一种一体式三维打印系统及其三维打印方法与流程

本发明涉及三维增材制造及互联网制造技术领域，特别是涉及一种一体式三维打印系统及其污水处理方法。

背景技术：

在三维增材制造领域中，通常的工作流程是：第一步，三维数字模型的获取，可以通过正向设计或者逆向工程实现，涉及的软件包括正向设计软件、逆向工程专用软件及数据处理软件；第二步，进行3d打印数据格式的转换，可以通过所用三维软件的输出/导出/另存功能实现stl、obj等文件的输出；第三步，对所输出的stl、obj文件等进行数据完整性等检查和修复，需要通过专用软件rpdata、magicsrp等来完成数据修复工作；第四步，进行打印前的支撑添加与编辑、打印工艺参数设定及分层打印数据输出，其中支撑添加与分层打印数据输出已经在rpdata、magicsrp、cura等软件中实现自动化，只有支撑的编辑需要人工根据具体模型的特例特征和积累的加工经验进行操作；第五步，用移动存储设备或者以太网络将输出完成的分层打印文件拷贝或传输，再应用设备自带的工艺控制软件对其进行加载和打印；第六步，打印完成后，根据三维打印工艺选择对应的后处理工艺对打印完成的制件进行操作，最终完成打印产品的交付。

在互联网制造或个性化定制领域中，当前的方式有客户自行设计和委托设计两种，有自行设计能力的客户在需要个性化定制时，通常通过网络或者存储介质将三维数据传输到三维打印服务企业进行数据处理和打印；委托设计的客户则需要将原始设计素材提供给设计服务企业，并通过双方不断的沟通来实现客户设计意图的三维数字化，然后再通过网络或者存储介质将三维数据传输到三维打印服务企业，进行后续的产品实现。

专利文献cn104191619公开的一种3d打印方法在计算机中将需要打印的模型建模；根据所需打印模型的尺寸，将底面直径小于或等于0.8mm且大于或等于0.4mm的圆柱体修改成高度等于圆柱体高度且长、宽均等于圆柱体底面直径的长方体；根据所构建的模型文件生成n个横截面；根据所生成的n个横截面逐层沉积原材料，每一个横截面层对应形成一个原材料层，依次从底层沿着z轴向上沉积横截面材料层，从而打印出所需的实物模型。该专利通过修改模型结构造型来获得自己需要的结构，但该专利需要在计算机、模型修改装置以及打印机上不断连接，且无法智能化、自动化地实现对模型的修改优化，缺乏对支撑的极限计算，因此，设计及打印效果有待提高，打印效率和安全保密性差。

专利文献cn105677264a公开的一种分布厢式三维打印系统包括：三维打印设备，其包括机箱和设置在机箱内的多个三维打印机；客户端装置，其为总机提供三维设计的订单；所述总机，其与所述多个三维打印机和所述客户端装置连通，用于根据来自所述客户端装置的订单来控制和监测所述多个三维打印机的运行。该专利根据来自所述客户端装置的订单来控制和监测所述多个三维打印机的运行，但该专利不包括对产品的设计，无法智能化、自动化地实现对模型的修改优化，无法对支撑的极限计算，无法进行设计及打印效果有待提高，打印效率和安全保密性差。

通过上述的三维打印工作流程、个性化定制过程以及现有技术，我们不难发下：

1、从设计到打印，中间需要进行不同的软件、计算机的转换，三维打印技术使用的便利性和安全性，移动存储在不同设备之间的接驳增加了网络病毒的传播途径，存在欠缺。

2、由于三维打印精准复制的特性和目前三维数据权益保护法规的欠缺，给设计者的权益造成一定的威胁。目前主要的数据保护方法还是双方书面的保密协议甚至是口头约定，也需要三维打印服务企业自觉遵守行业保密规则。

3、无法一体化进行设计、优化和打印三维产品，需要在计算机、模型修改装置以及打印机上不断连接。

4、无法智能化、自动化地实现对模型的修改优化，缺乏对支撑的极限计算。

5、设计及打印效果、打印效率和安全保密性有待提高。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明实施提供了一种无需在计算机、模型修改装置以及打印机上不断连接，可以设计、优化和打印一体化，能够智能化、自动化地实现对模型的修改优化，自动对支撑的极限计算的一体式三维打印系统及其三维打印方法，该系统和方法的设计及打印效果好，打印效率和安全保密性高，进一步地，该系统和方法通过分布式结构，进行互联网制造，例如通过远程控制模块进行远程控制以设计、优化和打印三维产品，以及通过计费模块进行互联网制造或个性化定制。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一方面，一种一体式三维打印系统包括数据处理设备和三维打印设备，所述数据处理设备包括：三维建模模块，其用于构建三维数字模型，支撑编辑模块，其用于对所述三维数字模型进行支撑添加及优化，所述支撑编辑模块包括数据库和调用所述数据库的支撑编辑单元，所述数据库包括极限性能数据和支撑添加数据，和分层模块，其用于对所述支撑编辑模块处理后的三维数字模型切片并生成关于所述切片的分层数据；所述三维打印设备包括机架、连接所述数据处理设备的三维打印控制模块、设在三维运动机构上的喷头和打印平台，其中，三维打印控制模块基于所述分层数据生成打印任务，并控制三维运动机构使得喷头在打印平台上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕，生成三维产品。

所述的一体式三维打印系统中，所述数据处理设备为触控计算机，所述触控计算机包括触控人机界面，所述触控人机界面链接调用所述三维建模模块、支撑编辑模块和/或分层模块。

所述的一体式三维打印系统中，所述三维建模模块包括扫描单元、mimics、creoparametric2.0、3d-max、autocad、pro/e、ug和/或solidworks三维建模单元，所述三维建模模块构建子模型以计算获得极限性能数据，其中，所述子模型包括“n”形、“t”形和/或“v”形模型，所述极限性能数据包括最大成型跨度、最大单边悬臂量、最小无支撑倾斜角度和/或最小特征尺寸，所述支撑编辑模块基于c++或qt+python平台，所述分层模块包括rpdata或cura分层单元。

所述的一体式三维打印系统中，所述三维打印控制模块包括基于mach3六轴无线运动控制卡。

所述的一体式三维打印系统中，所述三维运动机构包括机x轴滑块、驱动x轴滑块移动的x轴电机、y轴滑块、驱动y轴滑块移动的y轴电机、z轴滑块和驱动z轴滑块移动的z轴电机。

所述的一体式三维打印系统中，所述一体式三维打印系统为分布式架构，其包括无线通信模块、远程控制模块和具有人机界面的用户终端，用户终端经由远程控制模块远程控制所述打印系统。

所述的一体式三维打印系统中，所述一体式三维打印系统包括分时计费模块。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的一体式三维打印系统的三维打印方法包括以下步骤：

在第一步骤中，利用所述三维建模模块构建三维数字模型。

在第二步骤中，利用支撑编辑模块对所述三维数字模型支撑添加及优化。

在第三步骤中，利用分层模块对第二步骤处理后的三维数字模型切片并生成该切片的分层数据。

在第四步骤中，三维打印控制模块基于所述分层数据生成打印任务，控制三维运动机构移动使得喷头在打印平台上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕生成三维产品。

在所述的三维打印方法中，在第一步骤中，用户终端经由远程控制模块登陆所述打印系统，利用所述三维建模模块构建三维数字模型。

在所述的三维打印方法中，在第一步骤中，用户终端经由远程控制模块登陆所述打印系统，分时计费模块开始计时，利用所述三维建模模块构建三维数字模型。

在第四步骤中，三维打印控制模块基于所述分层数据生成打印任务，控制三维运动机构移动使得喷头在打印平台上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕生成三维产品，分时计费模块结束计时。

如上所述，在本发明中，通过功能模块集成设计和后台运行使得数据处理、支撑生成、打印文件输出一体化运行，实现一键打印，不需要设备的切换和数据的反复导出导入操作。本发明形成一套支撑生成区域规则和添加规则，使自动生成的支撑完全符合打印要求，提高了支撑编辑智能化和自动化，另外，本发明支持远程控制的互联网打印和分时计价服务。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一体式三维打印系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一体式三维打印系统的正视示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的一体式三维打印系统的结构示意图；

图4是根据本发明另一个实施例的一体式三维打印系统的后视示意图；

图5是根据本发明一个实施例的利用一体式三维打印系统的三维打印方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的一体式三维打印系统的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种一体式三维打印系统，一种一体式三维打印系统包括数据处理设备1和三维打印设备2，所述数据处理设备1包括：三维建模模块4，其用于构建三维数字模型，支撑编辑模块8，其用于对所述三维数字模型进行支撑添加及优化，所述支撑编辑模块8包括数据库和调用所述数据库的支撑编辑单元13，所述数据库包括极限性能数据和支撑添加数据，和分层模块9，其用于对所述支撑编辑模块8处理后的三维数字模型切片并生成关于所述切片的分层数据；所述三维打印设备2包括机架、连接所述数据处理设备1的三维打印控制模块3、设在三维运动机构10上的喷头11和打印平台12，其中，三维打印控制模块3基于所述分层数据生成打印任务，并控制三维运动机构10使得喷头11在打印平台12上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕，生成三维产品。

本发明的一体式三维打印系统的一个优选实施例中，所述数据处理设备1为触控计算机，所述触控计算机包括触控人机界面，所述触控人机界面链接调用所述三维建模模块4、支撑编辑模块8和/或分层模块9。

本发明的一体式三维打印系统的一个优选实施例中，所述三维建模模块4包括扫描单元、mimics、creoparametric2.0、3d-max、autocad、pro/e、ug和/或solidworks三维建模单元，所述三维建模模块4构建子模型以计算获得极限性能数据，其中，所述子模型包括“n”形、“t”形和/或“v”形模型，所述极限性能数据包括最大成型跨度、最大单边悬臂量、最小无支撑倾斜角度和/或最小特征尺寸，所述支撑编辑模块8基于c++或qt+python平台，所述分层模块9包括rpdata或cura分层单元。

本发明的一体式三维打印系统的一个优选实施例中，所述三维打印控制模块3包括基于mach3六轴无线运动控制卡。

本发明的一体式三维打印系统的一个优选实施例中，所述三维运动机构10包括机x轴滑块、驱动x轴滑块移动的x轴电机、y轴滑块、驱动y轴滑块移动的y轴电机、z轴滑块和驱动z轴滑块移动的z轴电机。

本发明的一体式三维打印系统的一个优选实施例中，所述数据处理设备1为移动便携式触控计算机。

图2为本发明的一个实施例的一体式三维打印系统的正视示意图，如图2所示，本发明的一体式三维打印系统通过引用如rpdata/cura等数据处理和支撑编辑程序的核心算法或引擎模块，在c++或qt+python编程平台，对积木建模、创意浮雕、3d打印模型库等应用模块进行人机界面重设计和动态链接库添加定义，保留并完善原有的三维设计功能，并使其支持触控操作，再通过调用rpdata/cura的核心算法或引擎模块，结合设备加工性能极限测试数据和专家系统，实现数据处理和支撑添加编辑的自动化后台处理。通过对数据处理及支撑生成核心算法进行打包或程序调用处理，例如对wndx系列创新教育系列三维设计进行二次开发设计，将数据处理和支撑生成的核心算法进行添加和人机界面功能按钮链接，实现在一体式三维打印系统中完成三维设计、数据处理和支撑生成、打印文件输出操作。本发明的一体式三维打印系统对不同工艺的三维打印设备进行极限性能工艺测试，在软件中建立“n”形、“t”形、“v”形等相应的子模型来测试包括最大成型跨度、最大单边悬臂量、最小无支撑倾斜角度、最小特征尺寸等，形成设备极限性能数据和支撑添加专家数据系统来优化支撑的生成，免除人工编辑，实现支撑添加与编辑自动化。在本发明中，将设计软件及其后台处理程序、三维打印机控制程序全部集成在移动便携式触控计算机中，实现本地控制的三维设计、打印一体化操作。本发明的一体式三维打印系统在3d打印设备的机架内安装基于mach3六轴无线运动控制卡和步进驱动器、步进电机等，配合安装集成在移动便携式触控计算机中的mach3运动控制程序，完成3d打印机x轴电机、y轴电机、z轴电机、送料电机等的无线运动控制。

图3是本发明的另一个实施例的一体式三维打印系统的结构示意图，如图3所示，一体式三维打印系统包括数据处理设备1和三维打印设备2，所述数据处理设备1包括：三维建模模块4，其用于构建三维数字模型，支撑编辑模块8，其用于对所述三维数字模型进行支撑添加及优化，所述支撑编辑模块8包括数据库和调用所述数据库的支撑编辑单元13，所述数据库包括极限性能数据和支撑添加数据，和分层模块9，其用于对所述支撑编辑模块8处理后的三维数字模型切片并生成关于所述切片的分层数据；所述三维打印设备2包括机架、连接所述数据处理设备1的三维打印控制模块3、设在三维运动机构10上的喷头11和打印平台12，其中，三维打印控制模块3基于所述分层数据生成打印任务，并控制三维运动机构10使得喷头11在打印平台12上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕，生成三维产品，所述一体式三维打印系统为分布式架构，其包括无线通信模块6、远程控制模块7和具有人机界面的用户终端，用户终端经由远程控制模块7远程控制所述打印系统。

在本发明的一体式三维打印系统中，所述一体式三维打印系统包括分时计费模块5。

图4是根据本发明另一个实施例的一体式三维打印系统的后视示意图，如图3所示，在本发明的一体式三维打印系统中,在三维打印设备2中安装如无线运动控制模块的三维打印控制模块3和如以太网络通讯模块的无线通信模块6，并配合该设备进行如工艺控制客户端的用户终端的开发，当客户有打印请求时，即可切换到远程控制模式，实现三维打印设备2的远程安全打印操作和按时租赁服务，避免用户的设计数据外泄。同时，该模式也为后续分布式制造生产的发展做响应的设备对接。

在本发明的一体式三维打印系统中，系统包括移动便携式触控计算机、嵌入后台数据处理和支撑添加功能的三维设计软件、支撑编辑专家系统、数据无线传输模块、3d打印机无线运动控制模块、远程网络控制及分时计费模块、3d打印设备。

本发明的一体式三维打印系统的一个优选实施例中，所述数据处理设备1为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga，所述数据处理设备1包括存储器，所述存储器可以包括一个或多个只读存储器rom、随机存取存储器ram、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器eeprom。在实施例中，存储器可以存储各种数据，如分层数据、数据库等。

本发明的一体式三维打印系统通过如安装无线路由器和连接控制程序的无线通信模块6，组建如无线运动控制卡的三维打印控制模块3、如移动便携式触控计算机的数据处理设备1、网络摄像头及外接远程控制网络基于该台3d打印机的局域网络，实现本地控制与远程控制的切换和按时计费、远程监控功能。

因此，本发明的一体式三维打印系统可实现互联网制造以及个性化定制，用户可以实际操作一体式三维打印系统进行设计、自动化智能化地优化以及打印三维产品，用户也可以经由如互联网的网络远程控制一体式三维打印系统进行设计、自动化智能化地优化以及打印三维产品，本发明的一体式三维打印系统可以让多个用户进行适用，例如通过授权、计费等方式。

进一步地，本发明的一体式三维打印系统为分布式结构，其可包括多个数据处理设备1和多个三维打印设备2，其中，多个数据处理设备1和多个三维打印设备2之间可多种连接，例如，多个数据处理设备1对应一个或多个三维打印设备2。这有利于提高打印效率。

进一步地，本发明的一体式三维打印系统可以是基于云端服务器的云结构，例如，数据处理设备1集成在云服务器上，云服务器控制多个三维打印设备2，用户终端通过云服务器进行登陆访问，进行设计、优化和打印三维产品。进一步地，云服务器还可以增加如支撑优化的应用服务模块，例如，增加专家咨询模块提供优化方案等。

图5是根据本发明一个实施例的利用一体式三维打印系统的三维打印方法的步骤示意图。一种利用所述的一体式三维打印系统的三维打印方法包括以下步骤：

在第一步骤s1中，利用所述三维建模模块1构建三维数字模型。

在第二步骤s2中，利用支撑编辑模块8对所述三维数字模型支撑添加及优化。

在第三步骤s3中，利用分层模块9对第二步骤s2处理后的三维数字模型切片并生成该切片的分层数据。

在第四步骤s4中，三维打印控制模块3基于所述分层数据生成打印任务，控制三维运动机构10移动使得喷头11在打印平台12上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕生成三维产品。

在所述的三维打印方法中，在第一步骤s1中，用户终端经由远程控制模块7登陆所述打印系统，利用所述三维建模模块4构建三维数字模型。

在所述的三维打印方法中，在第一步骤s1中，用户终端经由远程控制模块7登陆所述打印系统，分时计费模块5开始计时，利用所述三维建模模块4构建三维数字模型。

在第四步骤s4中，三维打印控制模块3基于所述分层数据生成打印任务，控制三维运动机构10移动使得喷头11在打印平台12上完成所述切片的打印任务，然后循环往复直到所有的分层加工完毕生成三维产品，分时计费模块5结束计时。

本发明通过进行数据处理、支撑添加、支撑编辑、数据无线传输、运动控制模块的嵌入，实现一体化三维设计与打印功能，并且由于无线网络的特性，设计时可以和打印设备保持相当的距离。通过3d打印机嵌入如无线路由器及和运动控制器组建的局域网络和外接远程控制网络、控制客户终端，实现异地的远程控制打印和计时收费，确保客户三维数据不外泄。整体实现便捷的三维设计和安全的3d打印功能。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。