三维实体结构复制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及三维实体结构复制装置，具备：射线源，用于发出射线束，照射三维实体；探测器，用于采集穿透三维实体的射线束，获得图像数据；数据处理与运动控制单元，完成所述图像数据的处理、三维重建、三维结构数据提取、切片分层、扫描以及打印运动过程的控制；打印头，用于供给三维打印材料并且根据所述数据处理与运动控制单元的控制完成材料喷射；承载和运动机构，用于承载三维实体、所述打印头、所述射线源、所述探测器，并且，在所述数据处理与运动控制单元的控制下完成三维实体的结构扫描和打印所需的沿X、Y、Z轴方向的移动以及旋转。
【专利说明】三维实体结构复制装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及制造【技术领域】，特别涉及一种三维实体结构复制装置。
【背景技术】
[0002] 传统的纸张文字复印技术，可以不通过制版等中间手段而快速的从原稿获得复印 品，带动了办公自动化的革命。现代快速成型技术已经能够实现将抽象的CAD设计数据快 速变成真实物体，推动了先进制造技术的快速发展。但是，在暂时缺少设计制造图纸数据的 场合，或者对本身就没有设计制造图纸数据的自然物品、手工作品、老旧物体等，人们希望 不依赖设计制造图纸和模具、工装、加工设备、生产线等繁杂过程，能够直接对三维实体结 构进行复制，实现由原物到复制件的快速制造过程，从而减少传统生产所需的时间和空间 的限制。
[0003] 当前，三维快速成型主要采用三维光学仪器扫描物体表面获取物体外部轮廓三维 数据，通过计算机软件建模并切分为连续截面，再通过三维打印机逐层打印成三维实体。受 光学扫描的限制，这种方式只能实现物体外部轮廓形状的复制，而对于腔型、孔型或者其他 具有复杂的内部结构的物体则不能够获取其数据信息，丢失了物体内部结构形状。
[0004] 随着制造技术的快速发展以及三维快速成型技术应用领域的不断扩展，仅仅能够 对物体外观进行三维复制的设备已不能满足越来越多应用的需要。因此，迫切需要能够对 物体进行同时包括外部轮廓和内部结构在内的整体三维结构进行复制的技术，以充分满足 用户对三维实体结构快速复制的需要。 实用新型内容
[0005] 本实用新型是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种三维实体结构复 制装置，将三维结构扫描和三维打印技术有机地结合在一起，组成一体化装置设备。由此， 能够对物体进行同时包括外部轮廓和内部结构在内的整体三维结构进行复制，并且，用户 可以通过触摸屏操作，选择尺寸缩放倍数、复制精度、复制数量等参数，即可实现对事物的 结构进行快速复制功能。
[0006] 本实用新型提供一种三维实体结构复制装置，其特征在于，具备：
[0007] 扫描装置，产生射线束并照射三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，获 得所述三维实体的三维结构数据；以及
[0008] 三维打印装置，根据来自所述扫描装置的所述三维结构数据进行三维打印，复制 所述三维实体。
[0009] 此外，本实用新型提供一种三维实体结构复制装置，其特征在于，具备：
[0010] 扫描装置，产生射线束并照射三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，获 得所述三维实体的图像数据；
[0011] 三维打印装置，根据所述三维实体的三维结构数据进行三维打印，复制所述三维 实体；以及
[0012] 数据处理与运动控制装置，完成所述图像数据的处理、三维重建、所述三维结构数 据提取、切片分层、扫描以及所述三维打印装置的打印运动过程的控制。
[0013] 此外，本实用新型提供一种三维实体结构复制装置，其特征在于，具备：
[0014] 射线源，用于发出射线束，照射三维实体；
[0015] 探测器，用于采集穿透三维实体的射线束，获得图像数据；
[0016] 数据处理与运动控制单元，完成所述图像数据的处理、三维重建、三维结构数据提 取、切片分层、扫描以及打印运动过程的控制；
[0017] 打印头，用于供给三维打印材料并且根据所述数据处理与运动控制单元的控制完 成材料喷射；以及
[0018] 承载和运动机构，用于承载三维实体、所述打印头、所述射线源、所述探测器，并 且，在所述数据处理与运动控制单元的控制下完成三维实体的结构扫描和打印所需的沿X、 Y、Z轴方向的移动以及旋转。
[0019] 在本实用新型的三维实体结构复制装置中，（1)通过数据处理与运动控制单元对 承载和运动机构的控制使三维实体旋转，同时，从射线源发出射线束，来自射线源的射线束 照射所述三维实体，由探测器对透过所述三维实体的X射线进行探测，从而获得从不同角 度穿透所述三维实体的射线束，形成图像数据；（2)数据处理与运动控制单元对所述图像 数据进行三维重建处理，从而获得包含所述三维实体的结构信息的连续多个断层的射线衰 减系数分布图像数据，并且，从所述射线衰减系数分布图像数据中提取出所述三维实体的 三维结构数据；（3)数据处理与运动控制单元对所述三维结构数据进行分层切片，并且对 打印头进行控制，使其根据每层的成型数据逐层地打印获得具有一定强度的层片，从而获 得与所述三维结构数据对应的三维实体。
[0020] 根据本申请实用新型，由于是利用射线源以及探测器获取三维实体的三维结构数 据，所以能够对物体进行包括外部轮廓和内部结构在内的整体三维结构进行复制，解决了 现有技术中采用三维光学仪器只能实现物体外部轮廓形状的复制，而对于腔型、孔型或者 其他具有复杂的内部结构的物体则不能够获取其数据信息，丢失了物体内部结构形状这样 的问题。此外，根据本申请实用新型，将三维结构扫描和三维打印技术有机地结合在一起， 组成一体化装置设备，实现了便捷地进行三维数据取得和三维打印。
[0021 ] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述射线源是X射线源或者同位素源。
[0022] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述射线源是一个或者多个。
[0023] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述X射线源的射线能量是可调的或者固 定的。
[0024] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述探测器是一个或者多个。
[0025] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述探测器具有二维阵列或者面阵列的形 式。
[0026] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述三维实体结构复制装置还具备射线屏 蔽机箱，将射线限制在机箱之内进行辐射防护，所述射线屏蔽机箱是用铅(或者铅锑合金或 者钨或者其他重金属材料）与钢(或者其它金属或者非金属材料）组合形成的结构。
[0027] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述打印头是一个或者多个。
[0028] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述打印头是采用热熔或采用激光束或采 用其他粘接形式的三维打印方式。
[0029] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述承载和运动机构可以通过电机、丝杆导 轨、同步带传动或者链传动等实现运动和定位。
[0030] 此外，根据本实用新型的一个实施例，所述数据处理与运动控制单元可以是计算 机或者数控系统或者PLC等具有信息处理和机械运动控制功能的设备。
[0031] 此外，根据结合附图对本实用新型的详细说明，能够使本实用新型的上述特征和 优点更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1是本实用新型的三维实体结构复制装置的工作流程的示意图。
[0033] 图2是本实用新型的一个实施方式的三维实体结构复制装置的结构示意图。
[0034] 图3是本实用新型的一个实施例的三维实体结构复制过程的流程图。
【具体实施方式】
[0035] 以下，参照附图详细地说明本实用新型的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同 的附图中，但相同的附图标记用于表示相同或相似的组件。此外，为了清楚和简洁，包含在 这里的已知的功能和结构的详细描述被省略。
[0036] 图1是本实用新型的三维实体结构复制装置的工作流程的示意图。如图1所示，本 实用新型的三维实体结构复制装置的工作流程包括如下步骤：（1) 一边使三维实体旋转， 一边使X射线束照射所述三维实体，利用探测器对透过所述三维实体的X射线进行探测，从 而获得从不同角度穿透所述三维实体的射线束，形成图像数据；（2)通过对所述图像数据 进行三维重建处理，从而获得包含所述三维实体的结构信息的连续多个断层的射线衰减系 数分布图像数据，并且，从所述射线衰减系数分布图像数据中提取出所述三维实体的三维 结构数据；（3)对所述三维结构数据进行分层切片，利用三维快速成型装置根据每层的成 型数据逐层地打印获得具有一定强度的层片，通过将所述层片层层叠加结合成为与所述三 维结构数据对应的三维实体。由此，能够实现实体三维结构的复制。
[0037] 此外，本申请实用新型的三维实体结构复制装置主要由两部分组成，一个是用于 对三维实体结构进行射线扫描并取得三维实体的三维结构数据的扫描装置，另一个是根据 由扫描部分所得到的三维结构数据进行三维打印的三维打印装置。
[0038] 具体地说，在本实用新型的三维实体结构复制装置中，扫描装置产生射线束，并 且，使射线束照射进行旋转的所述三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，从而获 得从不同角度穿透所述三维实体的射线束，形成图像数据，并且，通过对所述图像数据进行 三维重建处理，从而获得包含所述三维实体的结构信息的连续多个断层的射线衰减系数分 布图像数据，并且，从所述射线衰减系数分布图像数据中提取出所述三维实体的三维结构 数据。三维打印装置接收来自扫描装置的所述三维结构数据，对所述三维结构数据进行分 层切片，根据每层的成型数据逐层地打印获得具有一定强度的层片，通过将所述层片层层 叠加结合成为与所述三维结构数据对应的三维实体。
[0039] 此外，本申请实用新型的三维实体结构复制装置还可以是如下结构，即，包括：扫 描装置，产生射线束并照射三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，获得所述三维 实体的图像数据；三维打印装置，根据所述三维实体的三维结构数据进行三维打印，复制所 述三维实体；数据处理与运动控制装置，完成所述图像数据的处理、三维重建、三维结构数 据提取、切片分层、扫描以及所述三维打印装置的打印运动过程的控制。
[0040] 具体地说，在本实用新型的三维实体结构复制装置中，扫描装置产生射线束，并 且，使射线束照射进行旋转的所述三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，从而获 得从不同角度穿透所述三维实体的射线束，形成图像数据，数据处理与运动控制装置对所 述图像数据进行三维重建处理，从而获得包含所述三维实体的结构信息的连续多个断层的 射线衰减系数分布图像数据，并且，从所述射线衰减系数分布图像数据中提取出所述三维 实体的三维结构数据，并且对所述三维结构数据进行分层切片，并且，数据处理与运动控制 装置对三维打印装置进行控制，三维打印装置根据每层的成型数据逐层地打印获得具有一 定强度的层片，通过将所述层片层层叠加结合成为与所述三维结构数据对应的三维实体。
[0041] 如上所述那样，本申请实用新型的三维实体结构复制装置由扫描装置和三维打印 装置构成、或者由扫描装置、三维打印装置以及数据处理与运动控制装置构成，但是，并不 限于此，也可以将上述完成上述功能的组成部分形成为一体。例如，在图2中示出了这样结 构的三维实体结构复制装置。
[0042] 图2是本实用新型的一个实施方式的三维实体结构复制装置的结构示意图。
[0043] 如图2所示，本实施方式的三维实体结构复制装置具备：发出射线束的射线源10， 例如，射线源10可以是X射线源或者同位素源等，并且，虽然在本实施方式中示出了具有一 个射线源的情况，但是，实际上也可以具备多个射线源，并且射线源的射线能量可以是可调 的，也可以是固定的；探测器20,用于探测透射三维实体30的射线束，获得透射三维实体的 投影图像数据，在本实施方式中示出了具有一个探测器的情况，但是，实际上也可以具有多 个探测器，此外，探测器具有二维阵列或者面阵列等的形式；射线屏蔽机箱40,作为整个装 置的外壳，采用铅(或者铅锑合金或者钨或者其他重金属材料）与钢（或者其它金属或者非 金属材料）组合形成的结构，将射线限制在机箱之内进行辐射防护；打印头60,通常采用热 熔或采用激光束加热熔化热熔丝、金属或非金属粉末、粘接剂等快速成型材料，用于供给三 维打印材料并且完成材料喷射，此外，虽然在本实施方式中示出了具有一个打印头的情况， 但是，实际上也可以具有多个打印头；承载和运动机构50,承载被扫描三维实体和复制的 三维实体结构进行旋转、沿Y、Z方向运动，承载打印头进行X向运动，通常通过高精密旋转 台、电机、丝杆导轨、同步带传动或者链传动等机械和运动结构实现运动和定位；数据处理 与运动控制单元70,完成图像数据的处理、三维重建、三维结构数据提取、切片分层、扫描以 及打印运动过程的控制，例如，可以是计算机或者数控系统或者PLC等具有信息处理和机 械运动控制的设备。
[0044] 具体地说，如图2所示，射线源10安装在三维实体30的一侧，探测器20置于三维 实体30的另一侧，射线源10发出的射线束能够透射过三维实体30并被探测器20接收而形 成图像数据。射线束被射线屏蔽机箱40限制在机箱范围内，保证辐射安全。在进行三维实 体结构扫描时，三维实体30放置在承载台上，在承载和运动机构50上完成旋转运动、沿Y、 Z方向运动、以及定位，从而获取三维实体30的多个角度的透射射线图像数据。在进行三维 实体结构提取处理时，数据处理与运动控制单元70对获取的三维实体30的图像数据进行 智能处理和图像重建，获得连续断层的射线衰减系数图像数据，提取出实体三维结构信息， 并且进行分层切片。在进行三维结构快速成型时，在数据处理与运动控制单元70控制下， 打印头60进行X方向运动，结合载物台进行的Y方向运动，依照分层切片数据将打印材料 喷涂、固化在每一层上；在数据处理与运动控制单元70控制下，承载和运动机构50承载被 打印物体进行Z方向运动，实现分层切片的逐层打印，最终完成三维实体结构的复制。
[0045] 此外，图3示出了本实用新型的一个实施例的三维实体结构复制过程的流程图。
[0046] 如图3所示，在系统开机准备工作完成后，在步骤S10中首先选择三维实体扫描 工作模式，在步骤S20中打开射线屏蔽机箱40,将待复制的三维实体放置于承载和运动机 构50的载物台上，关闭射线屏蔽机箱40,在步骤S30中，启动扫描操作，由数据处理与运动 控制单元70自动控制射线源10发出X射线束，X射线束透射过三维实体30并由探测器 20接收形成图像数据，承载和运动机构50进行旋转，从而完成多个角度的图像数据扫描的 过程，在步骤S40中，在扫描结束后，打开射线屏蔽机箱40,取出三维实体，然后，关闭射线 屏蔽机箱40,数据处理与运动控制单元70进行智能处理和图像重建，获得连续断层的射线 衰减系数图像数据，提取出实体三维结构信息，在步骤S50中，选择三维结构复制的缩放倍 数、复制精度、复制数量等参数，数据处理与运动控制单元70进行分层切片，在步骤S60中， 启动实体结构复制，数据处理与运动控制单元70根据分层切片数据，自动控制打印头60和 承载和运动机构50逐层进行三维实体结构的复制，在步骤S70中，在三维实体结构复制完 成后，打开机箱40,取出复制件，完成一次复制流程。
[0047] 根据本申请实用新型，由于是利用射线源以及探测器获取三维实体的三维结构数 据，所以能够对物体进行包括外部轮廓和内部结构在内的整体三维结构进行复制，解决了 现有技术中采用三维光学仪器只能实现物体外部轮廓形状的复制，而对于腔型、孔型或者 其他具有复杂的内部结构的物体则不能够获取其数据信息，丢失了物体内部结构形状这样 的问题。此外，根据本申请实用新型，将三维结构扫描和三维打印技术有机地结合在一起， 组成一体化装置设备，实现了实时地进行三维数据取得和三维打印。
[0048] 此外，在本申请实用新型中，能够选择三维结构复制的缩放倍数、复制精度、复制 数量等参数来进行三维实体的复制，因此，能够实现对三维实体的放大或者缩小的三维结 构复制。
[〇〇49] 以上的描述仅用于实现本实用新型的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在 不脱离本实用新型的范围的任何修改或者局部替换，均应该属于本实用新型的权利要求来 限定的范围，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种三维实体结构复制装置，其特征在于，具备： 扫描装置，产生射线束并照射三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，获得所 述三维实体的三维结构数据；以及 三维打印装置，根据来自所述扫描装置的所述三维结构数据进行三维打印，复制所述 三维实体。
2. -种三维实体结构复制装置，其特征在于，具备： 扫描装置，产生射线束并照射三维实体，对透过所述三维实体的射线进行探测，获得所 述三维实体的图像数据； 三维打印装置，根据所述三维实体的三维结构数据进行三维打印，复制所述三维实体； 以及 数据处理与运动控制装置，完成所述图像数据的处理、三维重建、所述三维结构数据提 取、切片分层、扫描以及所述三维打印装置的打印运动过程的控制。
3. -种三维实体结构复制装置，其特征在于，具备： 射线源，用于发出射线束，照射三维实体； 探测器，用于采集穿透三维实体的射线束，获得图像数据； 数据处理与运动控制单元，完成所述图像数据的处理、三维重建、三维结构数据提取、 切片分层、扫描以及打印运动过程的控制； 打印头，用于供给三维打印材料并且根据所述数据处理与运动控制单元的控制完成材 料喷射；以及 承载和运动机构，用于承载三维实体、所述打印头、所述射线源、所述探测器，并且，在 所述数据处理与运动控制单元的控制下完成三维实体的结构扫描和打印所需的沿X、Y、Z 轴方向的移动以及旋转。
4. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 还具备射线屏蔽机箱，所述射线屏蔽机箱是用铅与钢等材料组合形成的结构。
5. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述射线源是X射线源或者同位素源。
6. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述射线源是一个或者多个。
7. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述射线源的射线能量是可调的或者固定的。
8. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述探测器是一个或者多个。
9. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述探测器为二维阵列或者面阵列的形式。
10. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述打印头是一个或者多个。
11. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述打印头是采用热熔或采用激光束或采用其他粘接形式的三维打印方式。
12. 如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述承载和运动机构通过电机、丝杆导轨、同步带传动或者链传动实现运动和定位。
13.如权利要求3所述的三维实体结构复制装置，其特征在于， 所述数据处理与运动控制单元是具有信息处理和机械运动控制功能的设备。
【文档编号】G06F3/12GK203849726SQ201420113067
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】肖永顺, 陈志强, 赵自然, 王凤娟 申请人:北京固鸿科技有限公司, 清华大学, 同方威视技术股份有限公司