一种提高材料利用率的方法与流程

本发明涉及3d打印机技术领域，尤其涉及一种提高材料利用率的方法。

背景技术：

3d打印，即快速成型技术的一种，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。3d打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(aec)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

目前主流的3d打印技术主要包括四种:光固化成型技术(sla)、三维粉末粘接技术(3dp)、选择性激光烧结技术(sls)以及熔融沉积快速成型技术(fdm)。其中，熔融沉积快速成型技术(fdm)又称熔丝沉积技术，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。工作时，先确定各层间距，计算机对三维电脑模型进行切片，生成路径，然后在计算机控制下喷头按路径移动出料，热熔材料粘接在工作台上或前一层已固化的层面上，每固化一层工作台下移一个层间距，如此反复逐层制作，直至最后一层，通过材料的层层堆积形成最终成品。

为了便于打印成品从工作台(即打印底板)上取下，热熔材料一般选用粘合度适中的材料，这就导致当打印产品的高度较高时，打印的产品底面与工作台接触部分容易发生翘起现象，进而导致打印头无法精准的根据预设轨迹继续进行打印，使得打印得到的产品无法达到预期要求。同时，fdm技术普遍存在一个问题，就是料丝在打印中必须不间断的供料，且fdm的成型时间普遍较长，如果打印的产品底面与工作台接触部分发生翘起现象，不仅会导致之前形成部分的模型报废，同时由于料丝仍在不断供料，造成材料的大量浪费(按照预期电脑模型，只有在打印完全结束时才会停止供料)。

技术实现要素：

针对现有技术存在问题，需要提供一种提高材料利用率的方法，用以解决现有的3d打印机在打印好的模型底面发生翘起现象时，无法停止打印头的料丝继续供料，导致材料浪费的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种提高材料利用率的方法，所述3d打印机包括透明打印底板、多个尺寸检测传感器、打印头、打印头定位系统、步进驱动器、控制系统；所述透明打印底板上设置有mxn个光侦测区域，每一光侦测区域内设置有一个光线传感器，所述光线传感器用于检测光侦测区域的亮度变化信息；所述多个尺寸检测传感器用于采集丝料截面的多个尺寸；所述方法包括以下步骤：

打印头定位系统检测当前打印头的坐标位置信息，所述坐标位置信息包括x坐标信息、y坐标信息、z坐标信息；所述x坐标和y坐标信息为打印头投影至透明打印底板的坐标信息，z坐标信息为打印头相对于透明打印底板的高度信息；

控制系统在判定连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的尺寸检测传感器采集到的丝料的截面的尺寸变化符合预设尺寸变化规则后，开启光侦测区域内的光线传感器；

光线传感器在检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值时，发送光线变化信号至控制系统；

控制系统接收光线传感器传输的光线变化信号，通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料。

进一步地，所述丝料截面的多个尺寸包括第一尺寸和第二尺寸，所述第一尺寸大于第二尺寸；所述n的数量为3；所述方法包括步骤：

控制系统在判定尺寸检测传感器采集到的连续变化的3个z坐标信息下，打印头对应的丝料截面尺寸依次为第一尺寸、第一尺寸、第二尺寸时，开启光侦测区域内的光线传感器。

进一步地，所述方法包括步骤：

控制系统判断已传输光线变化信号至控制系统的光线传感器的数量是否超过预设数量，若是则通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料，否则通过步进驱动器控制打印头继续移动和出料。

进一步地，所述方法还包括步骤：

控制系统通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料时，发出提示信息。

发明人还提供了一种提高材料利用率的方法，所述3d打印机包括透明打印底板、打印头、打印头定位系统、步进驱动器、控制系统；所述透明打印底板上设置有mxn个光侦测区域，每一光侦测区域内设置有一个光线传感器，所述光线传感器用于检测光侦测区域的亮度变化信息；所述方法包括以下步骤：

控制系统控制透明打印底板的所有光侦测区域下方的光线传感器处于开启状态；

打印头定位系统检测当前打印头的坐标位置信息，所述坐标位置信息包括x坐标信息、y坐标信息、z坐标信息；所述x坐标和y坐标信息为打印头投影至透明打印底板的坐标信息，z坐标信息为打印头相对于透明打印底板的高度信息；

控制系统在判定连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的所有光侦测区域的亮度变化信息符合预设亮度变化规则后，执行以下步骤：

光线传感器在检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值时，发送光线变化信号至控制系统；

控制系统接收光线传感器传输的光线变化信号，通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料。

进一步地，所述n的数量为3，mxn个光侦测区域包括第一光侦测阵列区域和第二光侦测阵列区域；所述方法包括步骤：

控制系统在判定连续变化的3个z坐标信息下，光侦测区域的亮度变化信息按照“第一光侦测阵列区域的亮度值低于预设暗部亮度值、第二光侦测阵列区域的亮度值低于预设暗部亮度值、除第一光侦测阵列区域和第二光侦测阵列区域之外的所有光侦测区域的亮度值均低于预设暗部亮度值”的预设亮度变化规则变化时，开启光侦测区域内的光线传感器。

进一步地，所述方法包括步骤：

控制系统判断已传输光线变化信号至控制系统的光线传感器的数量是否超过预设数量，若是则通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料，否则通过步进驱动器控制打印头继续移动和出料。

进一步地，所述方法还包括步骤：

控制系统通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料时，发出提示信息。

区别于现有技术，上述方案所述的提高材料利用率的方法，所述方法应用于具有透明打印底板的3d打印机，所述透明打印底板上设置有mxn个光侦测区域，每一光侦测区域内设置有一个光线传感器，所述光线传感器用于检测光侦测区域的亮度变化信息。所述方法通过判断连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的所有光侦测区域的亮度变化信息是否符合预设亮度变化规则，或者通过判断连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的所有光侦测区域的亮度变化信息是否符合预设亮度变化规则，来确定当前打印模型的底部基面是否打印完成，并在确定打印模型的底部基面打印完成时，通过光线传感器来检测光侦测区域内的亮度值是否超过预设亮度值。若检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值，说明打印模型的底部基面相对于3d打印机的打印底板有发生翘边现象，光线传感器将发送光线变化信号至控制系统。控制系统接收光线传感器传输的光线变化信号，通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料，从而达到节省材料的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例涉及的提高材料利用率的方法的流程图；

图2为本发明另一实施例涉及的提高材料利用率的方法的流程图；

图3为本发明一实施例涉及的打印模型的底部基面的示意图；

图4为本发明一实施例涉及的3d打印机的打印底板的示意图；

图5为本发明一实施例涉及的3d打印机应用过程的打印底板示意图；

附图标记说明：

101、打印底板；102、光线传感器；103、光侦测区域；104、打印模型底面；

201、第一料丝；202、第二料丝。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图4，为本发明一实施例涉及的3d打印机的打印底板的示意图。所述3d打印机包括透明打印底板101、多个尺寸检测传感器、打印头、打印头定位系统、步进驱动器、控制系统；所述透明打印底板上设置有mxn个光侦测区域103，每一光侦测区域103内设置有一个光线传感器102，所述光线传感器102用于检测光侦测区域的亮度变化信息；所述多个尺寸检测传感器用于采集丝料截面的多个尺寸。将打印底板设计成透明，有利于在光侦测区域内亮度发送变化时，光线传感器可以及时进行捕捉。光侦测区域的大小和密度可以根据实际需要进行调整。

请参阅图1，为本发明一实施例涉及的提高材料利用率的方法的流程图。所述方法包括以下步骤：

首先进入步骤s101打印头定位系统检测当前打印头的坐标位置信息。所述坐标位置信息包括x坐标信息、y坐标信息、z坐标信息；所述x坐标和y坐标信息为打印头投影至透明打印底板的坐标信息，z坐标信息为打印头相对于透明打印底板的高度信息。

而后进入步骤s102控制系统在判定连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的尺寸检测传感器采集到的丝料的截面的尺寸变化符合预设尺寸变化规则后，开启光侦测区域内的光线传感器。

而后进入步骤s103光线传感器在检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值时，发送光线变化信号至控制系统。

而后进入步骤s104控制系统接收光线传感器传输的光线变化信号，通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料。

简言之，控制系统在判定连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的尺寸检测传感器采集到的丝料的截面的尺寸变化符合预设尺寸变化规则，说明当前打印模型的底部基面(相当于打印模型的基座，模型在基座上开始进入正式打印)已打印完成，因而开启光侦测区域内的光线传感器。若检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值，说明原本被料丝盖住的那部分光侦测区域发生了翘边现象(即3d打印机的打印底板上原本被打印模型的底部基面的料丝盖住的光侦测区域，因为被料丝盖住，所以盖住部分的光侦测区域的亮度值相对于未盖住部分的要来得暗，如果盖住的部分重新由暗变亮说明发生翘边现象)。当检测到打印模型的底部基面发生翘边现象时，控制系统将控制打印头停止继续出料(具体则是可以通过步进驱动器控制挤出机电机来实现)，从而达到节省材料的目的。

目前，3d打印机的底板丝(即打印模型的底部基面)一般为三层，且三层丝料截面尺寸自下而上遵循“粗、粗、细”的变化规则。因而在某些实施例中，所述丝料截面的多个尺寸包括第一尺寸和第二尺寸，所述第一尺寸大于第二尺寸；所述n的数量为3；所述方法包括步骤：控制系统在判定尺寸检测传感器采集到的连续变化的3个z坐标信息下，打印头对应的丝料截面尺寸依次为第一尺寸、第一尺寸、第二尺寸时，开启光侦测区域内的光线传感器。简言之，通过判断连续3层(即z坐标信息连续变化三次)的丝料截面尺寸是否符合“粗、粗、细”的变化规则，来确定当前底板丝是否打印完成，并在判定底板丝打印完成后，开启光电传感器。上述方案可以更好地明确光线传感器开始检测光线变化的时机，使得对于光侦测区域的亮度检测有序进行。

在实际应用过程中，当光侦测区域的密度较大时，如果打印模型的底部基面只是微微翘起，并不会影响到上方模型的整体打印，反之，如果模型的底部基面已经明显翘起，继续打印则很可能导致整个打印模型报废，综合考虑这两者情况，在某些实施例中，所述控制系统还用于判断已传输光线变化信号至控制系统的光线传感器的数量是否超过预设数量，若是则通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料，否则通过步进驱动器控制打印头继续移动和出料。简言之，发出光线变化信号说明某一光侦测区域下方的光线传感器，检测到覆盖在该光侦测区域的模型的底部基面的一部分发生翘起，而如果传输光线变化信号的光线传感器数量超过预设数量，则说明此时模型的底部基面已经有很大一部分相当于打印底板而言发生了翘起，需要立刻终止打印头继续出料打印，以免造成料丝的大量损失，因而控制系统将通过步进驱动器控制挤出机电机停止工作。

在某些实施例中，所述方法还包括步骤：控制系统通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料时，发出提示信息。所述提示信息包括语音提示信息、图像提示信息、视频提示信息、光线提示信息等。通过提示信息可以告知用户当前模型的底面发生了翘边现象，为了避免继续浪费料丝，打印机已停止继续出料，以便用户采取措施进行解决。例如用户可以将之前形成部分的报废模型移除出打印底板，再重新设置开启新一轮的打印操作。

请参阅图2，为本发明另一实施例涉及的提高材料利用率的方法的流程图。所述3d打印机包括透明打印底板、打印头、打印头定位系统、步进驱动器、控制系统；所述透明打印底板上设置有mxn个光侦测区域，每一光侦测区域内设置有一个光线传感器，所述光线传感器用于检测光侦测区域的亮度变化信息；所述方法包括以下步骤：

首先进入步骤s201控制系统控制透明打印底板的所有光侦测区域下方的光线传感器处于开启状态；

而后进入步骤s202打印头定位系统检测当前打印头的坐标位置信息，所述坐标位置信息包括x坐标信息、y坐标信息、z坐标信息；所述x坐标和y坐标信息为打印头投影至透明打印底板的坐标信息，z坐标信息为打印头相对于透明打印底板的高度信息；

而后进入步骤s203控制系统判断连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的所有光侦测区域的亮度变化信息是否符合预设亮度变化规则，若是则执行以下步骤：

而后进入步骤s204光线传感器在检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值时，发送光线变化信号至控制系统；

而后进入步骤s205控制系统接收光线传感器传输的光线变化信号，通过步进驱动器控制打印头停止移动和出料。

简言之，控制系统在判定连续变化的n个z坐标信息下，每一z坐标信息对应的所有光侦测区域的亮度变化信息符合预设亮度变化规则，说明当前打印模型的底部基面(相当于打印模型的基座，模型在基座上开始进入正式打印)已打印完成，因而可以执行后续步骤：具体为若光电传感器再次检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值，说明原本被料丝盖住的那部分光侦测区域发生了翘边现象(即3d打印机的打印底板上原本被打印模型的底部基面的料丝盖住的光侦测区域，因为被料丝盖住，所以盖住部分的光侦测区域的亮度值相对于未盖住部分的要来得暗，如果盖住的部分重新由暗变亮说明发生翘边现象)。当检测到打印模型的底部基面发生翘边现象时，控制系统将控制打印头停止继续出料(具体则是可以通过步进驱动器控制挤出机电机来实现)，从而达到节省材料的目的。

目前，3d打印机的底板丝(即打印模型的底部基面)一般为三层，且三层丝料截面尺寸自下而上遵循“粗、粗、细”的变化规则。因而在某些实施例中，所述n的数量为3，mxn个光侦测区域包括第一光侦测阵列区域和第二光侦测阵列区域；所述方法包括步骤：控制系统在判定连续变化的3个z坐标信息下，光侦测区域的亮度变化信息按照“第一光侦测阵列区域的亮度值低于预设暗部亮度值、第二光侦测阵列区域的亮度值低于预设暗部亮度值、除第一光侦测阵列区域和第二光侦测阵列区域之外的所有光侦测区域的亮度值均低于预设暗部亮度值”的预设亮度变化规则变化时，判定打印模型的底部基面打印完成。

如图3所示，打印底板101上设置有6x10个光侦测区域(即m为6，n为10)，假设z坐标信息的步进为1，即相邻两层之间的z坐标信息相差1,。3d打印机开始工作后，先在z坐标信息为0的x-y平面内采用截面为第一尺寸的料丝(即图中黑色填充部分，记为第一料丝201)进行打印，将覆盖有截面为第一尺寸的料丝的光侦测区域记为第一光侦测阵列区域，即图中的1、3、5、7、9五列光侦测区域。而后3d打印机的控制系统调整打印头的z坐标信息，并在z坐标信息为1的x-y平面内继续采用截面为第一尺寸的料丝(即图中阴影填充部分，记为第二料丝202)进行打印，将此时x-y屏幕内覆盖有截面为第一尺寸的料丝的光侦测区域记为第二光侦测阵列区域，即图中的1、3、5三行光侦测区域。而后3d打印机的控制系统调整打印头的z坐标信息，并在z坐标信息为2的x-y平面内采用截面为第二尺寸的料丝(图中未标出)，对所有光侦测区域进行填充，从而形成“粗、粗、细”三层底板丝，表示打印模型的底部基面完成，而后可以在底板丝上正式开始模型具体结构的打印。基于这一特点，对于光线传感器而言，其将侦测到连续3层光侦测区域的亮度变化信息按照“第一光侦测阵列区域的亮度值低于预设暗部亮度值、第二光侦测阵列区域的亮度值低于预设暗部亮度值、除第一光侦测阵列区域和第二光侦测阵列区域之外的所有光侦测区域的亮度值均低于预设暗部亮度值”的预设亮度变化规则进行变化时，判定打印模型的底部基面打印完成。而后可以开始底部基面是否发生翘边的判断，判断方式如前所述，此处不再赘述。

发明人还提供了一种3d打印机，包括透明打印底板101，所述透明打印底板101上设置有mxn个光侦测区域103，每一光侦测区域103内设置有一个光线传感器102。将打印底板设计成透明，有利于在光侦测区域内亮度发送变化时，光线传感器可以及时进行捕捉。光侦测区域的大小和密度可以根据实际需要进行调整。

所述3d打印机还包括：

打印头，设置于透明打印底板上方，用于将丝材馈送到加热器的挤出机电机，所述挤出机电机为步进电机。打印头通常包括挤出机，挤出机包括具有输出齿轮的挤出机电机，输出齿轮与打印材料的丝材接合并且将丝材向前驱动到加热单元中。挤出机电机可以是任何合适类型的电机，例如由步进驱动器控制的步进电机。加热单元用于使丝材融化，加热后的丝材可以通过打印头的喷嘴进行输出，而后开始进行逐层打印。

打印头定位系统，用于获取打印头的坐标位置信息，所述坐标位置信息包括x坐标信息、y坐标信息、z坐标信息；所述x坐标和y坐标信息为打印头投影至透明打印底板的坐标信息，z坐标信息为打印头相对于透明打印底板的高度信息。3d打印机在打印过程是基于切片进行的，由计算机根据三维电脑模型确定每一片的路径，即每一片预设的坐标变化信息。在实际应用过程中，打印头的坐标位置信息随着打印头的移动而不断变化，因而打印头定位系统会实时将当前打印头的坐标位置信息反馈至控制系统，以便控制系统获知当前模型的打印进度，以及当前打印头的坐标位置信息。

步进驱动器，其连接至所述挤出机电机并且能够控制所述挤出机电机的操作。控制系统用于根据打印头定位系统传输的坐标位置信息的变化，以及光线传感器传输的光线变化信号，来控制所述步进驱动器的操作。

简言之，控制系统可以根据打印头定位系统传输的坐标位置信息，确定打印模型的底面信息，同时在打印过程中，可以根据光线传感器传输的光线变化信号，判断当前打印模型的底面是否有发生翘边现象。光线传感器检测到原本低于预设亮度值的光侦测区域的亮度变得高于预设亮度值时，说明原本被料丝盖住的那部分光侦测区域(即打印模型的底面，因为被料丝盖住，所以盖住部分的光侦测区域检测到的亮度值相对于未盖住的要来得暗)发生了翘边现象。当检测到打印模型的底面发生翘边现象时，控制系统将控制打印头停止继续出料(具体则是可以通过步进驱动器控制挤出机电机来实现)，从而达到节省材料的目的。

为了节约功耗，也为了更好地确定光线传感器开始检测光线变化的时机，在某些实施例中，所述控制系统包括传感器控制电路，所述传感器控制电路用于在接收到打印头定位系统发出的z坐标信息变化信号后，开启光侦测区域内的光线传感器；所述z坐标信息变化信号为打印头从透明打印底部位置开始、首次z坐标信息发生变化时产生的信号。3d打印机的打印过程是逐层进行打印，即打印头先在x-y平面内移动完成该平面内的打印操作，再调整打印头z坐标信息，并在调整的z坐标信息所在的x-y平面内继续进行打印，周而复始，直至模型最终打印完成。基于3d打印机的这一特点，可以将打印头从透明打印底部位置开始、首次z坐标信息发生变化时产生的信号作为需要打印的模型的底面打印完成的标志。传感器控制电路在需要打印的模型的底面打印完成后，开启光侦测区域下方的光线传感器，进而通过光线传感器是否检测到光侦测区域的亮度值由暗变亮，来判断要打印的模型的底面是否发生翘边现象。通过上述方案，可以很好地确定光线传感器开始检测光线变化的时机，使得在模型底面打印完成后才开始进行是否翘边的检测，一方面不容易发生误判，另一方面也节省了功耗。

为了进一步降低功耗，在某些实施例中，所述控制系统还包括主控制器，所述主控制器用于在传感器控制电路用于在接收到打印头定位系统发出的z坐标信息变化信号时，根据打印头在透明打印底板的移动轨迹，得到打印模型底面信息，以及通过传感器控制电路开启打印模型底面信息所在的光侦测区域内的光线传感器；所述打印模型底面信息根据打印头在透明打印底板的x坐标信息变化情况以及y坐标信息变化情况确定。简言之，当模型的底面确定后，其实只需要开启模型的底面所覆盖到的光侦测区域下方的光线传感器即可。对于模型的底面未覆盖到的光侦测区域下方的光线传感器，可以选择不开启，从而达到节省功耗的目的。例如图2中的打印模型底面201为阴影部分的三角形，则传感器控制电路只需开启该三角形所覆盖的光侦测区域下方的光线传感器即可。

在某些实施例中，所述光线传感器用于在检测到光侦测区域内的亮度值超过预设亮度值时，发送光线变化信号至控制系统。控制系统用于光线传感器传输的光线变化信号，来控制所述步进驱动器的操作包括：控制系统用于在光线传感器传输的光线变化信号，通过步进驱动器控制挤出机电机停止工作。优选的，所述3d打印机还包括提示单元，控制系统还用于在通过步进驱动器控制挤出机电机停止工作，通过所述提示单元发出提示信息。所述提示信息包括语音提示信息、图像提示信息、视频提示信息、光线提示信息等。通过提示信息可以告知用户当前模型的底面发生了翘边现象，为了避免继续浪费料丝，打印机已停止继续出料，以便用户采取措施进行解决。例如用户可以将之前形成部分的报废模型移除出打印底板，再重新设置开启新一轮的打印操作。

在实际应用过程中，当光侦测区域的密度较大时，如果模型的底面只是微微翘起，并不会影响到上方模型的整体打印，反之，如果模型的底面已经明显翘起，继续打印则很可能导致整个打印模型报废，考虑到这两者情况，在某些实施例中，所述控制系统还用于判断传输光线变化信号的光线传感器数量是否超过预设数量，若是则通过步进驱动器控制挤出机电机停止工作，否则不步进驱动器控制挤出机电机停止工作。简言之，发出光线变化信号说明某一光侦测区域下方的光线传感器，检测到覆盖在该光侦测区域的模型底面的一部分发生翘起，而如果传输光线变化信号的光线传感器数量是否超过预设数量，则说明此时模型的底面已经有很大一部分发生了翘起，需要立刻终止打印头继续出料打印，以免造成料丝的大量损失，因而将通过步进驱动器控制挤出机电机停止工作。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的实施例，本领域内的技术人员一旦知悉本发明的基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。