3d立體復(fù)印機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種3D立體復(fù)印機設(shè)備，可以對三維物體進行復(fù)印，得到一個3D立體復(fù)印件。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，平面復(fù)印技術(shù)已經(jīng)很成熟了，無論是平面的圖形、圖像還是文字，都可以用復(fù)印機復(fù)印，而且還能進行彩色復(fù)印。然而，如何能夠進行立體復(fù)印，還是一個尚未解決的技術(shù)問題。
[0003]—方面，現(xiàn)在已有立體掃描技術(shù)，通過立體掃描可以獲得三維物體的計算機數(shù)據(jù)，對這些在計算機內(nèi)的三維模型進行處理，獲得三維立體SLT文件。另一方面，隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，有很多種方式實現(xiàn)三維立體打印，比如光固化技術(shù)(Stereo LithographyAppearance，簡稱SLA)，是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝或者說是最早的3D打印技術(shù)。SLA技術(shù)所用光源為激光，具有波長單一、光斑尺寸小和功率密度大的特點，通過精確控制掃描頭，可以實現(xiàn)零件度、高精度成形。但現(xiàn)有的SLA系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，激光從上向下照射，在成型過程中，為了保證樹脂液體加工表面的平整度，需要復(fù)雜的裝置去調(diào)節(jié)液面平整度，使得整體系統(tǒng)體積過大并且造價昂貴；為此，人們開發(fā)了小型的桌面型SLA，激光從底部向上照射，近年來出現(xiàn)了數(shù)字光處理DLP的投影技術(shù)，是從底部向上投影?？梢酝ㄟ^面投影的方式將樹脂固化在成型過程中，這種面曝光的固化方式，比SLA由點到線，再由線到面，然后層層固化速度大大提高。它是需要一個樹脂槽，事先將樹脂倒入樹脂槽中，光照射樹脂使樹脂層層固化成形。然而由于目前這些3D打印技術(shù)均采用層層打印的方式實現(xiàn)，隨著分層厚度的減少，打印層數(shù)增多，打印時間很長，通常打印過程都要耗時數(shù)小時。其他3D打印技術(shù)還有比如3DP (三維立體印刷)、SLS (選區(qū)激光燒結(jié))以及SLM(選區(qū)激光熔化)等等。
[0004]基于以上考慮，我們利用三維掃描和3D打印技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明出本立體復(fù)印機。本發(fā)明是對現(xiàn)有平面復(fù)印機的一次本質(zhì)上的創(chuàng)新，將極大促進復(fù)印技術(shù)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明將3D立體掃描技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，使用3D立體掃描儀，將三維物體掃描，獲得三維物體的計算機數(shù)據(jù)，然后通過計算機對三維計算機數(shù)據(jù)進行分層，然后利用3D打印技術(shù)，將三維模型打印出來，實現(xiàn)3D復(fù)印的目的。為了縮短復(fù)印時間，使用掃描進行三維掃描，使用3D打印技術(shù)，進行3D打印成型。整個復(fù)印過程可以在數(shù)十分鐘內(nèi)完成。
[0006]3D立體復(fù)印機，其特征在于:包括和計算機連接的3D立體掃描儀器以及3D立體打印機；3D打印機為桌面型的3D打印機。
[0007]進一步，3D立體打印機打印材料為非金屬材料。
[0008]所述的3D立體復(fù)印機的應(yīng)用方法，其特征在于:開始復(fù)印時，對三維物體進行3D立體掃描。計算機獲得3D立體數(shù)據(jù)后，對3D數(shù)據(jù)進行分層處理，然后將分層數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D立體打印室，在3D立體打印室進行3D打印，得到與待復(fù)印的三維物體外形一致的三維物體。
[0009]進一步，3D立體打印機不選用桌面型的3D打印機而是另一技術(shù)方案。包括3D立體投影系統(tǒng)、樹脂盒、和計算機控制的激光器；3D立體投影系統(tǒng)由x、y掃描振鏡加上Z軸方向的振鏡組成；樹脂盒為四周透明的材料制成，光敏樹脂預(yù)先倒入樹脂盒中；所述光敏樹脂常溫下為透明液態(tài)，只有在光照射且光強超過其固化的閾值才能固化凝固。
[0010]打印開始時，首先在樹脂盒內(nèi)裝滿光敏樹脂，然后打開3D立體投影系統(tǒng)，激光透過樹脂盒，照射在光敏樹脂上，在樹脂中形成3D像，通過計算機控制曝光固化時間，光敏樹脂受到激光照射且光強超過其固化的閾值的部分發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)后凝固，未照射到的部分仍為液體樹脂；固化而“打印”出3D樹脂模型。
[0011]進一步，照射時間越長，樹脂固化強度越高。
[0012]進一步，激光為可見激光。
[0013]進一步，激光為波長在530nm的綠激光，或者是波長為800nm的紅激光。
[0014]本發(fā)明的工作原理:該3D立體復(fù)印件有兩個核心部分，一個是3D立體掃描系統(tǒng)，一個是3D打印系統(tǒng)，3D立體掃描系統(tǒng)采用目前通用的3D掃描技術(shù)，即將結(jié)構(gòu)光投射到物體上，進行拍攝，得到物體的三維計算機數(shù)據(jù)。3D打印系統(tǒng)則采用光固化成型3D打印機，快速完成3D數(shù)據(jù)的快速打印。這兩個系統(tǒng)均是通過計算機控制系統(tǒng)控制完成。復(fù)印開始前，可以設(shè)置復(fù)印尺寸，比如按照1:1或M:N進行復(fù)制?？梢栽O(shè)置復(fù)印質(zhì)量，比如精細、一般、粗糙。通過該系統(tǒng)由X，y掃描振鏡和Z軸聚焦振鏡組成。光線經(jīng)過X，y掃描振鏡，可以形成一個平面圖像，平面圖像在Z軸方向的聚焦振鏡作用下形成一個3維立體圖像。開始打印之前，在光敏樹脂槽中裝滿透明的光敏樹脂液體，并對計算機中的3D模型沿著Z軸方向進行切片處理獲得3D模型沿著Z軸方向一系列的X，y平面數(shù)據(jù)；打印開始后，激光在計算機控制下，沿著xy方向的掃描振鏡和Z軸方向聚焦振鏡在空間形成一個3D立體圖像。將這個3D立體圖像投射到透明的光敏樹脂槽中，由于使用的是透明的液態(tài)光敏樹脂，激光光線可以透過光敏樹脂，聚焦照射到樹脂的內(nèi)部。激光束不在焦點處穿過光敏樹脂由于光強沒有達到固化所需的閾值，因此不會發(fā)生任何反應(yīng)，只有在激光的焦點處能量密度高于固化閾值的地方，樹脂才被固化凝固。隨著照射時間的增加，樹脂固化處的強度也不斷增大。激光焦點處的樹脂固化凝固，不在焦點處的樹脂仍然保持液態(tài)。固化完成后，從樹脂中，取出固化成型的3D模型，完成打印。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)特征:
[0016]1.打印前，將待“復(fù)印”的物體放置在3D掃描腔內(nèi)的轉(zhuǎn)臺上，進行360度旋轉(zhuǎn)。
[0017]2.3D掃描采用波長為532nm的綠激光為結(jié)構(gòu)光，用兩個照相機拍攝。
[0018]3.物體旋轉(zhuǎn)時，照相機拍攝物體的各個面，獲得3D數(shù)據(jù)；
[0019]4.計算機對3D數(shù)據(jù)沿著Z軸方向進行切片處理，獲得一系列沿Z軸方向的二維切片圖像；
[0020]5.將這一系列二維切片圖像按照一定的比例，輸入到3D打印機中。
[0021 ] 6.3D打印機接收數(shù)據(jù)進行3D打印獲得一定比例的“復(fù)印品”。
[0022]本發(fā)明中，立體復(fù)印設(shè)備所涵蓋的裝置有:計算機控制系統(tǒng)，3D掃描室，3D打印室。
【附圖說明】
[0023]圖1為立體復(fù)印機示意圖。
[0024]圖中:11、待復(fù)印的三維物體，12,3D立體掃描室，13、計算機系統(tǒng)，14,3D立體打印室15、3D立體復(fù)印件。
[0025]圖2本發(fā)明實施例中3D立體打印機一個特例。
【具體實施方式】
[0026]首先有必要在此指出的是本實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。
[0027]整體裝置如圖1所示，在進行復(fù)印前，可以對復(fù)印的質(zhì)量進行設(shè)置，有三種復(fù)印質(zhì)量:快速復(fù)制獲得較差質(zhì)量的復(fù)印件，標準復(fù)制獲得普通質(zhì)量復(fù)印件，慢速復(fù)制獲得較高質(zhì)量的復(fù)印件。計算機系統(tǒng)13分別將設(shè)置參數(shù)發(fā)送到立體掃描室12和3D立體打印室14中，分別用于控制的立體掃描儀精度和打印精度。高質(zhì)量設(shè)置掃描精度高，掃描速度慢；打印分層數(shù)量大，打印慢；差質(zhì)量設(shè)置掃描精度低，掃描速度快。打印分層數(shù)量少，打印速度快。將待復(fù)印的三維立體物體11放置在3D立體掃描室12中，掃描室內(nèi)有一個可以旋轉(zhuǎn)的玻璃托盤。開始復(fù)印時，三維立體物體進行360度旋轉(zhuǎn)，由于托盤為透明的玻璃，因此掃描儀可以全方位地對三維物體進行掃描，掃描完畢后，計算機系統(tǒng)對掃描數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，再進行分層處理，輸入3D立體打印室，啟動3D立體打印程序在3D立體打印室內(nèi)進行打印。本實施例中考慮到成本，使用的是普通桌面型3D打印機，分層厚度為0.5mm，打印完成后，獲得與原始三維立體外形一致的復(fù)印件。如果需要對復(fù)印件進行表面處理，可以對復(fù)印件表面打光、電鍍、噴漆或著色處理。
[0028]3D立體打印更為優(yōu)異的整體裝置如圖2所示，裝配時Z軸聚焦振鏡6采用音圈電機，往返運動振動頻率大于20Hz ;樹脂槽I中裝滿透明的光敏樹脂2。本實施例采用發(fā)射532nm的綠激光的激光器7，光敏樹脂材料選用SOMOS材料，閾值為50mw/cm2。Z軸聚焦振鏡6和XY掃描振鏡5均經(jīng)鍍膜處理。打印開始前，在計算機上利用三維軟件對STL三維模型(直徑為100毫米，高度為200毫米)沿著Z軸方向進行分層處理，分層厚度為0.1mm,獲得一系列沿著Z軸方向的X，y掃描二維分層圖形。調(diào)整Z軸聚焦振鏡的焦距，使焦點的位置位于液槽的底部。第一步，為便于取出模型，首先在液槽底板放置一塊鐵板，第二步，打開激光器7，利用計算機控制系統(tǒng)8，激光束4經(jīng)過振鏡將三維模型投影到樹脂槽I的樹脂2上。照射2分鐘使光照射樹脂固化。固化完成后，關(guān)閉激光器7，從樹脂槽中取出鐵板，樹脂模型3固化在鐵板上，用酒精清洗模型，獲得三維實體模型，完成打印過程。如果需要進行表面處理，可以將取出的模型，在能量更高的紫外光下進行烘烤進行二次固化?；?qū)δＰ捅砻娲蚬?、電鍍、噴漆或著色處理?br>【主權(quán)項】
1.3D立體復(fù)印機，其特征在于:包括和計算機連接的3D立體掃描儀器以及3D立體打印機。2.根據(jù)權(quán)利要求所述的3D立體復(fù)印機，其特征在于:3D立體打印機打印材料為非金屬材料；3D立體打印機為桌面型的3D打印機。3.根據(jù)權(quán)利要求所述的3D立體復(fù)印機，其特征在于:3D立體打印機包括3D立體投影系統(tǒng)、樹脂盒、和計算機控制的激光器；3D立體投影系統(tǒng)由x、y掃描振鏡加上Z軸方向的振鏡組成；樹脂盒為四周透明的材料制成，光敏樹脂預(yù)先倒入樹脂盒中；所述光敏樹脂常溫下為透明液態(tài)，只有在光照射且光強超過其固化的閾值才能固化凝固。4.應(yīng)用權(quán)利要求1-3任一項所述的3D立體復(fù)印機的方法，其特征在于:開始復(fù)印時，對三維物體進行3D立體掃描；計算機獲得3D立體數(shù)據(jù)后，對3D數(shù)據(jù)進行分層處理，然后將分層數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D立體打印室，在3D立體打印室進行3D打印，得到與待復(fù)印的三維物體外形一致的三維物體。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種3D立體復(fù)印機，可以對三維物體進行復(fù)印。3D立體復(fù)印機，其特征在于：包括和計算機連接的3D立體掃描儀器以及3D立體打印機；3D打印機為桌面型的3D打印機。通過對三維物體進行立體掃描，獲得物體的3D計算機模型數(shù)據(jù)，然后根據(jù)成型精度對3D計算機模型沿著Z軸切片；利用3D打印機，將3D計算機模型打印出來。整個掃描、打印過程集成在一個系統(tǒng)中。本發(fā)明針對三維物體進行復(fù)印，因此稱為3D立體復(fù)印機。
【IPC分類】B29C67/00, B33Y30/00
【公開號】CN105216318
【申請?zhí)枴緾N201510663337
【發(fā)明人】陳繼民
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月14日