CN115256950A - 一种三维复印装置及其工作方法 - Google Patents

一种三维复印装置及其工作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115256950A
CN115256950A CN202211181129.8A CN202211181129A CN115256950A CN 115256950 A CN115256950 A CN 115256950A CN 202211181129 A CN202211181129 A CN 202211181129A CN 115256950 A CN115256950 A CN 115256950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
printing
camera
plane
model
scanning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211181129.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115256950B (zh
Inventor
杨涛
杨彪
杜晓龙
王剑龙
刘志平
刘超
王芳
张妮妮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Zhixiang Photoelectric Technology Co ltd
Xi'an Chishine Optoelectronics Technology Co ltd
Original Assignee
Zhejiang Zhixiang Photoelectric Technology Co ltd
Xi'an Chishine Optoelectronics Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Zhixiang Photoelectric Technology Co ltd, Xi'an Chishine Optoelectronics Technology Co ltd filed Critical Zhejiang Zhixiang Photoelectric Technology Co ltd
Priority to CN202211181129.8A priority Critical patent/CN115256950B/zh
Publication of CN115256950A publication Critical patent/CN115256950A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115256950B publication Critical patent/CN115256950B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/245—Platforms or substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

一种三维复印装置及其工作方法，装置至少包括一个3D打印组件、一个3D相机、一个转台和一套计算机***；所述转台用于承载被扫描物体和打印实物；转台的载物平面和3D打印组件的基准平面相平齐；3D相机固定在能够照射到转台工作区域的位置；计算机***用于完成扫描数据的处理；工作方法为：使用3D相机对被扫描物体进行扫描，得到完整的3D扫描模型；使用3D相机对打印的基准平面进行测量，反馈调平；使用3D打印组件对扫描模型3D打印；使用3D相机在打印的过程进行在线监测；对打印完成的模型进行检测、反馈；本发明通过将3D打印技术和3D成像技术进行整合，在同一高度集成的***中，实现了3D扫描、3D打印、以及3D检测功能，提高了效率并降低了成本。

Description

一种三维复印装置及其工作方法
技术领域
本发明属于增材制造和三维测量技术领域，特别涉及一种三维复印装置及其工作方法，使用3D相机配合3D打印装置，在同一***中实现物体的三维扫描、三维打印以及三维检测。
背景技术
3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。不同的3D打印技术主要区别在于层叠方法和使用的材料。有些工艺通过熔化或软化材料分层，例如激光选区熔化技术（SLM）或直接金属激光烧结术（DMLS）、选择性激光烧结术（SLS）、熔融沉积成型（FDM）或熔丝制造（FFF）。还有些工艺运用不同技术加工液体原料，例如立体光刻技术（SLA）。在分层实体制造技术（LOM）下，原材料（纸张，聚合物，金属等）被切分成层以供重组。3D打印数字模型的来源一般有两种，一种是使用CAD软件进行设计得到，另一种则是通过3D扫描技术得到。
3D扫描技术分为接触式和非接触式，接触式通常使用多轴坐标测量机进行逐点扫描，从而得到完整的3D数据，虽然精度高，但是效率很低。非接触3D扫描技术中，以光学方法为主。对于中远距离的大物体扫描通常使用激光雷达扫描或者摄影测量进行实现。对于微观物体的三维扫描则通常使用激光干涉、白光干涉等技术进行。对于生活中常见尺度的物体，主要使用飞行时间法和结构光技术进行扫描。由于精度的优势，大规模商用的3D扫描仪大多都采用了结构光技术，常见的是使用单个或者多线激光进行扫描，或者使用面结构光扫描技术。
在过去3D打印技术和3D扫描技术都独立的发展演化，成功的发展出了多种成熟的3D打印机和3D扫描仪，但这种分立式的设备，互相之间不能互联互通使用不便，而且体积巨大，成本昂贵；并且在打印的过程中缺少检测过程，容易出现打印失败和质量不合格的情况。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三维复印装置及其工作方法，是集成3D扫描和3D打印技术为一体的3D复印技术，可以使得用户一键复制3D物体，在同一套高度集成的***中完成3D扫描、3D打印、以及3D检测功能，不用多次切换设备、拷贝数据，提高效率和便捷程度，并降低成本。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种三维复印装置，至少包括一个3D打印组件、一个3D相机、一个转台和一套计算机***；
所述3D打印组件用于完成3D打印工艺，在运动机构的带动下实现至少X，Y，Z三个方向的运动；
所述转台用于承载被扫描物体和打印实物，能够绕一个或者多个轴转动；转台的载物平面和3D打印组件的基准平面相平齐；3D相机固定在能够照射到转台工作区域的位置；
所述计算机***用于完成扫描数据的处理、重建、切片和检测功能。
所述3D打印组件包括用于融化或者混合3D打印材料的热熔喷头，用于供给打印材料的供给装置，用于带动热熔喷头执行打印动作的位移装置；用于存储数据、通讯以及控制打印的控制器。
所述转台上印刷或黏贴有标记。
所述3D打印组件使用的原理包括选择性激光烧结术SLS、熔融沉积成型FDM、熔丝制造FFF或立体光刻技术SLA。
所述的3D相机选用3D点云彩色的RGBD相机、高精度MEMS 面阵结构光3D相机、DLP或者DOE器件的结构光3D相机。
基于上述一种三维复印装置的工作方法，包含以下步骤：
S1：使用3D相机对被扫描物体进行扫描，得到完整的3D扫描模型；
S2：使用3D相机对打印的基准平面进行测量，反馈调平；
S3：使用3D打印组件对扫描模型3D打印；
S4：使用3D相机在打印的过程进行在线监测；
S5：完成3D打印，使用3D相机对打印完成的模型进行检测、反馈。
所述步骤S1具体如下：
S1-1：将被扫描物体放置在转台中央，启动单轴或多轴转台转动，以变换扫描角度；
S1-2：启动3D相机用于采集3D点云，并综合使用转台的旋转角度、物体曲面特征、转台平面的标记，获得每一次扫描点云的位置和姿态，并进行拼接；
S1-3：使用步骤S1-2获得的完整点云进行3D曲面重建，得到完整的扫描模型。
所述步骤S1-3具体如下：
S1-3-1:首先计算3D点云中所有点的法线；
S1-3-2:选择一个起始点，应用距离标准获得的领域候选点集，并根据点集的法线方向获确定一个近似切平面，将领域点通过法线投影到切平面利内；
S1-3-3:然后对投影得到的点云做平面内的三角化，从而得到各点之间的拓扑关系；在平面内的三角化过程中用到了基于Delaunay的空间区域增长算法；
S1-3-4:最后根据投影点云的连接关系确定各原始三维点之间的拓扑连接，所得三角网格即为重建得到的曲面模型。
所述步骤S2具体如下：
S2-1：使用3D相机对打印机的基准平面进行测量，获得基准平面与打印机坐标系之间的关系，计算打印机实际基准平面与打印机坐标***中基准平面的理论值之间的偏差；
其计算方法是：
S2-1-1：首先使用测得点云数据进行最小二乘拟合得到平面：
Figure 857632DEST_PATH_IMAGE001
其中，A、B、C、D是平面拟合参数，其法向量为：
Figure 699073DEST_PATH_IMAGE002
；
对
Figure 744390DEST_PATH_IMAGE002
进行单位化，得法线方向的单位向量为
Figure 811703DEST_PATH_IMAGE003
，其中：
Figure 891654DEST_PATH_IMAGE004
，3D打印组件的基准平面的法向量为
Figure 104330DEST_PATH_IMAGE005
；
S2-1-2：求两个法向量的旋转矩阵R,使得：
Figure 636942DEST_PATH_IMAGE006
因为，
Figure 101422DEST_PATH_IMAGE007
于是，其旋转轴向量为
Figure 35880DEST_PATH_IMAGE008
,旋转角为：
Figure 170189DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 190098DEST_PATH_IMAGE010
为旋转轴向量K的单位向量；
使用罗德里格斯公式计算得到旋转矩阵R：
Figure 192689DEST_PATH_IMAGE011
其中E为3x3单位矩阵；
S2-2：使用步骤S2-1中计算的偏差结果，控制驱动器自动调平打印机的基准平面。
所述步骤S3具体如下：
S3-1：使用切片软件对扫描得到的模型进行缩放得到缩放扫描模型，再对缩放扫描模型进行切片处理,以获得每一层的打印数据；
S3-2：将切片的分多次或者一次性全部发送给3D打印组件的控制器；
S3-3：控制器根据收到的数据，控制3D打印组件的执行器件，对3D模型进行逐层打印。
所述步骤S4具体是，通过3D相机实时或者间歇性的采集打印工件的当前3D数据，用于监测打印的状态是否正常，判断有没有错层、开裂、位移情况产生；
其监测方法是：首先对无打印材料处的平面进行拟合得到平面
Figure 981653DEST_PATH_IMAGE012
，对有打印材料区域进行平面拟合得到平面
Figure 801710DEST_PATH_IMAGE013
，计算平面
Figure 308915DEST_PATH_IMAGE012
和平面
Figure 115197DEST_PATH_IMAGE013
的平均距离H，判断层高H是否在阈值之内，否则需要发出警报提示；其次，检查第一层的堆叠的材料的形状是否与切片的第一层相同，如果存在误差允许之外的差别，可能是第一层打印失败，需要发出警告提示。
所述步骤S5具体是，对打印结束后的打印实物再次扫描，获得再次扫描模型的完整3D点云，然后通过和输入的缩放扫描模型进行比对，判断打印的质量是否达到预设要求。
所述比对的方法是：
S5-1-1、对打印结束后的物体再次扫描得到再次扫描模型，对再次扫描模型和缩放扫描模型这两个模型的点云进行降采样，然后提取所有的点的法线；
S5-1-2、分别计算两部分点云的FPFH特征；
S5-1-3、使用FPFH特征进行粗配准；
S5-1-4、使用最近点迭代对两片点云进行精确配准；
S5-1-5、求取再次扫描模型点云与缩放扫描模型点云的最近点欧氏距离；
S5-1-6、根据上述点云欧氏距离的分布，判断打印模型的质量。
本发明的积极效果：
本发明通过将3D打印技术和3D成像技术进行整合，在同一高度集成的***中，实现了3D扫描、3D打印、以及3D检测功能，提高了效率并降低了成本；同时所集成的3D传感器在3D打印前、中、后分别进行了三维扫描，使用所获得三维数据，实现了3D打印自动调平，打印状态的监测，以及打印质量的检测，大幅提升了整套***的智能化程度，带给用户直接的有益效果是省去了诸多人为操作，便捷程度提高，并且打印的质量和可靠性也得到了提升。
附图说明
图1是本发明的3D复印装置结构示意图。
其中：101—3D相机，102—控制板，103—调平机构，104—标记，106—外壳，107—3D相机新安装位置，108—3D打印组件，109—运动机构，110—转台，111—基准平面，112—电机，201—被扫描物体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
如图1所示，一种三维复印装置，至少包括一个3D打印组件108，一个3D相机101，一个转台110和一套通用计算机***。
所述转台110用于承载被扫描物体201和打印实物，能够绕着一个或者多个轴转动，以保证扫描时具有更少的盲区；所述转台110的载物平面和3D打印组件的基准平面111相平齐；还能选用高精度的线结构光轮廓传感器，配合转台，实现对被扫描物体201的3D扫描；转台110上印刷或黏贴有特异性分布的标记104，用于辅助对扫描点云的拼接，所有的部件都安装在结构件的外壳106上。
所述3D打印组件108在运动机构109的带动下由电机112驱动，实现至少X，Y，Z三个方向的运动；调平机构103通过反馈控制调整3D打印组件的基准平面111在不同方向的倾斜，以保证其与运动机构109的理论X-Y平面相平行。
所述3D打印组件108用于完成3D打印工艺，包含了用于融化或者混合3D打印材料的热熔喷头，供给装置用于供给打印材料，位移装置用于带动热熔喷头执行打印动作，控制器用于存储数据、通讯以及控制打印。
所述3D打印组件108适用于：选择性激光烧结术SLS、熔融沉积成型FDM、熔丝制造FFF或立体光刻技术SLA，其组件根据所使用的技术不同，结构适应性变化。
所述计算机***用于完成扫描数据的处理、重建、切片和检测功能，具体是：所述3D相机101，调平机构103，3D打印组件108，运动机构109，转台110，电机112都与控制板102相连接并实现通讯控制，控制板102与通用计算机***相连接进行数据传输；通用计算机***可以集成在控制板102内部，或者独立于外部。
所述3D相机101的安装位置需要保证其视野可以覆盖到全部的目标区域。在一些实施方案中，所述3D相机101安装在3D打印机的支撑结构上106上。在另外一些实施方案中，将3D相机安装在运动机构109上以扩展其视野范围，即图1所示3D相机新安装位置107。
在一些实施方案中，所述的3D相机101是高精度的RGBD相机，能够同时获得物体的几何形状和纹理颜色；优选高精度MEMS 面阵结构光3D相机，既保证了精度，同时又体积小、功耗低，便于集成；
在另外一些实施方案中，所述的3D相机101还可以选用DLP或者DOE器件的结构光3D相机。
基于上述一种三维复印装置的工作方法，包含以下步骤：
S1：使用3D相机101对被扫描物体201进行扫描，得到完整的扫描模型；
S2：使用3D相机101对打印的基准平面111进行测量，反馈调平；
S3：使用3D打印组件108对模型3D打印；
S4：使用3D相机101在打印的过程进行在线监测；
S5：完成3D打印，使用3D相机101对打印完成的模型进行检测、反馈。
所述步骤S1和步骤S2的顺序可以互换，不影响发明的效果。
所述步骤S1中包含以下具体步骤：
S1-1：将被扫描物体201放置在转台110中央，启动单轴转台转动，以变换扫描角度。
S1-2：启动3D相机101用于采集3D点云，并综合使用转台110的旋转角度、物体曲面特征、转台110平面的标记104，获得每一次扫描点云的位置和姿态，并进行拼接。
在一些实施方案中，被扫描物体具有丰富的几何特征，使用几何进行点云的拼接。
在另外一些实施方案中，对于缺少几何特征的物体，使用转台平面的标记点进行当前点云姿态的估计，从而完成点云的拼接。
S1-3：使用S1-2获得的完整点云进行3D曲面重建，得到完整的扫描模型。
所述步骤S1-3重建的具体步骤如下：
S1-3-1:首先计算3D点云中所有点的法线；
S1-3-2:选择一个起始点，应用距离标准获得的领域候选点集，并根据点集的法线方向获确定一个近似切平面，将领域点通过法线投影到切平面利内；
S1-3-3:然后对投影得到的点云做平面内的三角化，从而得到各点之间的拓扑关系；在平面内的三角化过程中用到了基于Delaunay的空间区域增长算法；
S1-3-4:最后根据投影点云的连接关系确定各原始三维点之间的拓扑连接，所得三角网格即为重建得到的曲面模型。
进一步地，此处还需要进行纹理贴图的处理，以获取具有色彩信息的曲面；或者此处还需进行曲面闭合、流型等检查修复操作，以获得可用于3D打印的数据。
所述步骤S2包含以下步骤：
S2-1：使用3D相机101对打印机的基准平面111进行测量，获得基准平面111与打印机坐标系之间的关系，计算打印机实际基准平面与打印机坐标***中基准平面的理论值之间的偏差。
其计算方法是：
S2-1-1：首先使用测得点云数据进行最小二乘拟合得到平面：
Figure 899614DEST_PATH_IMAGE014
其中，A、B、C、D是平面拟合参数，那么其法向量为：
Figure 765938DEST_PATH_IMAGE002
；
对
Figure 760439DEST_PATH_IMAGE002
进行单位化，得法线方向的单位向量为
Figure 229467DEST_PATH_IMAGE003
，其中：
Figure 258603DEST_PATH_IMAGE004
，3D打印组件108的基准平面111的法向量为
Figure 295829DEST_PATH_IMAGE015
；
S2-1-2：求两个法向量的旋转矩阵R,使得：
Figure 387413DEST_PATH_IMAGE016
因为，
Figure 535497DEST_PATH_IMAGE017
于是，其旋转轴向量为
Figure 153560DEST_PATH_IMAGE008
,旋转角为：
Figure 361688DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 192765DEST_PATH_IMAGE019
为旋转轴向量K的单位向量；
使用罗德里格斯公式计算得到旋转矩阵R：
Figure 878961DEST_PATH_IMAGE020
其中E为3x3单位矩阵；
S2-2：使用步骤S2-1中计算的偏差结果，控制驱动器自动调平打印机的基准平面，以保证其和坐标系的理论打印平面平行。以省去传统的人工操作，具体如下：
S2-2：使用步骤S2-1中计算的偏差结果，控制驱动器自动调平打印机的基准平面，以保证其和坐标系的理论打印平面平行，以省去传统的人工操作；具体如下：
S2-2-1：首先对调平***的电机位置都进行回零；
S2-2-2：根据自动调平机构的结构，将旋转轴和旋转角度分解到***中的一个或者多个电机的旋转角度
Figure 617110DEST_PATH_IMAGE021
，以保证基准平面的旋转角度和旋转轴满足S2-1-3所述的要求；
S2-2-3：根据电机参数，将旋转角
Figure 996139DEST_PATH_IMAGE021
转换为脉冲数N，然后使用脉冲控制电机得到需要的旋转角。
所述的步骤S3具体如下：
S3-1：首先对扫描模型进行缩放，以得到实际打印尺度的缩放扫描模型。使用切片软件对扫描模型进行切片处理,以获得每一层的打印数据；
切片软件可以选用任意第三方的通用软件或者打印机指定的软件，优选业内通用软件cura、s3d、Repetier Host中的一种使用；
S3-2：将切片的分多次或者一次性全部发送给3D打印组件108的控制器；
S3-3：控制器根据收到的数据，控制3D打印组件108的执行器件，对3D模型进行逐层打印。
所述的步骤S4具体是，通过3D相机101实时或者间歇性的采集3D打印组件108的当前3D数据，用于监测打印的状态是否正常。
在一些实施方案中，在3D打印组件108完成第一层3D打印以后，3D相机101立即进行3D扫描，以保证对后续打印至关重要的第一层被高质量的完成。
其监测方法是：首先对无打印材料处的平面进行拟合得到平面
Figure 327894DEST_PATH_IMAGE022
，对有打印材料区域进行平面拟合得到平面
Figure 817781DEST_PATH_IMAGE023
，计算平面
Figure 535071DEST_PATH_IMAGE022
和平面
Figure 350580DEST_PATH_IMAGE023
的平均距离H。判断层高H是否在阈值之内，高于或者低于阈值，意味着第一层可能打印失败，需要发出警报提示；其次，检查第一层的堆叠的材料的形状是否与切片的第一层相同，如果存在误差允许之外的差别，可能是第一层打印失败，需要发出警告提示。
在一些实施案例中，检查第一层的堆叠质量的方法是：
对于采集的到点集
Figure 28686DEST_PATH_IMAGE024
，计算所有点与切面模型最近的距离
Figure 197630DEST_PATH_IMAGE025
，得到集合
Figure 644792DEST_PATH_IMAGE026
。
假设
Figure 100044DEST_PATH_IMAGE027
，使用最大似然估计法，得到：
Figure 265446DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 221770DEST_PATH_IMAGE029
根据预设的阈值判断
Figure 789017DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 415171DEST_PATH_IMAGE031
是否在要求阈值范围内，若不在范围内，则不合格。
在打印的过程中，根据预设的程序，通过3D相机实时或者间歇性的采集打印工件的当前3D数据，然后按当前的工作进度和预设的模型进行对比，以监测打印的状态是否正常，检测是否出现错位、开裂以及位移。
所述的S5通过类似S1的过程对打印结束后的打印实物进行的完整3D扫描，得到再次扫描模型，最后对再次扫描模型与缩放扫描模型进行比对，判断打印的质量是否达到预设要求。在一些实施方案中，输入3D扫描数据和打印实物存在尺度的缩放，所以再次扫描以后，在比对的过程中需要以其中任意一个为基准，对另外一个进行对应的缩放以后，再比对其相关差异。需要注意的是3D打印的过程可能会增加额外的支撑结构，如果存在，那么应该先将打印后的物体取出，清理后在放回装置内进行扫描。
所述比对的方法是：
S5-1-1，对打印结束后的打印实物再次扫描得到再次扫描模型，对再次扫描模型和缩放扫描模型这两个模型的点云进行降采样，然后提取所有的点的法线；
S5-1-2、分别计算两部分点云的FPFH特征（基于快速特征直方图，Fast PointFeature Histogram）；
S5-1-3，使用FPFH特征进行粗配准；
S5-1-4，使用最近点迭代（ICP）对两片点云进行精确配准；
S5-1-5，求取再次扫描模型点云与缩放模型点云的最近点欧氏距离：
Figure 67869DEST_PATH_IMAGE032
S5-1-6，根据上述点云欧氏距离的分布，判断打印模型的质量。在一些实施方案中，判断方法与S4中的方法相同。

Claims (10)

1.一种三维复印装置，其特征在于，至少包括一个3D打印组件（108）、一个3D相机（101）、一个转台（110）和一套计算机***；
所述3D打印组件（108）用于完成3D打印工艺，在运动机构（109）的带动下实现至少X，Y，Z三个方向的运动；
所述转台（110）用于承载被扫描物体（201）和打印实物，能够绕一个或者多个轴转动；转台（110）的载物平面和3D打印组件的基准平面（111）相平齐；
所述3D相机（101）固定在能够照射到转台（110）工作区域的位置；
所述计算机***用于完成扫描数据的处理、重建、切片和检测功能。
2.根据权利要求1所述的一种三维复印装置，其特征在于，所述3D打印组件（108）包括用于融化或者混合3D打印材料的热熔喷头，用于供给打印材料的供给装置，用于带动热熔喷头执行打印动作的位移装置；用于存储数据、通讯以及控制打印的控制器。
3.根据权利要求1所述的一种三维复印装置，其特征在于，
所述转台（110）上印刷或黏贴有标记（104）；
所述3D打印组件（108）使用的原理包括选择性激光烧结术SLS、熔融沉积成型FDM、熔丝制造FFF或立体光刻技术SLA；
所述的3D相机（101）选用3D点云彩色的RGBD相机、高精度MEMS 面阵结构光3D相机、DLP或者DOE器件的结构光3D相机。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：使用3D相机（101）对被扫描物体（201）进行扫描，得到完整的扫描模型；
S2：使用3D相机（101）对打印的基准平面（111）进行测量，反馈调平；
S3：使用3D打印组件（108）对扫描模型3D打印；
S4：使用3D相机（101）在打印的过程进行在线监测；
S5：完成3D打印，使用3D相机（101）对打印完成的模型进行检测、反馈。
5.根据权利要求4所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S1具体如下：
S1-1：将被扫描物体（201）放置在转台（110）中央，启动单轴或多轴转台转动，以变换扫描角度；
S1-2：启动3D相机（101）用于采集3D点云，并综合使用转台（110）的旋转角度、物体曲面特征、转台（110）平面的标记（104），获得每一次扫描点云的位置和姿态，并进行拼接；
S1-3：使用S1-2获得的完整点云进行3D曲面重建，得到完整的扫描模型。
6.根据权利要求5所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S1-3具体如下：
S1-3-1:首先计算3D点云中所有点的法线；
S1-3-2:选择一个起始点，应用距离标准获得的领域候选点集，并根据点集的法线方向获确定一个近似切平面，将领域点通过法线投影到切平面利内；
S1-3-3:然后对投影得到的点云做平面内的三角化，从而得到各点之间的拓扑关系；在平面内的三角化过程中用到了基于Delaunay的空间区域增长算法；
S1-3-4:最后根据投影点云的连接关系确定各原始三维点之间的拓扑连接，所得三角网格即为重建得到的曲面模型。
7.根据权利要求4所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S2具体如下：
S2-1：使用3D相机（101）对打印机的基准平面（111）进行测量，获得基准平面（111）与打印机坐标系之间的关系，计算打印机实际基准平面（111）与打印机坐标***中基准平面的理论值之间的偏差；
其计算方法是：
S2-1-1：首先使用测得点云数据进行最小二乘拟合得到平面：
Figure 307430DEST_PATH_IMAGE001
其中，A、B、C、D是平面拟合参数，其法向量为：
Figure 818046DEST_PATH_IMAGE002
；
对
Figure 332204DEST_PATH_IMAGE002
进行单位化，得法线方向的单位向量为
Figure 461834DEST_PATH_IMAGE003
，其中：
Figure 10627DEST_PATH_IMAGE004
，3D打印组件（108）的基准平面（111）的法向量为
Figure 695074DEST_PATH_IMAGE005
；
S2-1-2：求两个法向量的旋转矩阵R,使得：
Figure 696528DEST_PATH_IMAGE006
因为，
Figure 629849DEST_PATH_IMAGE007
于是，其旋转轴向量为
Figure 33148DEST_PATH_IMAGE008
,旋转角为：
Figure 885567DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 374317DEST_PATH_IMAGE010
为旋转轴向量K的单位向量；
使用罗德里格斯公式计算得到旋转矩阵R：
Figure 845750DEST_PATH_IMAGE011
其中E为3x3单位矩阵；
S2-2：使用步骤S2-1中计算的偏差结果，控制驱动器自动调平打印机的基准平面。
8.根据权利要求4所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S3具体如下：
S3-1：使用切片软件对扫描得到的模型进行缩放得到缩放扫描模型，再对缩放扫描模型进行切片处理,以获得每一层的打印数据；
S3-2：将切片的分多次或者一次性全部发送给3D打印组件（108）的控制器；
S3-3：控制器根据收到的数据，控制3D打印组件（108）的执行器件，对3D模型进行逐层打印。
9.根据权利要求4所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S4具体是，通过3D相机（101）实时或者间歇性的采集打印工件的当前3D数据，用于监测打印的状态是否正常，判断有没有错层、开裂、位移情况产生，其监测方法是：首先对无打印材料处的平面进行拟合得到平面
Figure 103556DEST_PATH_IMAGE012
，对有打印材料区域进行平面拟合得到平面
Figure 126875DEST_PATH_IMAGE013
，计算平面
Figure 102922DEST_PATH_IMAGE014
和平面
Figure 112466DEST_PATH_IMAGE013
的平均距离H，判断层高H是否在阈值之内，否则需要发出警报提示；其次，检查第一层的堆叠的材料的形状是否与切片的第一层相同，如果存在误差允许之外的差别，可能是第一层打印失败，需要发出警告提示。
10.根据权利要求4所述的一种三维复印装置的工作方法，其特征在于，所述步骤S5具体是，对打印结束后的打印实物再次扫描，获得再次扫描模型的完整3D点云，然后通过和输入的缩放扫描模型进行比对，判断打印的质量是否达到预设要求；
所述比对的方法是：
S5-1-1、对打印结束后的打印实物再次扫描得到再次扫描模型，对再次扫描模型和缩放扫描模型这两个模型的点云进行降采样，然后提取所有的点的法线；
S5-1-2、分别计算两部分点云的FPFH特征；
S5-1-3、使用FPFH特征进行粗配准；
S5-1-4、使用最近点迭代对两片点云进行精确配准；
S5-1-5、求取再次扫描模型点云与缩放扫描模型点云的最近点欧氏距离；
S5-1-6、根据上述点云欧氏距离的分布，判断打印模型的质量。
CN202211181129.8A 2022-09-27 2022-09-27 一种三维复印装置及其工作方法 Active CN115256950B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211181129.8A CN115256950B (zh) 2022-09-27 2022-09-27 一种三维复印装置及其工作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211181129.8A CN115256950B (zh) 2022-09-27 2022-09-27 一种三维复印装置及其工作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115256950A true CN115256950A (zh) 2022-11-01
CN115256950B CN115256950B (zh) 2023-02-28

Family

ID=83756876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211181129.8A Active CN115256950B (zh) 2022-09-27 2022-09-27 一种三维复印装置及其工作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115256950B (zh)

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050275725A1 (en) * 2004-06-01 2005-12-15 Olsson Mark S Self-leveling camera head
CN104512035A (zh) * 2015-01-27 2015-04-15 姚善良 一种三维扫描打印机
CN105216318A (zh) * 2015-10-14 2016-01-06 北京工业大学 3d立体复印机
CN105291438A (zh) * 2015-11-25 2016-02-03 刘洋 一种具有3d扫描功能的桌面级3d打印机
CN105761312A (zh) * 2016-02-06 2016-07-13 中国农业大学 一种微地形表面重建方法
CN106003726A (zh) * 2016-06-27 2016-10-12 中海清华（河南）智能科技发展有限公司 一种智能化激光3d打印装置及打印方法
CN107116787A (zh) * 2017-06-16 2017-09-01 浙江大学 一种三维打印平台的调平***及其测距装置与调平方法
CN108312547A (zh) * 2018-01-30 2018-07-24 清华大学 在增材制造过程中实时监控零件形状的方法
CN109345523A (zh) * 2018-09-21 2019-02-15 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 表面缺陷检测和三维建模方法
CN211683498U (zh) * 2019-10-28 2020-10-16 季华实验室 一种基于视觉的三维打印装备调平装置
CN111932671A (zh) * 2020-08-22 2020-11-13 扆亮海 基于密集点云数据的三维实体模型重建方法
CN112562082A (zh) * 2020-08-06 2021-03-26 长春理工大学 一种三维人脸重建方法及***
CN112846237A (zh) * 2020-12-04 2021-05-28 北京星航机电装备有限公司 一种3d打印设备调平***及其自动调平方法
WO2021154276A1 (en) * 2020-01-31 2021-08-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Model prediction
US20210302949A1 (en) * 2018-11-05 2021-09-30 Beijing University Of Technology High intensity multi direction FDM 3D printing method for stereo vision monitoring
US20220062997A1 (en) * 2020-09-02 2022-03-03 Sentient Science Corporation Systems and methods for defect detection and correction in additive manufacturing processes
CN114161713A (zh) * 2021-10-26 2022-03-11 深圳市纵维立方科技有限公司 打印头及检测方法、存储介质和三维打印机

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050275725A1 (en) * 2004-06-01 2005-12-15 Olsson Mark S Self-leveling camera head
CN104512035A (zh) * 2015-01-27 2015-04-15 姚善良 一种三维扫描打印机
CN105216318A (zh) * 2015-10-14 2016-01-06 北京工业大学 3d立体复印机
CN105291438A (zh) * 2015-11-25 2016-02-03 刘洋 一种具有3d扫描功能的桌面级3d打印机
CN105761312A (zh) * 2016-02-06 2016-07-13 中国农业大学 一种微地形表面重建方法
CN106003726A (zh) * 2016-06-27 2016-10-12 中海清华（河南）智能科技发展有限公司 一种智能化激光3d打印装置及打印方法
CN107116787A (zh) * 2017-06-16 2017-09-01 浙江大学 一种三维打印平台的调平***及其测距装置与调平方法
CN108312547A (zh) * 2018-01-30 2018-07-24 清华大学 在增材制造过程中实时监控零件形状的方法
CN109345523A (zh) * 2018-09-21 2019-02-15 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 表面缺陷检测和三维建模方法
US20210302949A1 (en) * 2018-11-05 2021-09-30 Beijing University Of Technology High intensity multi direction FDM 3D printing method for stereo vision monitoring
CN211683498U (zh) * 2019-10-28 2020-10-16 季华实验室 一种基于视觉的三维打印装备调平装置
WO2021154276A1 (en) * 2020-01-31 2021-08-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Model prediction
CN112562082A (zh) * 2020-08-06 2021-03-26 长春理工大学 一种三维人脸重建方法及***
CN111932671A (zh) * 2020-08-22 2020-11-13 扆亮海 基于密集点云数据的三维实体模型重建方法
US20220062997A1 (en) * 2020-09-02 2022-03-03 Sentient Science Corporation Systems and methods for defect detection and correction in additive manufacturing processes
CN112846237A (zh) * 2020-12-04 2021-05-28 北京星航机电装备有限公司 一种3d打印设备调平***及其自动调平方法
CN114161713A (zh) * 2021-10-26 2022-03-11 深圳市纵维立方科技有限公司 打印头及检测方法、存储介质和三维打印机

Also Published As

Publication number Publication date
CN115256950B (zh) 2023-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10994462B2 (en) Planarizing build surfaces in three-dimensional printing
US12001191B2 (en) Automated 360-degree dense point object inspection
Lin et al. Online quality monitoring in material extrusion additive manufacturing processes based on laser scanning technology
US11383451B2 (en) 3D printing and measurement apparatus and method
US10814439B2 (en) Turbomachine repair using additive manufacturing
CN114041168A (zh) 自动化360度密集点对象检验
US20180361729A1 (en) Large format 3d printing augmented with 3d scanning and anomoly tracking feedback
US8568545B2 (en) Automated material removal in composite structures
US20180207875A1 (en) Method and system for 3d printing
EP3737552B1 (en) Systems and methods for additive manufacturing calibration
CN105643921B (zh) 立体打印装置与立体打印方法
CN109414881A (zh) 多轴机械***与视觉监视相结合的3d打印方法与装置
Ambriz et al. Material handling and registration for an additive manufacturing-based hybrid system
WO2003032129A2 (en) Method and system for visualizing surface errors
CN101000499A (zh) 基于多传感器集成测量的仿形加工方法及***
CN102975375A (zh) 激光定位检测复合材料自动铺带质量的方法
CN208780144U (zh) 一种连接孔在线视觉检测***
CN110093601B (zh) 一种激光熔覆实时测厚及反馈的方法及装置
KR101539357B1 (ko) 3차원 형상을 가지는 면을 따라 적층하는 3차원 성형 장치 및 성형 방법
CN111189389B (zh) 棱线损坏程度的检测方法及其装置
CN115256950B (zh) 一种三维复印装置及其工作方法
CN116772744B (zh) 一种基于激光测距和视觉融合的3d扫描装置及其方法
KR102018537B1 (ko) 3d 프린터 노즐 구조
KR20190091247A (ko) 3d 프린터 노즐 구조
Duhančík et al. The Automated Quality Control of 3D Printing using Technical SMART Device

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant