CN103273745A - 集成有三维扫描装置的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成有三维扫描装置的3D打印机，包括3D打印机本体，所述3D打印机本体包括3D打印机机械组件、打印控制组件、设备电路和打印头，其特征在于：在所述3D打印机本体上，还集成有三维扫描装置；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3D打印机与三维扫描装置通过有线、无线方式进行连接，届时可采用USB3.0接口高速传输。本发明通过将三维扫描装置和3D打印机一体化，体积更小、成本更低，也让用户更方便地将实物转换成可用于3D打印的三维数据资料，并存储、打印，提高了3D打印机的实用性、易用性，还能进行分辨率调节，将推动3D打印机的普及。

Description

集成有三维扫描装置的3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机领域，具体涉及一种具有三维扫描功能的3D打印机。

背景技术

3D是英文“Three Dimensions”的简称，中文是指三维，即长、宽、高，是一种基于电脑、互联网的数字化立体技术。应用了3D技术的3D打印机属于一种快速成型技术，由CAD数据通过激光束、热熔喷嘴等成型设备，将金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末或细胞组织等特殊材料将物体截面进行逐层堆积、黏结，最终叠加成型，打印输出、制造出实物及模型。

由于3D打印机的打印成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就能快速、直接、精确地将计算机中的三维CAD设计图纸转化为模型，甚至直接制造零件或模具，比如运用3D打印技术进行数码产品的开模，能在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间，从而能有效缩短产品的设计、研发周期，提高了效率，降低了生产成本。

3D打印机由于能打印制造出任何形状的物品，近年来得到了快速发展，现已在模具制造、工业样品设计领域制作模型，定制个性产品、礼物，打印制造单件、小批量金属零件，以及在机械制造、航空航天、影视道具、动漫玩偶、文物复制、数字雕像、珠宝首饰、建筑等领域都得到了应用。科学家们还开始利用3D打印机制造诸如假牙、髋关节、骨骼、义肢、胚胎干细胞、皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织，未来还将制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样复杂的大型人体器官。随着这一技术的不断成熟和完善，其应用领域将不断拓展。

但传统的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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对目前普通用户在使用3D打印机时遇到的设计方面的困扰，提供了一种能便捷获取三维打印素材、集成了三维扫描装置的3D打印机，通过将3D打印机与三维扫描装置配合使用，能方便的通过三维扫描装置将所需打印的实物快速扫描，再打印成型、制作出三维立体实物，改变了目前3D打印机需要自行设计、给用户带来的不便。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来加以实现。

一种集成有三维扫描装置的3D打印机，包括3D打印机本体，所述3D打印机本体包括3D打印机机械组件、打印控制组件、设备电路、打印头、耗材和介质，其特征在于：在所述3D打印机本体上，还集成有三维扫描装置，从而能为用户提供更便捷的3D打印服务。上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，所述图像采集装置为照相机或摄像头；优选地，所述图像采集装置设有闪光灯。所述打印控制组件控制打印头，所述扫描控制单元控制图像采集模块、光束发射模块。所述扫描装置机体中有一可旋转的扫描平台，届时，被扫描物体放置在该扫描平台上。

上述三维扫描技术，又称“实景复制技术”，是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，能将任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作，并直接将实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型。

本发明所述的三维扫描装置，通常指三维扫描仪，能对不同外形轮廓的工业部件、家居用品等实物，包括冲压件、加工件、模具、成型件、铸件、注塑件以及餐具、杯子等物品的几何构造与外观数据，快速扫描、采集物体三维结构的一系列坐标数据，并将其转换为三维数据。搜集到的三维图像数据资料常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中建立实际物体的数位模型，形成三维立体图像，输入3DMAX中即可完整的还原出物体的3D模型。届时，3D打印机再将上述数据通过机械加工程序，加工成型。

如今，这些3D模型具有相当广泛的用途，在工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学资讯、生物资讯、刑事鉴定、数位文物典藏、电影制片、游戏创作素材等领域都有应用。

本发明所述的三维扫描仪采用光学扫描机将实物、模型转换为三维图像数字信息，其扫描过程如下：扫描仪能扫描任何放在它扫描平台上的物体，光束发射模块如：激光穿过该物体表面，能在你的计算机上将表面转换成点云。越密集的点云，就越能创建更精确的模型，这个过程称作三维重建。这个点云在3D空间将点分布开来，就像制作者制作物体的边缘一样，然后创建一个图形导出3D图像。

由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描仪与作为原始素材的物体的相对位置或将物体放置于电动扫描平台上，进而转动物体，通过扫描装置中内置的、能全方位扫描的三维摄像头，从各个方位不同角度扫描物体，方便地快速地扫描出完整的零件点云，提高工作效率，经过多次的连续扫描，可得到多层三维图像数据并自动存储，然后利用软件制作出完整的三维重建模型。

进一步的，上述三维扫描仪可采用组合扫描的方式进一步提高扫描效率，即分别用幅面大小不同的扫描仪对同一个物体进行扫描。针对大件物体可先用大幅的扫描仪扫，然后针对细节部位用精度更高的小幅面扫描仪扫，然后图像处理模块把扫描的数据组合在一起，达到精简有致的效果，既保证全局精度，又突出局部细节。

本发明所述的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，其中非接触式三维扫描装置，又可分为主动扫描与被动扫描，该三维扫描装置一般设置在3D打印机的上侧部位。

上述接触式三维扫描仪通过实际触碰物体表面的方式计算深度，如坐标测量机即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确，常被用于工程制造产业，然而因其在扫描过程中必须接触物体，待测物有遭到探针破坏损毁之可能，因此不适用于高价值对象如古文物、遗迹等的重建作业。

上述非接触主动扫描方式，是指将额外的能量投射至物体，借由能量的反射来计算三维空间资讯。就是向物体投射特定的光，其中代表技术为激光线式的扫描，其精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成一定的伤害，所以不能应用于某些特定领域。常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超音波与X射线。非接触主动式扫描包括：时差测距、三角测距、手持雷射、结构光源和调变光等。

另外，新兴的主动扫描方式，如结构光式的扫描，通过投影或者光栅投射同时多条光线，就可以采取物体的一个表面，只需要几个面的信息就能完成扫描，其最大特点是扫描速度快，而且可编程实现。

上述非接触被动扫描方式，如被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线，如雷射，而是以测量由待测物表面反射周遭辐射线的方法，达到预期的效果。由于环境中的可见光辐射，是相当容易取得并利用的，大部分这类型的扫描仪以侦测环境的可见光为主。但相对于可见光的其他辐射线，如红外线，也是能被应用于这项用途的。因为大部分情况下，被动扫描方式并不需要规格太特殊的硬件支持，不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求，这类被动式扫描的物品往往相当便宜。非接触被动扫描方式包括：立体视觉法、色度成形法、立体光学法、和轮廓法等。

上述三维扫描仪又分为机械式和激光式，机械式是依靠一个机械臂触摸物体的表面，以获得物体的三维数据，而激光式则以激光代替机械臂来完成这一工作。由于三维图像数据比常见的二维图像数据庞大得多，因此扫描速度会比普通纸张扫描仪慢，视物体大小和精度高低，扫描时间从几分钟到几十个小时不等。

综上所述，采用光学技术的三维扫描仪不易处理闪亮，即高反照率、镜面或半透明的表面，而采用激光技术的三维扫描仪不适用于脆弱或易变质的表面。

本发明所述的3D打印机与所述三维扫描装置的连接方式为有线连接方式或无线连接方式，从而能满足不同的设备需要。所述有线连接方式为串行口、并行口、USB接口或网络接口，使其既可采用数据线进行传输，也能通过网络连线进行传输及打印。上述USB接口标准为USB2.0接口或USB3.0接口，其中，采用USB3.0接口后，传输速度更快，从而能满足用户不同传输设备、不同使用领域的要求，实现快速传输的目的。

一种集成有三维扫描装置的3D打印机，其3D打印机的打印控制组件与三维扫描装置的扫描控制单元相连，用户能随时通过打印控制组件将扫描的三维图像数据进行打印。

优选地，所述3D打印机中设置有与打印控制组件连接的存储装置，以随时保存三维图像扫描资料和三维CAD设计图纸等数据资料，以便日后所用，或拷贝到其他3D打印机中使用。

本发明所述的3D打印机具有分辨率调节功能，能根据不同的精度使用要求设置不同的分辨率，如在不需要高分辨率的情况下，可采用低分辨率进行扫描、打印，既能节省时间，也能节省原材料。

与现有技术相比，本发明有如下的进步。

一种集成有三维扫描装置的3D打印机，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。

由于本发明中的新型3D打印机共用了三维扫描结构和3D打印机构，实现了一机多用，并减小了体积、降低了成本、节省了空间，能做到随时随意扫描、存储、打印，提高了工作效率，节省了人力，较传统样品、模型制作过程相比，能快速成型、周期更短，并具有不同分辨率的调节功能，从而快速满足用户个性化设计制作的需要，将会推动3D打印技术得到更广泛的应用。

附图说明

通过下面结合附图，进行的详细描述，将更加充分地理解并认识本发明。

图1为本发明中一种集成有三维扫描装置的3D打印机的主结构框图。

图2为本发明中一种集成有三维扫描装置的3D打印机的整体结构框图。

图3是本发明中一种设置有存储装置的3D打印机的结构框图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术特征与内容，下面结合附图进行详细说明。

如图1、图2所示，一种集成有三维扫描装置的3D打印机，包括3D打印机本体和一组三维扫描装置，所述3D打印机本体包括3D打印机机械组件、打印控制组件、设备电路和打印头，所述三维扫描装置，即三维扫描仪，包括扫描装置机体、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3D打印机与所述三维扫描装置连接，所述打印控制组件控制打印头，所述扫描控制单元控制图像采集模块、光束发射模块。所述扫描装置机体中有一可旋转的扫描平台（图中未示出），届时，被扫描物体放置在该扫描平台上。

本实施例中，用户采用三维扫描仪扫描实物或模型，形成三维立体图像数据，扫描完成后输出数据至3D打印机，打印成型，从而更加便捷高效。其过程如下：所述三维扫描仪中的图像采集装置为高清照相机或摄像头，所述光束发射模块为射灯，让射灯发出的红色直线从上至下掠过被扫描物体的表面，三维扫描仪将捕获的“扫描线”合成转变为三维图像数据资料，这样用户就可以在任何3D打印机上打印了。

本实施例中的一种集成有三维扫描装置的3D打印机，通过在3D打印的基本功能上增加了三维扫描功能，从而方便用户进行扫描和打印，实现了一机多用，使用方便快捷，设计合理、结构简单。

图3是本发明中一种设置有存储装置的3D打印机的结构框图。

本实施例中，在上述3D打印机的基础上，另增加一存储装置，以便对三维扫描装置扫描的三维图像数据资料进行自动数据存储，以便日后所用，或拷贝到其他3D打印机中使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明一种集成有三维扫描装置的3D打印机的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种集成有三维扫描装置的3D打印机，包括3D打印机本体，所述3D打印机本体包括3D打印机机械组件、打印控制组件、设备电路、打印头、耗材和介质，其特征在于：在所述3D打印机本体上，还集成有三维扫描装置。

2.根据权利要求1所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：所述图像采集装置为照相机或摄像头。

4.根据权利要求1所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：所述3D打印机与所述三维扫描装置的连接方式为有线连接方式或无线连接方式。

6.根据权利要求5所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：所述有线连接方式为串行口、并行口、USB接口或网络接口。

7.根据权利要求6所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：所述USB接口标准为USB2.0接口或USB3.0接口。

8.根据权利要求1所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：所述3D打印机的打印控制组件与三维扫描装置的扫描控制单元相连。

9.根据权利要求1所述的集成有三维扫描装置的3D打印机，其特征在于：所述3D打印机中设置有与打印控制组件连接的存储装置。

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