立体视觉监视的高强度多方向FDM3D打印方法与流程

本申请涉及智能控制及计算机视觉的相关技术，研究立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印机及打印方法。具体涉及多方向fdm3d打印硬件平台搭建，立体视觉检测，激光加热增强模型各部分之间的连接强度等，从而在保证打印精度的前提下，尽可能减少外界支撑结构的使用，并且使模型各个部分之间能很好地连接，增强模型的整体性。

背景技术：

近年来，3d打印发展迅速，但因为材料成本过高而打印精度低等问题，3d打印在实际应用中受到了限制。

传统的fdm3d打印机只能沿着单一的方向进行打印，为了解决这一问题，许多专家致力于研究多方向fdm3d打印机，但大多数的多方向fdm3d打印机采取先分割、后打印的方式进行，其打印方式将模型分为若干部分分别打印，因为后一部分在前一部分打印完成后，需重新定位进行逐层打印，这就对定位精度提出了高要求，此外，后一部分打印与前一部分打印方向不一致，且先打印出的、支撑待打印部分的模型在打印当前待打印部分时已经冷却，两部分连接处存在接缝，破坏了模型的整体性。因此，研究立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印意义重大。

技术实现要素：

本发明实施例将提供出一整套立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印机设计及打印方法，利用立体视觉系统对打印位置进行定位、利用co2激光器对各部分之间的连接处加热，从而增强层间强度以保证模型的整体性。具体流程包括以下步骤：

1.立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

100、多方向打印

将模型按照无支撑打印的原则分成多个部分，每个部分打印方向不同，且后打印的部分靠先打印的部分以及打印平台支撑，每打印完成一个部分，需要将已打印出的部分旋转，从而改变打印方向；

将已打印部分与待打印部分的连接处称为截面；

200、立体视觉监视

利用三维扫描仪，对模型已打印完成的部分上、与待打印部分连接处的截面进行扫描，计算扫描得到的截面中心位置与模型截面中心位置的误差，并实时校正检测出的误差，使得其达到打印精度要求；

300、对待打印部分的前n层使用co2激光器进行加热；激光头固定在打印头一侧，若为两个激光头，则分别固定在左右两侧，激光头跟随打印头运动，激光头所打出的光斑直径为r，打印挤出头正好位于激光光斑的圆心位置，激光加热温度是打印材料的玻璃化温度，目的是使与待打印部分连接处处于玻璃态，从而增强层间的连接强度，n的取值使得各部分之间的连接面能承受大于1400n的拉力即可。激光加热温度是打印材料的玻璃化温度(tg)，目的是使与待打印部分连接处处于玻璃态(分子链和链段都不能运动，只是构成分子的原子或基团在其平衡位置作振动)，从而增强层间的连接强度，使每一部分之间的接缝不明显甚至消失。

所用机械设备除了多轴的打印系统之外，还配合有立体视觉系统、co2激光加热系统配合工作。

其中在步骤100中，打印是一个较长的过程，本专利每次打印完成一个部分，都对已打印完成的部分进行旋转，使打印方向适合于待打印部分，即已打印出的模型部分可以充分支撑待打印部分。此发明专利中，将已打印部分与待打印部分的连接处称为截面或连接面。

步骤200和步骤300是对打印产品质量提升的方法。

在步骤200中，三维扫描仪位置在打印开始前需固定好，使打印平台位于扫描仪视野中心，以保证扫描仪坐标系与世界坐标系的转换关系固定不变。

每次旋转结束后，三维扫描仪会扫描到其视野范围内的所有点的坐标信息，本专利提出两种解决方法，第一种是直接利用geomagicquality软件进行手动筛选，这种方法速度快但是需要人工干预；第二种方法是根据计算出的理想位置的高度信息进行筛选，再将筛选出的点进行聚类，从而得到截面上的点云数据，这种方法虽然计算量较大，但是可以做到全自动完成。

步骤300包括：只对截面部分进行加热。打印第一部分时由打印平台支撑，打印其他部分时由已打印出的部分支撑，此时会有已打印部分和待打印部分的截面，对待打印部分的前n层进行加热，前预热后熔平的方式增强截面的层间强度，从而增强模型的整体性。

在步骤300中，需选用co2激光器进行加热，因为co2激光器具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性，且co2激光器输出功率高，能达到加热至400℃以上的要求，在实际操作过程中温度可选。

fdm打印机所用材料通常为pla或abs，本专利将激光器的加热温度设置为打印材料的玻璃化温度，高聚物在玻璃态时，呈刚性，与外力作用形变很小，利用分子扩散增强层间连接强度。pla的玻璃化温度为55-60℃，abs的玻璃化温度为90-100℃。

本发明实施例的基于立体视觉的多方向高强度3d打印机及打印方法具有如下优点：

1)高精度，使用三维扫描仪进行立体视觉测量并矫正旋转误差，扫描精度为0.05mm，远远优于fdm3d打印的精度。

2)保证模型的整体性。提出多方向3d打印的激光加热，增强了模型各部分之间的连接强度，保证模型的整体性。

3)多方向3d打印本身具有节省支撑结构的优点，本发明将这个优点放大，在保证打印精度、保证模型整体性的情况下，进行多方向打印。

附图说明：

图1立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印机

图2立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印流程图

图3基于视觉的旋转结果检测与矫正流程图

图4标志点位置示意图

图5双激光加热示意图

图6单激光加热示意图

具体实施方式：

下文将结合附图对本申请的实施例进行详细说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的多方向3d打印、立体视觉检测以及激光加热增强层间强度适用于所有的三维模型。

图1所示为立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印机，其结构包括，五轴机械装置：1.x轴，2.y轴，3.z轴，4.a轴，5.b轴；打印及激光加热装置：6.打印平台，7.配有激光加热装置的打印挤出头(其结构详见图5和图6所示)，9.激光器；立体视觉检测装置：8.三维扫描仪。

其中五轴装置主要用于完成打印路径，可联动；打印及激光加热装置用于挤出打印材料，并加热挤出头周边区域，增强打印的层间强度；立体视觉监视装置用于检测各部分截面的水平度，若截面没有旋转到水平位置，给出实时反馈修正。

本申请提出了一整套立体视觉监视的高强度多方向fdm3d打印机及打印方法，具体包括如下步骤：

步骤100、多方向打印

步骤200、立体视觉检测

步骤300、激光加热增强层间强度

需要指出，步骤100的多方向打印已经有许多研究专利，此处只作为步骤进行阐述，不做详细说明。

在本发明实施例步骤200中利用双目的三维扫描仪，只扫描一次，即可得到截面上所有点的深度信息

可选的，所述步骤100包括下述子步骤：

子步骤110、模型分割。针对模型可打印性，将模型分为可自支撑打印的多个部分。

子步骤120、路径规划。将分好的模型进行分析，确定打印顺序以及转轴旋转角度。

子步骤130、将模型的每一部分分别切片。分解出机器的运动路径。不变的，每一部分还是按照传统的fdm打印方法分层进行打印。本专利中每层的高度设置为0.2mm。

子步骤140、分部分进行打印。除了第一部分以外，其余部分均由已打印部分支撑，因此在打印除第一部分之外的其他部分时，需要执行步骤300的激光加热操作。每打印完一个部分，控制平台按子步骤120计算得到的角度进行旋转，然后执行步骤200的视觉检测操作。如图2所示。

进一步的，步骤200包括下述子步骤：

子步骤210、三维扫描仪标定。标定的目的是为了得到三维世界中物体点的三维坐标和图像上对应点坐标的三维关系。扫描仪定标的精度越高系统扫描精度也就越高。本发明实施例中，三维扫描设备精度为：0.05mm。此标定步骤在打印开始前进行，打印过程中，三维扫描仪位置不变，因此标定所得的世界坐标你关系不变。

子步骤220、扫描仪坐标系与世界坐标系的转换。根据一种可行实施方式，打印开始之前，将打印平台调到适合第一个模块打印的水平位置。在打印平台上贴标志点，如图3所示。打印平台所在的平面由点o、a、b来确定，其中点o为世界坐标系下原点所在的位置，o→a表示x方向，o→b表示y方向。通过扫描，可以轻松得到三个标志点在扫描仪中的坐标信息。

子步骤230、截面水平度检测。由模型计算得到旋转后的中心点c坐标为(xc,yc,zc)，分析模型截面形状，得到截面的最小包围矩形框(boundingbox)，记矩形框大小为x*y。分析世界坐标系下的点云数据，因电机丢步、串口通信等造成的误差不可能超过10°，本专利将纵坐标在10°误差范围内的点全部筛选出来，即将纵坐标满足条件的点记录下来。

对这些筛选出的点进行聚类：将点投影到平面上，根据点到点的距离关系，使用k-means聚类算法将距离近的点聚为一类，点数最多的一类即为截面对应的点云数据，筛选出截面上的点后，用线性回归法将离散的点拟合成平面，即为截面所在的平面，从而求出截面法向量，若截面法向量与竖直向上的向量夹角大于阈值(本专利选定为0.5°)，则进行误差校正，否则继续打印。

需要指出，在本发明实施例中，用k-means算法将距离小于0.1mm的点聚为一类，因此可以选择出所有距离小于0.1mm的连通区域，分类数为m，比较每一类中点的数量，筛选出点数最多的那一类即为截面上的点。

子步骤240、误差校正。五轴机械系统的b转轴固定在a转轴的上方，所以当a轴转动后，b轴的位置也会发生变化，视觉检测计算矫正角度的时候，根据截面法向量和旋转轴的关系，计算出旋转轴的当前位置，以旋转轴为坐标轴建立空间直角坐标系，然后求出截面法向量和竖直向上的向量在新的坐标系下的坐标，然后将旋转角度分解到新的坐标轴，计算出矫正角度。

所述步骤300包括：

根据一种可行实施方式，参照图5，对除第一部分之外的其他部分的前5层进行加热，本专利中设置每一层的厚度为0.2mm，其中加热温度为材料的玻璃态温度，图5中1为打印挤出头，2、3为激光路径，4为模型已打印的部分。

需要指出，因连续单方向打印层间连接强度能承受1500n的拉力，后面提到的增强层间强度的预期效果为：各部分之间的连接面能承受大于1400n的拉力。

需要指出，如图5所示，本发明所述激光加热在打印方向的前后同时进行加热，达到前预热后熔平的效果，此时激光束的半径(r)小于5mm，加热温度为打印材料的玻璃态温度。

需要指出，若增大激光束的照射范围，使打印头为中心的激光束照射加热区域增大，因为激光器的功率一定，当增大加热面积，平均温度就会降低。

本发明实施例中指定r大于5mm，可以只使用一个激光头进行加热操作，如图6所示，其中1为打印挤出头，2为激光路径，3为模型已打印的部分。当同时满足：激光半径大于5mm，激光束加热温度为打印材料的玻璃态温度这两个条件时，也可以使打印头周边区域的温度升高，达到增强层间连接强度的预期效果。

需要指出，本发明取n＝5是为了保证增强模型各部分之间连接强度的效果，但若n取其他值仍能达到连接强度要求，亦可以对n的值进行调整。

本发明实施例的基于立体视觉的多方向高强度3d打印机及打印方法具有如下优点：

1)高精度，使用三维扫描仪进行立体视觉测量并矫正旋转误差，扫描精度为0.05mm，远远优于fdm3d打印的精度。

2)保证模型的整体性。提出多方向3d打印的激光加热，增强了模型各部分之间的连接强度，保证模型的整体性。

3)多方向3d打印本身具有节省支撑结构的优点，本发明将这个优点放大，在保证打印精度、保证模型整体性的情况下，进行多方向打印。