定位技術，即測量目標與多點之間的距離，或測量目標與多點之間的角度或方向，利用邊或三角關係或最大似然估計法來定位。三邊測量法(Trilateration)是計算座標的基本途徑，其主要原理是：未知的列印噴頭4，其以點M表示，點M到參考點P的距離為d1，那麽M可能出現在以P為圓心，d1為半徑的圓上；若再知道M到另一參考點Q的距離為d2， 那麽M可能出現在以Q為圓心，d2為半徑的圓上，M可能出現在兩圓相交的任意一個交點上；此時若再知道M到第三個參考點R的距離為d3，在測距精確的前提下，以R為圓心，d3為半徑的圓，此圓一定與上述兩個圓交於一點，即可確定M的座標。

如圖3所示，參考點P、Q、R的座標分別為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，到列印噴頭4(點M)的距離分別為d1，d2，d3，假設點M的座標為(x，y)，用公式表示為：

求解點M的座標(x，y)為：

優選地，藉由列印檢測裝置量測X，Y，Z三個方向步進馬達的旋轉角度後，用以計算擷取噴頭位置資訊。另外，在本實施例中，還包括噴射速率擷取單元10，即對噴頭噴射的計量感應裝置，以擷取即時的噴頭噴射速率數據。列印軌跡繪製單元300藉由三維列印機噴頭的位置資訊和噴頭噴射速率繪製實際列印軌跡，可得到噴頭軌跡任意位置的列印輪廓曲線。

本發明的可檢測列印精確度的三維列印機還包括噴射速率檢測單元20，用於即時比較預設噴頭噴射速率與上述的噴頭噴射速率，以檢測噴頭噴射速率是否在正常範圍內，目的在於對列印品質進行監控。優選方案中，藉由對噴頭擠料量監控或者藉由噴頭距離感應裝置來即時擷取噴頭每一個位置擠出的料是否達到預定目標。假設預定料高度為H，設定可以接受的料高超出範圍為X，當實際列印時噴頭擠料形成的高度超出正負X時，即超出的部分，下一層列印時將調整噴頭射出的材料供給，以平衡實際列印的高度偏差。

列印軌跡繪製單元300對收集到的軌跡進行繪製，以與模型同層的預定列印軌跡進行即時比對。所謂繪製實際是將噴頭列印模型實體時按次序記錄列印座標，並結合三維列印機噴頭直徑資訊和三維列印機噴頭距離感應裝置繪製出立體軌跡，軌跡寬度使用噴頭寬度，高度根據噴頭距離數據計算獲得。

比對單元400將同層的預定列印軌跡與即時的實際噴頭列印軌跡進行比對，以確定偏差程度。偏差程度的比較計算可以由多種方式，如線條吻合度，以吻合的比例來計量匹配度。也可以以採用面積匹配算法，如圖4所示，虛線是預定的模擬列印軌跡，實線部分是實際列印軌跡。圖4中，列印起點從A點到B點之間雖有部分偏移，但整體還在可接受範圍內；B點之後可能因步進馬達等原因導致軌跡發生錯位，目標點應該在D結果實際列印在C，可以設定允許偏差的誤差範圍，超出時警示單元500將發出警示並停止列印。對於立面的偏差可以借助縱向切分為細小的段，再以投影方式來比較吻合度。

如圖5所示，對於正體的匹配度計算如下：記錄的切片層為i，預定模擬列印軌跡面積為Mi，記錄實際列印軌跡覆蓋在模擬軌跡面積上的區域面積為Ni，匹配度(精確度)Ki=(Ni/Mi)*100%，整個模型的匹配度即取所有切片層的平均值即可。

如圖6所示，本發明還提供一種可檢測列印精確度的三維列印機的列印精確度檢測方法，包括：步驟11，將三維模型每一層的列印軌跡依次轉換為資料，同時按層進行資料的傳送與模擬切片，獲得三維模型每一層的預定列印軌跡；步驟21，即時擷取三維列印機噴頭的位置資訊；步驟31，比較預定列印軌跡與實際列印軌跡，得出匹配結果，以檢測列印的精確度。

優選的，在上述過程中，除了即時擷取噴頭的位置資訊以外，還即時擷取噴頭的噴射速率，藉由噴頭的位置資訊和噴頭噴射速率繪製實際列印軌跡，使獲得的實際列印軌跡更為準確。

本發明借助獲得實際列印物體的位置資訊來構建輪廓，並與模型資訊進行比對，以即時監控列印精確度，有以下優點：1.一旦發現嚴重精確度問題時，可以提出警示並自動停止列印，節省列印耗材及時間；2.計算所有層的精確度(形狀匹配度)，給出模型精確度量化指針；3.當列印多個模型的精確度皆有較大偏差時，即可以提醒需要對三維列印機進行精度維護，具備判定三維列印機精度的能力。

以上舉較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

10‧‧‧噴射速率擷取單元

20‧‧‧噴射速率檢測單元

100‧‧‧三維模型轉換單元

200‧‧‧列印軌跡定位單元

300‧‧‧列印軌跡繪製單元

400‧‧‧比對單元

500‧‧‧警示單元

Claims (10)

1. 一種可檢測列印精確度的三維列印機，包括：一三維模型轉換單元，用於將一三維模型每一層的列印軌跡依次轉換為一資料，同時按層進行該資料的模擬切片，獲得該三維模型每一層的一預定列印軌跡，藉此一三維列印機接收到該資料後啟動一XYZ馬達以控制一三維列印噴頭進行列印；一列印軌跡定位單元，其與該三維轉換單元相互連接，且用於即時擷取該三維列印機噴頭的一路徑位置信號；一列印軌跡繪製單元，其一端與該三維轉換單元相互連接，另一端則與該列印軌跡定位單元相互連接，且用於接收由該列印軌跡定位單元所傳送的該三維列印機中該三維列印噴頭之該路徑位置信號來繪製該三維模型每一層的一實際列印軌跡；以及一比對單元，其一端與該三維轉換單元相互連接，另一端則與該列印軌跡繪製單元相互連接，且用於比較該預定列印軌跡與該實際列印軌跡，後得出一匹配結果，用以檢測列印的精確度。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該三維列印機還包括一警示單元，當該匹配結果超過一預設值時，即由該警示單元發出警示。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該列印軌跡定位單元包括一測距裝置，藉由該測距裝置即時擷取該三維列印機噴頭的位置資訊。
4. 根據申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該三維列印機還包括一噴射速率擷取單元，用於即時擷取該三維列印機的一噴頭噴射速率。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該三維列印機還包括一噴射速率檢測單元，用於即時比較一預設噴頭噴射速率與該噴頭噴射速率，以檢測該噴頭噴射速率是否在正常範圍內。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該噴頭噴射速率以每一個位置的料高來衡量，假設一預定料高的高度為H，設定可以接受的料高超出範圍為X，當實際列印時噴頭擠料形成的高度超出正負X時，對於超出的部分，下一層列印時將調整該噴頭射出的材料供給，以平衡實際列印的高度偏差。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該比對單元藉由一分析線條吻合度得出匹配結果。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之可檢測列印精確度的三維列印機，其中該比對單元藉由一分析面積匹配度得出匹配結果。
9. 一種三維列印機的列印精確度檢測方法，包括：將一三維模型每一層的列印軌跡依次轉換為一資料，同時按層進行該資料模擬切片，獲得該三維模型每一層的一預定列印軌跡；即時擷取一三維列印機噴頭的位置資訊；以及比較該預定列印軌跡與一實際列印軌跡，得出匹配結果，以檢測列印的精確度。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之三維列印機的列印精確度檢測方法，其中該方法還包括：於擷取該三維列印機噴頭的位置資訊後，進一步即時擷取三維列印機的一噴頭噴射速率，藉由該三維列印機噴頭的位置資訊和該噴頭噴射速率繪製該實際列印軌跡。