[發明專利]一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印系統及方法

有效

• 申請號: 201810117884.7
• 申請日: 2018-02-06
• 公開（公告）號: CN108381916B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 連芩;李滌塵;顧恒;李曉;何曉寧;焦天
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B29C64/20
• 分類號: B29C64/20;B29C64/227;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印系統及方法。該系統由圖像識別系統、運動控制系統和數據處理系統三部分組成。其中，圖像識別系統包括光源和數字攝像頭，實現缺損部位圖像實時采集以及捕獲打印打印頭當前位置。運動控制系統包括多自由度機械臂和打印頭，機械臂可安裝在使打印頭能被識別的任意位置，打印頭安裝在多自由度機械臂末端。數據處理系統實現圖像識別系統和運動控制系統之間的數據實時轉換、打印頭自動對準、路徑特征點提取和打印控制。該系統可以快速識別形貌各異的缺損部位，同步控制打印過程，實現邊識邊打印，包括但不限于實時修復缺損組織和機械零件加工得到應用。

技術領域

本發明屬于機械制造中增材制造技術領域，具體涉及一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印系統及方法。

背景技術

近年來，3D打印技術迅速發展，在汽車、航空航天、醫藥和生物研究領域扮演越來越重要的角色，出現了種類繁多的3D打印機。

以現有生物醫學領域的應用為例，在外科修復中，現有3D打印技術主要用于定制化手術模型和個性化種植體制作，現有的流程是對缺損部位的形貌特征進行完整的提取，在計算機中建立完整的三維模型后對其進行分層處理，然后再控制生物打印機進行逐層打印，這一過程顯著的缺點手術周期長。從缺損部位獲取完整的三維模型需要耗費大量的時間；3D打印模型制作周期也很長，一般在數月之內；對于需要馬上進行缺損部位處理，如動物皮膚擦傷等情況，現有的3D打印方法和設備無能為力。

此外，現有3D打印設備的一般采用機床式運動平臺和封閉的龍門框架結構。打印頭安裝運動軸上，打印頭運動一般只能在X、Y、Z坐標軸上做直線運動，采用這種結構，打印機硬件占用面積大，打印范圍受到運動軸的限制，只能在不超過坐標軸極限值圍成的空間內進行打印，打印過程中嚴格限制打印對象的位置，不能隨意移動。以上缺點使3D打印技術在修復領域和制造領域的更廣范圍應用受到很大限制。

發明內容

為了克服上述不足，本發明提出了一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印系統及方法。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印系統，包括圖像識別系統、運動控制系統和數據處理系統；其中，

圖像識別系統包括設置在機架上的光源和數字攝像頭，運動控制系統包括多自由度機械臂和打印頭；

光源用于產生平行光，數字攝像頭用于實現缺損部位圖像實時采集以及捕獲打印頭中心點位置；打印頭安裝在多自由度機械臂末端，實現對缺損部位的打印；數據處理系統包括計算機，用于實現圖像識別系統和運動控制系統之間的數據實時轉換、打印頭自動對準、路徑特征點提取和打印控制，在缺損部位內部實現對其填補修復。

本發明進一步的改進在于，圖像識別系統還包括底板，機架和多自由度機械臂設置在底板上。

本發明進一步的改進在于，機架采用半封閉式機架，包括垂直方向上安裝在上的兩個豎直型材，以及水平方向上分別與兩個豎直型材垂直連接的兩個水平型材，兩個水平型材上安裝有橫梁，形成半封閉式機架，圖像識別系統安裝在該橫梁上。

一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印方法，該打印方法基于上述一種非接觸識別缺損形貌的復合3D打印系統，打印過程中，該打印方法具有實時識別打印功能，包括：設置圖像識別層厚，獲取缺損部位最底層的圖像和打印頭中心點圖像、確定打印起始點，隨后在計算機圖像處理軟件中用離散數據點擬合缺損形貌，提取路徑特征點，計算機發出指令控制多自由度機械臂運動至打印頭中心點與打印起始點重合后，打印頭開啟，開始第一層的打印；第一層打印完成后，打印頭返回初始位置，圖像識別系統再次掃描已填充打印材料的缺損部位表面，重新設置層厚，獲取當前表面的三維圖像和打印頭中心點圖像，經計算機處理，重新確定打印起始點，控制多自由度機械臂運動和打印頭開啟，開始第二層打印；循環采用此方法逐層打印，直至填補缺損部位，觀察修復效果，控制打印結束。