手工立体成型方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明揭示一种手工立体成型系统和方法，包括控制设备、手工创作设备及投影设备。控制设备产生立体创作模型并将立体创作模型分层产生多个分层影像；控制设备调整手工创作设备的升降台高度，并同步控制投影设备投射对应当下升降台高度的分层影像至升降台，藉以引导使用者利用手工创作设备中的打印模块进行创作，手工立体成型系统会以逐步分层投影以及调整升降台高度的方式引导使用者完成立体创作。
【专利说明】手工立体成型方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明是关于手工立体成形系统及方法，特别是关于3D打印(3D-Printing)技术上的手工创作系统及方法。
【背景技术】
[0002]3D打印最近引起广泛讨论，被媒体喻为新一波「自造者革命」的新兴商业手段。3D打印技术为快速成型技术(Rapid Prototyping)的一种，它以电脑产生的数字立体模型送入切层软件(如地理等高线原理，求出切层高度所在的立体模型轮廓，进而得出多个分层轮廓数据)，之后输出G-code (内含3D打印机的移动及打印控制参数)作为3D打印机(3D-Printer)执行打印的蓝图。3D打印机的打印喷头一般被设置在可进行三维移动的驱动机构，打印喷头结合驱动机构通过G-code控制可进行精细的三维移动并进行物件打印，而打印喷头更可通过G-code控制输出金属、塑料或食用材质等可固化黏合的固态、半固态、液态、半液态或粉末状材料，通过积层堆迭的方式，将所需成型的物件堆迭起来。
[0003]现行家用或商用3D打印机，为了立体成型需求，通常以可多维移动的打印喷头方式来实现，其打印喷头的多维驱动机构通常由各个轴向上的步进马达、导杆、轴间连接机构、齿轮及驱动皮带等传动元件加上移动控制器所组成。此外，打印喷头通常一个喷嘴负责一种材料的打印，因此现行家用或商用3D打印机通常采固定材质输出，当成型物件需以多种材料或多色呈现时，不是以打印喷头多喷嘴方式实现，就是以更换打印喷头材料方式处理，前者因打印喷头机构及材料输出控制方式较为复杂，提高3D打印机的售价，而后者需使用者频繁地装卸打印喷头以更换材料，增加3D打印的时间成本。因此，当使用者欲利用现行的家用或商用3D打印机进行立体创作时，常常会发现多色或多材质的创作是不容易实现的。
[0004]另外，使用者在以电脑产生数字建模阶段也会遇到设计上的困扰，当使用者不熟悉相关建模或绘图的方法或技巧下，修改或新增模型样版的过程都会造成使用者进入3D打印的技术障碍，前述情形对于使用者以3D打印方式进行自行创作及创作改良都是不小的困扰。
【发明内容】
[0005]根据上述问题，本发明提出了一种手工立体成型方法及系统，通过控制设备、手工创作设备及投影设备加以实现。控制设备产生立体创作模型并将立体创作模型分层产生多个分层影像；控制设备调整手工创作设备的升降台高度，并同步控制投影设备投射对应当下升降台高度的分层影像至升降台，藉以引导使用者利用手工创作设备中的打印模块进行创作，手工立体成型系统会以逐步分层投影以及调整升降台高度的方式引导使用者完成立体创作。
[0006]本发明所提出的手工立体成型方法及系统，让使用者自身能确实参与立体成型过程，而非看着机器完成一个物件，因此能更加有成就感。
[0007]本发明所提出的手工立体成型方法及系统，能应用于一些非以机器完成的立体成型作业，从而降低手工成型的难度，例如在食品上所进行的奶油雕花。
[0008]根据以上目的，本发明提出了一种手工立体成型系统，包括:一投影设备，具有至少一个投影装置；一立体成型设备，具有一升降台、一控制模块、一打印模块及一工作平台，升降台以一控制接口和控制模块电性连接，打印模块设置在工作平台上且可以在开口的范围内进行任意的平面运动；及一控制设备，以一投影传输接口与投影设备通讯连接，并以一控制传输接口与立体成型设备的控制模块电性连接；其中，投影设备具有至少一个投影装置，用以将一分层影像投影至升降台；控制模块通过控制设备发出的指令调整升降台高度。
[0009]根据本发明的手工立体成型系统的一实施例，打印模块具有一个或一个以上的喷笔，喷笔用以填充不同颜色的材料。
[0010]根据本发明的手工立体成型系统的一实施例，每个该喷笔都具有一开关，该开关用于控制材料输出。
[0011]根据本发明的手工立体成型系统的一实施例，更包括:一手部支撑模块，可活动地设置于工作平台的该开口。
[0012]根据本发明的手工立体成型系统的一实施例，投影设备设置于工作平台上方，通过从上到下的方式将分层影像投影至升降台。
[0013]根据本发明的手工立体成型系统的一实施例，投影设备设置于工作平台下方，通过多点近距投影的方式将分层影像投影至升降台。
[0014]根据本发明的手工立体成型系统的一实施例，每一喷笔分别具有一开关。
[0015]本发明也提出一种立体成型方法，包括:(a)建立一立体模型；(b)产生构成立体模型的多个分层影像；(C)投射分层影像中的其中之一至一升降台；(d)根据投射的分层影像，以手工方式形成一分层物件；(e)判断投射的分层影像是否为构成立体模型的分层影像中的最后一个，若是则结束投影，若否，则调整升降台高度，并重复步骤(C)至(e)。
[0016]根据本发明的手工立体成型方法的一实施例，每一分层影像具有一单位厚度，单位厚度可以是预先定义，或经由一切层功能分析立体模型而产生。
[0017]根据本发明的手工立体成型方法的一实施例，升降台每次调整的高度都是单位厚度。
[0018]根据本发明的手工立体成型方法的一实施例，步骤(C)之前还包括下列步骤:将该升降台的高度初始化。
[0019]根据本发明的手工立体成型方法的一实施例，立体模型可以是2D图样或3D图样其中之一。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明一实施方式的手工立体成型系统方块示意图；
图2A为本发明一实施方式的立体成型设备俯视示意图；
图2B为本发明一实施方式的立体成型设备侧视示意图；
图3A为本发明一实施方式的多点近距投影俯视示意图；
图3B为本发明一实施方式的多点近距投影侧视示意图；
图4为本发明的手工立体成型方法流程示意图； 【符号说明】
I手工立体成型系统
II投影设备
12立体成型设备
121升降台
122控制模块
123打印模块 1231 喷笔 1232开关
124工作平台 1241 开口
1242手部支撑模块
13控制设备 13 计算装置
131 手工辅助应用程序 1311建模函数 1312投影函数 1313升降台控制函数
15投影传输接口
16控制传输接口 401?408步骤
【具体实施方式】
[0021]本发明是有关于一种手工立体成型系统及方法，本发明主要提出一种3D打印方式，通过投影设备投射至手工创作设备的分层投影，引导使用者逐步进行手工打印完成立体物件创作，至于系统与方法中所需使用的影像演算法、数据库型态、通讯机制或机具结构，并非本发明揭露重点，因此不在此详述。
[0022]请先参阅图1，图1是本发明一实施例的手工立体成型系统I方块图。如图1所示，本发明的手工立体成型系统I包括投影设备11、立体成型设备12及控制设备13，投影设备11与控制设备13以投影传输接口 15通讯连接，立体成型设备12与控制设备13以控制传输接口 16电性连接，投影传输接口 15及控制传输接口 16可以是有线或无线的传输方式。
[0023]请同时参照图1、图2A及图2B所示，图2A是本发明一实施例的立体成型设备12俯视示意图，图2B是本发明一实施例的立体成型设备12侧视示意图。立体成型设备12包含有升降台121、控制模块122、打印模块123及工作平台124，其中控制模块122通过控制接口 125与升降台121电性连接，并通过控制传输接口 16与控制设备13电性连接，控制模块122通过控制设备13经控制传输接口 16传来的指令调整升降台121的高度，而控制模块122可由如现有技术所述的传动元件及控制器所构成。打印模块123的功能及架构与传统3D打印机的打印喷头相近，然而为了达成多色彩手工创作或多材料输出的需求，打印模块123具有多个喷笔1231，可供使用者填充所需的多种不同颜色的材料。每一喷笔1231分别具有一开关1232以控制材料输出，工作平台124中央具有开口 1241用以容纳升降台121，开口 1241另设有手部支撑模块1242，手部支撑模块1242是由双轴滑轨连杆及设置于连杆上的支撑垫所构成，让使用者手持喷笔1231时能支撑于支撑垫上，并可在开口 1241范围内进行任意的平面运动，以利于在升降台121上打印材料并进行手工创作。
[0024]投影设备11可为一个投影装置或由多个投影装置所组成，在一个实施方式中，投影设备11设置于工作平台124上方，以便以从上到下的方式将影像投影至升降台121处；在其他实施方式中，投影设备11是设置于工作平台124下方，采多点近距投影的方式，将影像投影至升降台121处。投影设备11与工作平台124结合形成的多点近距投影实施俯视及侧视示意方式如图3A及图3B所示，本实施例将四个投影装置组成的投影设备11设置于工作平台124下方进行投影，投射光线31照射至升降台121形成分层影像32。
[0025]控制设备13包含辅助应用程序131，其中辅助应用程序131包含建模函数1311、投影函数1312及升降台控制函数1313。建模函数1311包含数字建模功能及切层功能，使用者除了套用数字建模功能内建的立体模型样版外，亦可自行下载平面(2D;two-dimens1nal)图样或立体(3D ;three_dimens1nal)图样，利用数字建模功能转换产生立体模型。切层功能如现有技术所述，将立体模型依据用户的定义厚度或切层功能分析立体模型轮廓特征所产生的建议厚度，作为厚度单位进行切层处理，产生多个分层模型，并将此厚度单位设定为一单位厚度，作为后续升降台控制函数1313运行及升降升降台121高度的间距单位，另外单位厚度也可以是分析立体模型轮廓前就先预先定义。
[0026]投影函数1312与升降台控制函数1313协同运行，升降台控制函数1313先经控制传输接口 16传输升降台121高度的初始化指令，通过控制模块125的运行，将升降台121高度调整为工作平台124的手部支撑模块1242底部高度减去一单位厚度，作为升降台121的初始高度，其用意在于避免使用者利用手部支撑模块1242时，因手部支撑模块1242的平面运动而破坏创作物件。投影函数1312经投影传输接口 15，将多个分层模型自底层数起的第一个模型底面投影至升降台121，以形成物件第一层的分层影像32。之后以此方式循环，升降台控制函数1313以一次一单位厚度，将升降台121高度逐步往下调整，维持升降台121当下高度加上累积堆迭物件高度与工作平台124的手部支撑模块1242底部高度的间距为一单位厚度，而投影函数1312即依据升降台控制函数1313的高度参数，投射对应的分层影像32至升降台121。此外，控制设备13亦同步在其屏幕显示当下分层影像于整体立体模型的所在位置，并预先显示上一层的分层影像，让使用者了解当前分层至上一层的轮廓变化，以利创作，其中控制设备13可为笔记本电脑(NB ；NoteBook)或个人电脑(PC ；PersonalComputer)。
[0027]通过上述可知，本发明手工立体成型系统I整合投影设备11、立体成型设备12及控制设备13，通过分层投影功能及升降台121的高度调整，逐步引导使用者完成立体创作。于过程中，使用者甚至可自行调整材料打印布局，达成与原先立体模型不同的改良效果。例如在沙雕或食品艺术创作，使用者无须修改样板即可达成与原先立体模型样板部分不同的手工创作，此点是现行3D打印机所无法达成的自由创作效果。
[0028]有关手工立体成型方法请参阅图4，图4为本发明一实施方式的手工立体成型流程示意图，此概念包含前述手工立体成型系统I的操作方式，可一并参阅图1、2A、2B、3A、3B及其相关元件。手工立体成型辅助方法包括以下步骤:
[0029]步骤401:于控制设备13生成立体模型。控制设备13内包含辅助应用程序131，辅助应用程序131包含建模函数1311，建模函数1311具有数字建模功能，使用者除了套用或修改内建的立体模型样版外，亦可自行下载2D或3D图样利用数字建模功能转换产生立体模型。
[0030]步骤402:于控制设备13产生立体模型的多个分层影像。辅助应用程序131包含建模函数1311，建模函数除了具有数字建模功能外，亦具有切层功能，能将步骤401建立的立体模型依据用户的定义厚度或切层功能分析立体模型轮廓特征所产生的建议厚度，作为厚度单位进行切层处理，产生多个分层影像，并将此厚度单位设定为一单位厚度，作为后续升降台控制函数1313运行及升降升降台121高度的间距单位，此外单位厚度也可以是在分析立体模型轮廓前就先预先定义。
[0031]步骤403:控制设备13初始化升降台121高度。控制设备13内包含辅助应用程序131，辅助应用程序131包含升降台控制函数1313。升降台控制函数1313经控制传输接口 16传输升降台121高度的初始化指令，通过控制模块125的运行，将升降台121高度调整至离工作平台124的手部支撑模块1242底部有一单位厚度的间距，作为升降台121的初始高度，其用意在于避免使用者利用手部支撑模块1242时，因手部支撑模块1242的平面运动而破坏创作物件。
[0032]步骤404:控制设备13控制投影设备11，投射第一层分层影像32至升降台12。控制设备13内包含辅助应用程序131，辅助应用程序131包含投影函数1312。投影函数1312经投影传输接口 15，将多个分层模型自底层数起的第一个模型底面投影至升降台121，形成物件第一层的分层影像32。
[0033]步骤405:根据投射到升降台12的分层影像32以形成分层物件。使用者使用打印模块123中的喷笔1231，根据投射到升降台12的分层影像32，以手工绘制的方式形成立体分层物件；且使用者除了可以通过开关1232来控制材料量，也可以选择不同喷笔1231来涂布不同颜色的材料。
[0034]步骤406:控制设备13调整升降台121高度，并投射下一个分层影像32到升降台12。升降台控制函数1313调整升降台121高度时，每次皆调整一单位厚度的高度，以维持升降台121加上累积堆迭物件的高度，与工作平台124的手部支撑模块1242底部高度的间距为一单位厚度，而投影函数1312即依据升降台控制函数1313的高度参数，投射对应的分层影像32至升降台12。
[0035]步骤407:根据投射到升降台12的分层影像32，形成分层物件；形成过程同样是使用手工方式操作喷笔1231，新形成的分层物件会和既存的分层物件结合。
[0036]步骤408:控制设备13判断所投影的分层影像32是否为构成立体模型的最后一个分层影像32，若是，则发出信号示意投影结束，若否则重复步骤406。
[0037]此外，控制设备13亦同步在其屏幕显示当下分层影像32于整体立体模型的所在位置，并预先显示上一层的分层影像32，让使用者了解当前分层至上一层的轮廓变化，方便使用者进行手工创作。
[0038]本发明的手工立体成型方法及系统让使用者能亲身参与立体物件的形成，而非观看机器来形成一个物件，让使用者更有参与感。
[0039]本发明的手工立体成型方法及系统可应用于一些非以机器来形成立体物件的流程，例如食品制作的奶油雕花，以往这样的制作需要经验和技巧才能完成，本发明能降低这种制作过程的完成门槛。
[0040]虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求所界定者为准。
【权利要求】
1.一种手工立体成型系统，包括: 一立体成型设备，具有一升降台、一控制模块、一打印模块及一工作平台，其中该升降台位于该工作平台中央的一开口，该升降台与该控制模块电性连接，该打印模块设置在该工作平台上且可以在该开口的范围内进行任意的平面运动； 一投影设备，具有至少一个投影装置，用以将一分层影像投影至该升降台；以及 一控制设备，电性连接该投影设备和该立体成型设备，其中该控制模块接收该控制设备发出的一指令，用以调整该升降台的高度。
2.根据权利要求1所述的手工立体成型系统，其特征在于，该打印模块具有一个或一个以上的喷笔，该喷笔用以填充不同颜色的材料。
3.根据权利要求2所述的手工立体成型系统，其特征在于，每个该喷笔都具有一开关，该开关用于控制材料输出。
4.根据权利要求1所述的手工立体成型系统，其特征在于，更包括: 一手部支撑模块，可活动地设置于该工作平台的该开口。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的手工立体成型系统，其特征在于，该投影设备设置于该工作平台上方，通过从上到下的方式将该分层影像投影至该升降台。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的手工立体成型系统，其特征在于，该投影设备设置于该工作平台下方，通过多点近距投影的方式将该分层影像投影至该升降台。
7.一种手工立体成型方法，包括下列步骤: (a)建构一立体模型； (b)产生构成该立体模型的多个分层影像； (C)投射该些分层影像中的其中之一至一升降台； (d)根据投射的该分层影像，以手工方式形成一分层物件； (e)判断投射的该分层影像是否为构成该立体模型的该些分层影像中的最后一个，若是则结束投影，若否，则调整该升降台的高度，并重复步骤(c)-(e)。
8.根据权利要求7所述的手工立体成型方法，其特征在于，每一该些分层影像具有一单位厚度，该单位厚度可以是预先定义，或经由一切层功能分析该立体模型而产生。
9.根据权利要求8所述的手工立体成型方法，其特征在于，该升降台每次调整的高度都是该单位厚度。
10.根据权利要求7所述的手工立体成型方法，其特征在于，步骤(c)之前，还包括下列步骤: 将该升降台的高度初始化。
11.根据权利要求7所述的手工立体成型方法，其特征在于，该立体模型可以是2D图样或3D图样其中之一。
【文档编号】B22F3/115GK104494147SQ201410578908
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】李黎, 虞立, 蔡世光 申请人:英华达（上海）科技有限公司, 英华达(上海)电子有限公司, 英华达股份有限公司