一种三维打印方法及装置与流程

本发明属于机电方法类，具体涉及一种非平面打印方法及装置。

背景技术：

采用熔融沉积方法打印三维物体，如fdm(熔融沉积成形)工艺、lmd(激光熔融沉积)工艺，通常需要在平面的打印基板上进行。主要原因是设计的三维打印物体，通常包含一个理想平面的底面，所以最好能在一个接近理想平面的打印基板上打印三维物体，才能满足打印需要。但是，实际中一旦打印基材平面度偏差较大时，就可能出现初始沉积层翘曲，进而导致打印失败的情况。不仅如此，实际工作中，还需要打印基板在工作时需处于绝对水平的位置。传统方式下，通常会控制打印基材的平面度符合在较为严格的平面度水平，并在打印基板或三维打印装置四角设置手动调节螺栓，依靠塞尺等量具以及人工反复调整，以实现打印基板处于较高的水平度，但其操作较为繁琐。

目前，正是三维打印对于打印基板平面度和水平度的要求，提高了三维打印设备的成本，也限制了三维打印的应用领域的应用场景。因此，一旦突破了对打印基板平面度和水平度的要求，就可以打破打印基板的局限，甚至可以在任意三维物体表面，或者说任意基材表面进行三维打印。

而且为了能在任意三维物体表面快速方便的进行三维打印，开发一种无需对打印基材进行精确预定位、无需预先准备基材的三维数值模型，亦无须对三维打印零件与基材表面形状进行预匹配的三维打印方法，就很有必要。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种方案简单、技术可行的三维打印方法，以实现在至少有一面为斜面、曲面及其它非规整平面的立体物品上进行三维打印。

本发明的技术方案如下：

一种三维打印方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

s01.移动z轴定位机构，将打印基材移动至测量坐标位置；

s02.距离测量头对打印基材的打印区域进行地貌扫描，并根据设定的采样间隔，记录地貌数据；

s03.三维打印控制器将地貌数据与待打印目标的三维数据相叠加，计算待打印区域各扫描点的打印层数以及各打印层的沉积厚度；

s04.三维打印控制器控制成形作用头及z轴定位机构，打印三维物体。

优选的，所述s04步骤具体为：

s41.三维打印控制器根据成形作用头所处的xy瞬时坐标位置，计算得出当前打印层对应的z轴坐标的随动路径，并控制z轴定位机构输出z轴运动；

s42.三维打印控制器调取所述xy瞬时坐标位置对应的s03步骤中计算出的当前打印层的沉积厚度；

s43.三维打印控制器驱动成形作用头，沉积在所述xy瞬时坐标位置对应沉积厚度的打印材料；

s44.三维打印控制器驱动xy轴定位机构，将成形作用头移动至所在打印顺序层的下一xy瞬时坐标位置；

s45.重复s41至s44，至所在打印顺序层打印完毕；

s46.驱动z轴定位机构移动至下一打印顺序层位置，重复s41至s45直至全部三维物体打印层打印完毕。

优选的，所述打印基材为至少有一面为斜面、曲面及其它非规整平面的立体物品。

优选的，其特征在于，所述打印基材非永久式地固定在z轴定位机构上。

优选的，所述地貌数据为二维数组存储结构，其中二维数组元素的行索引对应扫描点的x轴坐标值、列索引对应扫描点的y轴坐标值，数组元素的值为对应扫描点的地貌变量。

优选的，所述地貌数据与待打印目标的三维数据相叠加，是以打印区域最高点所在平面，或最低点所在平面，或中位高度，或者任意高度为基面，对低于基面的坐标位置加上地貌变量的相对值，对高于基面则减去地貌变量的相对值。

优选的，所述实际状态下的打印层数可通过直接计算法或迭代法计算获得。

优选的，所述实际状态下的沉积厚度可根据打印层数或者迭代法计算获得。

优选的，所述打印顺序层即是对s03步骤中计算出的打印层数与各层的沉积厚度，通过打印层编号法或者等高线法进行横向规划获得。

优选的，所述打印装置包含刚性支架、xy轴定位机构、z轴定位机构、第一移动平台、第二移动平台、成形作用头、距离测量头、打印基材、三维打印控制器，其中：

xy轴定位机构位于刚性支架顶部，并且在所述xy轴定位机构上有第一移动平台；所述第一移动平台上有成形作用头和距离测量头，其中所述成形作用头和距离测量头利用xy轴定位机构进行平面运动；z轴定位机构处于刚性支架侧面，并且在所述z轴定位机构上有第二移动平台；其中所述第二移动平台与第一移动平台基本平行，并可在z轴定位机构驱动下接近或远离成形作用头及距离测量头；所述第二移动平台上设有打印基材；所述三维打印控制器分别与xy轴定位机构、z轴定位机构、成形作用头和距离测量头分别电气连接。本发明的有益效果在于，在至少有一面为斜面、曲面及其它非规整平面的立体物品表面即可直接实施增材作业，无需对基材进行精确预定位、无需预先准备基材的三维数值模型、亦无须对待打印目标与打印基材进行三维形貌预匹配，即可在实时控制系统中实现。

附图说明

图1为实现本发明三维打印方法的一种三维打印装置的结构示意图；

图2为本发明的一种三维打印方法的实施步骤；

图3为本发明三维打印方法部分具体的实施步骤；

图4a至4d为本发明实施例的三维物体理想状态和实际状态的示意图；

图5为本发明一个实施例的三维物体理想状态和实际状态的示意图；

图6为本发明实施例的控制信号连接图。

附图标号：高刚性支架1，xy轴定位机构2，第一移动平台3，成形作用头4，距离测量头5，z轴定位机构6，第二移动平台7，打印基材8，待打印目标10，三维打印控制器11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细描述。

为实现本发明的一种打印基材平面畸变补偿方法，相应的打印装置如图1所示，打印装置包含刚性支架1、xy轴定位机构2、z轴定位机构6、第一移动平台3、第二移动平台7、成形作用头4、距离测量头5、打印基材8、三维打印控制器11，其中：

xy轴定位机构2位于刚性支架1顶部，并且在所述xy轴定位机构2上有第一移动平台3；所述第一移动平台3上有成形作用头4和距离测量头5，其中所述成形作用头4和距离测量头5利用xy轴定位机构2进行平面运动；z轴定位机构6处于刚性支架1侧面，并且在所述z轴定位机构6上有第二移动平台7；其中所述第二移动平台7与第一移动平台3基本平行，并可在z轴定位机构6驱动下接近或远离成形作用头4及距离测量头5；所述第二移动平台7上固定有打印基材8；所述三维打印控制器11分别与xy轴定位机构2、z轴定位机构6、成形作用头4和距离测量5头分别电气连接。

所述打印装置，适用于fdm(熔融沉积成形)工艺、lmd(激光熔融沉积)工艺的三维打印。当为打印装置为fdm工艺时，所述成形作用头4包含送丝装置、加热器、喷嘴。工作时，所述送丝装置将打印丝材送至加热器，打印丝材被加热后处于融融状态，从而流出喷嘴并沉积在打印基材表面。所述喷嘴的外径为0.1-0.8mm。当打印装置为lmd工艺时，所述成形作用头4包含，送粉装置、激光头、喷嘴。工作时，激光从激光头射出，照射覆盖在从喷嘴喷出的粉斑上，从而使粉末快速熔融，并在喷射动能作用下继续飞行、沉积在打印基材表面。所述lmd工艺的打印精度，可以达到0.5-2mm。

本发明公开的三维物体打印方法，打印基材8可以选自至少有一面为斜面、曲面及其它非规整平面的立体物品，包括但不限于，板材、木制品、织物、塑料制品、橡胶制品。优选的，打印基材8可以为人工合成的金属或非金属板材、木板、人造工艺品、布料及纺织物、塑料块、塑料台、塑料盘、塑料底座、橡胶垫。

所述打印基材8，以非永久的方式固定于第二移动平台7上，并可跟随z轴定位机构6做z轴运动。优选的，所述非永久的方式包括卡接、铆接、插接、螺丝连接、粘贴、按压等方式，

通过本发明提供的一种三维打印方法，实现在打印基材8上的沉积增材作业。

在一个或多个实施例中，本发明提供的一种打印基材平面畸变补偿方法，其具体步骤如图2所示：

s01.移动z轴定位机构6，将打印基材8移动至测量坐标位置；

s02.距离测量头5对打印基材8的打印区域进行地貌扫描，并根据设定的采样间隔，记录地貌数据；

s03.三维打印控制器11将地貌数据与待打印目标的三维数据相叠加，计算待打印区域各扫描点的打印层数以及各打印层的沉积厚度；

s04.三维打印控制器11控制成形作用头4及z轴定位机构6，打印三维物体。

具体的，在一个或者多个实施例中，打印基材8移动至测量坐标位置后，三维打印控制器11通过xy轴定位机构2，按设定的扫描路径、扫描速度，驱动距离测量头5对打印基材8的打印区域进行地貌扫描，并根据设定的采用间隔记录地貌数据。所记录数据采用二维数组存储结构；其中数组元素的行索引对应扫描点的x轴坐标值、列索引对应扫描点的y轴坐标值，数组元素的值为对应扫描点的地貌变量；进而，根据存储在二维数组中的完整扫描数据，三维打印控制器11计算得到打印基材8地貌的峰-峰值dp-n。所述地貌数据，再与待打印目标10的三维数据相叠加，获得待打印目标10在实际打印区域内，各坐标处待打印目标10的三维数据。

在一个或多个实施例中，打印基板地貌数据与待打印目标的三维数据相叠加时，可以选择以下叠加模式的一种或组合：

(1)以打印区域最高点所在平面为基面，待打印目标底部对应的xy坐标位置，加上地貌变量的相对值；

(2)以打印区域最低点所在平面为基面，在待打印目标底部对应的xy坐标位置，减去地貌变量的相对值；

(3)选择打印区域的中位高度，或者任意高度为基面，对于待打印目标底部的xy坐标位置，如果低于基面则加上地貌变量的相对值，如果高于基面则减去地貌变量的相对值；

在一个或多个实施例中，在获得待打印目标在实际打印区域内的三维数据后，三维打印机控制器可以按照通常设置，以直接计算法确定各个xy坐标位置的打印层总层数，即以每个xy坐标位置的实际状态下的高度除以作用头4的每层沉积量优选区间的沉积厚度。具体来说，用h’{n,m}表示实际三维物体打印数据第n行、m列坐标处的三维物体高度，除以作用头4的优选沉积厚度δdpre范围，获得该第n行、m列坐标处的打印总层数j’{n,m}。

在其它实施例中，三维打印机控制器还可以参照理想状态下第n行、m列坐标处的打印层数j{n,m}，通过迭代的方法来确定实际状态下的打印总层数j’{n,m}。具体的，以h’{n,m}除以理想状态下该xy坐标的打印层数j{n,m}，获得到在第n行、m列预估打印层沉积量de’{n,m}；比较de’{n,m}是否符合作用头4的每层沉积厚度最大调节值δdmax范围；如果结果为是，则将de’{n,m}设定为实际状态下每层打印层的沉积量d’{n,m}，j’{n,m}与j{n,m}一致；如果结果为否，则以h’{n,m}除以(j{n,m}+1)或(j{n,m}-1)；重复上述步骤，直至de’{n,m}符合要求，此时实际状态下打印层总层数j’{n,m}＝j{n,m}±q，q为整数。

在一个或多个实施例中，待打印目标10，其侧视图如图4a所示，理想状态下，待打印目标10的下表面为平面。在同一m坐标上，三维打印控制器11会将其分为6个n坐标位点，总共打印6层的方式进行打印。

在其中一个实施例中，打印基材81如图4b所示，以打印区域的最高平面91为基面，在其它n坐标点上加上对应位置的地貌变量的相对值。因此，获得的待打印目标在实际打印状态下三维数据如101所示。

在其中一个实施例中，打印基材82如图4c所示，以打印区域的最低平面92为基面，在其它n坐标点上减去对应位置的地貌变量的相对值。因此，获得的待打印目标在实际打印状态下三维数据如102所示。

在其中一个实施例中，打印基材83如图4d所示，以打印区域的某一平面93为基面，对于低于基面的n坐标点，减去对应位置的地貌变量的相对值；对于高于基面的n坐标点，加上对应位置的地貌变量的相对值。因此，获得的待打印目标在实际打印状态下三维数据如103所示。

在上述实施例中，待打印目标10理想状态下打印层的总层数j’{n,m}与理想状态下的打印总层数j{n,m}相同，均为6层。在其它实施例中，实际状态下打印层的总层数j’{n,m}可以与理想状态下打印层的层数不相同。

在上述实施例中，待打印目标10在理想状态下和实际状态下，上表面都为平面，从三维物体的外观上看，符合了三维打印的设计构想。

在其它实施例中，如图5所示，三维物体104的上表面为非平面的设计构想，通过本发明公开的三维打印方法，其实际状态下的三维数据为104’依然可以保证打印结果满足设计构思。在上述实施例中，104’最左侧的一列，因为平面补偿值较大，按照j{n,m}打印，则de’{n,m}会超出δdmax范围；因此进行了加一层打印层的处理，即j’{n,m}＝j{n,m}+1。此时的d’{n,m}符合δdmax范围要求。

优选的，如图3所示在一个或多个实施例中，所述s04步骤具体为：

s41.三维打印控制器11根据成形作用头4所处的xy瞬时坐标位置，计算得出当前打印层对应的z轴坐标的随动路径，并控制z轴定位机构6输出z轴运动；

s42.三维打印控制器11调取所述xy瞬时坐标位置对应的s03步骤中计算出的当前打印层的沉积厚度；

s43.三维打印控制器11驱动成形作用头4，沉积在所述xy瞬时坐标位置对应沉积厚度的打印材料；

s44.三维打印控制器11驱动xy轴定位机构2，将成形作用头4移动至所在打印顺序层的下一xy瞬时坐标位置；

s45.重复s41至s44，至所在打印顺序层打印完毕；

s46.驱动z轴定位机构6移动至下一打印顺序层位置，重复s41至s45直至全部三维物体打印层打印完毕。

具体的，在一个或多个实施例中，在打印三维物体的过程中，三维打印控制器11根据成形作用头4所处的xy瞬时坐标位置，并根据公式：h’{n,m}*(ip-i0)/j’{n,m}，计算得出该xy瞬时坐标位置时，从目前位置i0至第ip打印层的z轴坐标的随动路径，以输出z轴定位机构6的z轴运动，将驱动打印基材8移动到对应对的z轴位置，并保证成形作用头4工作时，打印材料能沉积到对应的打印层。

在一个或多个实施例中，三维打印控制器11对s03步骤中计算出的各打印层的沉积量进行存储，或存储在其它存储介质上；而在s43步骤中，三维打印控制器11直接调取所述xy瞬时坐标位置以及所在打印层所对应的沉积量数据即可，并进一步驱动成形作用头4完成该瞬时位置的打印。

在一个或多个实施例中，为了节省打印时间，减少z轴定位机构反复运动，提高打印效率，成形作用头通常选择需要逐层打印三维物体，即按照打印顺序层，先打印所在打印顺序层上的各个点，再逐一打印各个打印顺序层。

所述打印顺序层即是对s03步骤中计算出的打印层数与各层的沉积厚度进行横向规划。其中所述规划包含两种方法：

其一为打印层编号法，即从底层起，将编号顺序相同的打印层，规划为同一打印顺序层；

其二为等高线法，即将各xy坐标位置各水平高度相同或相近的打印层，规划为同一打印顺序层。

在一个或多个实施例中，成形作用头4仅按设定的实际打印层沉积量d’{n,m}控制瞬时沉积量，并且z轴定位机构不再叠加补偿运动。

优选的，如图6所示，三维打印控制器11分别与xy轴定位机构2、z轴定位机构6、成形作用头4和距离测量头5电气连接，用于控制xy轴定位机构2、z轴定位机构6的运动，以及控制作用头4沉积相应的打印材料。

优选的，本实施例中的距离测量头方案，不仅包括常见的红外测距检测元件，还可采用景深相机等其它平面畸变检测元件，这些测距方案都应该归入本发明的范畴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在本发明中，打印基材无需高精度平面加工、无需复杂调平机构，且可以不受材料限制，仅采用单个距离测量头、配合三维打印机原有运动机构，即可进行增材作业，便于在实时控制系统中实现。

以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。