專利名稱：基于磁流變材料的3d打印機(jī)器人系統(tǒng)及打印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，特別涉及一種基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)及打印方法，具體涉及一種將三維立體成像技術(shù)與基于磁流變效應(yīng)的快熟成型技術(shù)相結(jié)合，可以直接讀取三維圖像數(shù)據(jù)，然后逐層打印并固化成型，最終形成一種三維實(shí)體模型。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)是一系列快速原型成型技術(shù)的統(tǒng)稱，其基本原理是疊層制造，由快速原型機(jī)在X-Y平面內(nèi)通過(guò)掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地做層面厚度的位移，最終形成三維實(shí)體?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)(Rapid Prototyping and Manufacturing,RP&M)是指在計(jì)算機(jī)管理與控制下，根據(jù)零件的CAD模型，采用材料精確堆積(由點(diǎn)堆積成面，由面堆積成三維實(shí)體)的方法制造原型或零件的技術(shù)，是一種基于離散、堆積成形原理的新制造方法。目前RP&M技術(shù)主要有熔融沉積成形(FDM)、選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)、光固化成形(SLA)，分層實(shí)體制造成形(L0M)。3D打印材料有塑料、光敏樹(shù)脂、金屬粉末(金、銀、鋼、鈦等)、石臘、陶瓷粉末、尼龍粉末、ABS粉末、覆膜紙、聚丙烯(polypropylene),聚碳酸酯(polycarbonate)、石膏粉末、生物材料(骨骼、肌肉細(xì)胞)。從目前材料的性能來(lái)有彈性或剛性的，遇熱融化或耐高溫的，透明的或不透明的，生物相容性的，鑄造的，種類繁多，但是目前依然比不上傳統(tǒng)制造所擁有的材料種類。3D打印技術(shù)還面臨著一系列的問(wèn)題，如制造速度、產(chǎn)品的材料性能、機(jī)器和材料的成本、操作的可訪問(wèn)性和安全性、多種顏色和成型精度和質(zhì)量問(wèn)題等。因此，新的3D快速成型技術(shù)和3D打印材料將極大的推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。3D立體成像系統(tǒng)是為了獲取并構(gòu)建三維立體圖像信息并提供給3D打印系統(tǒng)。三維立體圖像技術(shù)包括三維立體超聲成像，三維立體激光成像(包括透鏡板式三維成像、投影式激光成像、全息激光成像)，三維微波立體成像，X射線計(jì)算機(jī)相干斷層成像(CT)，核磁共振成像(MRI)，掃描電子顯微鏡(STM)，原子力顯微鏡(AFM)等。三維測(cè)量技術(shù)中最重要的是光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，基于雙目立體視覺(jué)原理的三維立體重現(xiàn)，其原理類似于人的眼睛視覺(jué)機(jī)制，首先由2個(gè)攝像機(jī)從不同角度獲取周圍事物的兩幅數(shù)字圖像，然后由計(jì)算機(jī)重現(xiàn)周圍景物的三維形狀與位置。3D立體圖像的構(gòu)建還可以通過(guò)CAD軟件建模，如Tinkercad、123D、3D Tin、SketchUp 等，或 Pro/e、UG、Solidworks、Solidedge> Catia 建模軟件。顏色調(diào)配系統(tǒng)是從由彩色(青色、紫紅色、黃色)墨盒中分別提取不同比例，再噴射到近似同一點(diǎn)上，那么這個(gè)點(diǎn)便可以根據(jù)原色不同的比例顯示出不同的顏色，在這過(guò)程重要保證不同比例的墨水精確的噴射到同一個(gè)點(diǎn)上。電流變材料、磁流變材料都是一種新興的智能軟材料，具有傳統(tǒng)固體智能材料不具有的優(yōu)點(diǎn)。是由高介電常數(shù)的介電顆粒或高磁導(dǎo)率的磁性顆粒通過(guò)添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┓稚⒌捷d液中形成的穩(wěn)定的分散體系，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生液體和固體或半固體之間的可逆、迅速、連續(xù)的變化，即電(磁)流變材料在外加電磁場(chǎng)的作用下粘度、塑性、粘彈性等特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱之為電(磁)流變效應(yīng)。3D打印機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使產(chǎn)品快速成型具有如下性能，打印速度快、打印成本低、細(xì)節(jié)分辨率、精度高、材料性能、精度高等。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)及其打印方法，并以此快速打印產(chǎn)品模型。本發(fā)明的目的之一是提出一種基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)；本發(fā)明的目的之二是提出一種基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法。本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，包括三維立體成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)和3D打印快速成型裝置；
所述三維立體成像系統(tǒng)，用于獲得實(shí)體的三維數(shù)據(jù)提取，提供給計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)；
所述計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)，用于將三維立體成像系統(tǒng)提取的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成立體圖像，并對(duì)立體圖像進(jìn)行數(shù)字化處理形成用于控制3D打印快速成型裝置進(jìn)行快速成型的控制命令；
所述3D打印快速成型裝置，用于接收控制命令并驅(qū)動(dòng)3D打印快速成型裝置將磁流變材料在磁場(chǎng)下固化構(gòu)建形成三維實(shí)體模型。進(jìn)一步，所述3D打印快速成型裝置包括沉積工作臺(tái)、磁極、儲(chǔ)液罐、墨盒、驅(qū)動(dòng)泵、噴頭、連接管道、控制器和伺服機(jī)構(gòu)；
所述沉積工作臺(tái)，用于作為三維實(shí)體的磁流變材料逐層沉積成型的平臺(tái)；
所述磁極布置于沉積工作臺(tái)的造型區(qū)域兩側(cè)，用于提供磁流變材料固化所需的磁場(chǎng)；所述儲(chǔ)液罐、驅(qū)動(dòng)泵、噴頭通過(guò)連接管道相連通，形成磁流變材料的輸送管道；所述儲(chǔ)液罐，用于存儲(chǔ)磁流變材料，所述驅(qū)動(dòng)泵，用于為輸送儲(chǔ)液罐中的磁流變材料提供驅(qū)動(dòng)力，所述噴頭設(shè)置于沉積工作臺(tái)上的磁極提供的磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)；
所述控制器，用于控制驅(qū)動(dòng)泵的流量、墨盒顏料流量和伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
所述伺服機(jī)構(gòu)，用于控制噴頭的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)一步，所述3D打印快速成型裝置還包括磁流變材料流量控制系統(tǒng)、染料調(diào)配及控制系統(tǒng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
所述磁流變材料流量控制系統(tǒng)，用于控制磁流變材料流量大?。?br> 所述染料調(diào)配及控制系統(tǒng)，用于為打印材料進(jìn)行自動(dòng)化配色和流量控制；
所述磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)從而使磁流變材料固化成型。進(jìn)一步，所述三維立體成像系統(tǒng)為三維立體超聲成像、三維立體激光成像、三維微波立體成像系統(tǒng)、X射線計(jì)算機(jī)相干斷層成像系統(tǒng)、核磁共振成像系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡成像系統(tǒng)或原子力顯微鏡成像系統(tǒng)中的任一種。進(jìn)一步，所述計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)包括構(gòu)建立體圖像模塊、Z層離散化分層處理模塊和XY層面信息處理模塊；
所述構(gòu)建立體圖像模塊，用于將三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成CAD三維模型； 所述Z層離散化分層處理模塊，用于將所述三維模型進(jìn)行Z向離散化分層處理生成模型截面數(shù)據(jù)信息；
所述XY層面信息處理模塊，用于將所述三維模型進(jìn)行XY向信息處理生成填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息。進(jìn)一步，所述磁流變材料流量控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于輸送管道上的流量計(jì)獲取磁流變材料流量信號(hào)并將流量信號(hào)輸送到控制器；
所述染料調(diào)配及控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于墨盒上的流量器來(lái)獲取墨盒中各種染料的流量信號(hào)并將流量信號(hào)輸送到控制器；
所述磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一對(duì)電磁鐵作為磁極和用于調(diào)節(jié)電磁鐵磁性強(qiáng)弱的直流可控電源。本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法，包括以下步驟:
51:構(gòu)建三維待沉積模型并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)命令、驅(qū)動(dòng)泵流量控制指令；
52:將所述三維模型進(jìn)行Z層離散化分層處理和XY層面信息處理，生成模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息；
53:根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息來(lái)控制噴頭沿界面輪廓和填充軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)定量控制驅(qū)動(dòng)泵噴射磁流變材料到沉積工作臺(tái)上磁極固化磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行逐層堆疊建模；并使得磁流變材料固化成型形成三維模型樣品。進(jìn)一步，所述噴頭流量是根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)泵的流量形成的，所述噴頭三維運(yùn)動(dòng)軌跡是利用填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息驅(qū)使伺服機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)噴頭進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)的。進(jìn)一步，還包括調(diào)節(jié)磁流變材料固化磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，所述磁極固化磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小根據(jù)實(shí)際情況確定。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明采用三維立體成像技術(shù)、磁流變技術(shù)、精密控制技術(shù)、數(shù)字化圖像技術(shù)形成基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)三維立體成像系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理軟件，機(jī)械手臂三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，磁流變材料流量控制系統(tǒng)，染料調(diào)配及控制系統(tǒng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速成型。該裝置的成本低、簡(jiǎn)單快速；是一種能夠批量生產(chǎn)模型或產(chǎn)品的人機(jī)交互系統(tǒng)。本發(fā)明提供的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使產(chǎn)品快速成型具有如下性能:打印速度快、打印成本低、細(xì)節(jié)分辨率、精度高、材料性能、精度高等。采用磁流變材料的磁流變效應(yīng)，即將高介電常數(shù)的介電顆?；蚋叽艑?dǎo)率的磁性顆粒通過(guò)添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┓稚⒌捷d液中形成的穩(wěn)定的分散體系，然后在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生液體和固體或半固體之間的可逆、迅速、連續(xù)的變化，因此該裝置成本極低，用磁場(chǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熔融噴射快速成型的3D打印，不需要的高壓電場(chǎng)，不需要昂貴的激光光學(xué)設(shè)備，溫控系統(tǒng)，光敏材料等，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，成本大幅度降低；操作的可訪問(wèn)性和安全性、多種顏色和成型精度和質(zhì)量問(wèn)題等。因此，新的3D快速成型技術(shù)和3D打印材料將極大的推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
圖1為基于磁流變液的3D打印快速成型的噴頭裝置示意 圖2為基于磁流變液的3D打印快速成型的裝置示意 圖3為基于磁流變液的3D打印快速成型方法的模型構(gòu)建流程 圖4基于磁流變材料的3 D打印機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程圖。圖中，沉積工作臺(tái)-1、磁極_2、實(shí)體模型-3、儲(chǔ)液罐-4、墨盒-5、驅(qū)動(dòng)泵-6、計(jì)算機(jī)_7、伺服機(jī)構(gòu)_8、噴頭-9、連接管道-10。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1
圖1為基于磁流變液的3D打印快速成型的噴頭裝置示意圖，圖2為基于磁流變液的3D打印快速成型的裝置示意圖，如圖所示:本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，包括三維立體成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)和3D打印快速成型裝置；
所述三維立體成像系統(tǒng)，用于獲得實(shí)體的三維數(shù)據(jù)提取，提供給計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)；
所述計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)，用于將三維立體成像系統(tǒng)提取的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成立體圖像，并對(duì)立體圖像進(jìn)行數(shù)字化處理形成用于控制3D打印快速成型裝置進(jìn)行快速成型的控制命令；本發(fā)明提供的計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理軟件可以采用CAD軟件建模，如Tinkercad、123D、3D Tin、Sketch Up 等，或 Pro/e、UG、Solidworks、Solidedge、Catia 建模軟件；
所述3D打印快速成型裝置，用于接收控制命令并驅(qū)動(dòng)3D打印快速成型裝置將磁流變材料在磁場(chǎng)下固化構(gòu)建形成三維實(shí)體模型。所述3D打印快速成型裝置包括沉積工作臺(tái)1、磁極2、儲(chǔ)液罐4、墨盒5、驅(qū)動(dòng)泵6、噴頭9、連接管道10、控制器和伺服機(jī)構(gòu)8 ；
所述沉積工作臺(tái)，用于作為三維實(shí)體的磁流變材料逐層沉積成型的平臺(tái)；
所述磁極布置于沉積工作臺(tái)的造型區(qū)域兩側(cè)，用于提供磁流變材料固化所需的磁場(chǎng)；所述儲(chǔ)液罐、驅(qū)動(dòng)泵、噴頭通過(guò)連接管道相連通，形成磁流變材料的輸送管道；所述儲(chǔ)液罐，用于存儲(chǔ)磁流變材料，所述驅(qū)動(dòng)泵，用于為輸送儲(chǔ)液罐中的磁流變材料提供驅(qū)動(dòng)力，所述噴頭設(shè)置于沉積工作臺(tái)上的磁極提供的磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)；
所述控制器，用于控制驅(qū)動(dòng)泵的流量、墨盒顏料流量和伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本實(shí)施例中的控制器可以采用計(jì)算機(jī)7;
所述伺服機(jī)構(gòu)，用于控制噴頭的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
所述3D打印快速成型裝置還包括磁流變材料流量控制系統(tǒng)、染料調(diào)配及控制系統(tǒng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
所述磁流變材料流量控制系統(tǒng)，用于控制磁流變材料流量大??；
所述染料調(diào)配及控制系統(tǒng)，用于為打印材料進(jìn)行自動(dòng)化配色和流量控制； 所述磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)從而使磁流變材料固化成型，從而使磁流變材料形成需要打印的實(shí)體模型3 ；
所述三維立體成像系統(tǒng)為三維立體超聲成像、三維立體激光成像(包括透鏡板式三維成像、投影式激光成像、全息激光成像)、三維微波立體成像系統(tǒng)、X射線計(jì)算機(jī)相干斷層成像系統(tǒng)、核磁共振成像系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡成像系統(tǒng)或原子力顯微鏡成像系統(tǒng)中的任一種；
所述計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)包括構(gòu)建立體圖像模塊、Z層離散化分層處理模塊和XY層面信息處理模塊；
所述構(gòu)建立體圖像模塊，用于將三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成CAD三維模型；
所述Z層離散化分層處理模塊，用于將所述三維模型進(jìn)行Z向離散化分層處理生成模型截面數(shù)據(jù)信息；
所述XY層面信息處理模塊，用于將所述三維模型進(jìn)行XY向信息處理生成填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息；
所述磁流變材料流量控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于輸送管道上的流量計(jì)獲取磁流變材料流量信號(hào)并將流量信號(hào)輸送到控制器；
所述染料調(diào)配及控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于墨盒上的流量器來(lái)獲取墨盒中各種染料的流量信號(hào)并將流量信號(hào)輸送到控制器；
所述磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一對(duì)電磁鐵作為磁極和用于調(diào)節(jié)電磁鐵磁性強(qiáng)弱的直流可控電源。其中，伺服機(jī)構(gòu)在控制器的作用下通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂來(lái)于控制噴頭的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而形成一個(gè)機(jī)械手臂三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。其中，所述磁流變材料在控制器的作用下通過(guò)流量計(jì)來(lái)獲取儲(chǔ)液罐和墨盒中的磁流變材料流量信號(hào)并作為反饋信號(hào)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)泵輸送磁流變材料，從而形成磁流變材料流量控制系統(tǒng)。其中，所述墨盒、作為染料的磁流變材料和驅(qū)動(dòng)泵在控制器的作用下組成染料調(diào)配及控制系統(tǒng)。其中，所述電磁鐵和直流可控電源組成磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 圖3為基于磁流變液的3D打印快速成型方法的模型構(gòu)建流程圖，圖4基于磁流變材料的3 D打印機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程圖，如圖所示:本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法，包括以下步驟:
51:構(gòu)建三維待沉積模型并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)命令、驅(qū)動(dòng)泵流量控制指令；
52:將所述三維模型進(jìn)行Z層離散化分層處理和XY層面信息處理，生成模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息；
S3:根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息來(lái)控制噴頭沿界面輪廓和填充軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)定量控制驅(qū)動(dòng)泵噴射磁流變材料到沉積工作臺(tái)上磁極固化磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行逐層堆疊建模；并使得磁流變材料固化成型形成三維模型樣品。所述噴頭流量是根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)泵的流量形成的，所述噴頭三維運(yùn)動(dòng)軌跡是利用填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息驅(qū)使伺服機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)噴頭進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)的。還包括調(diào)節(jié)磁流變材料固化磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，所述磁極固化磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小根據(jù)實(shí)際情況確定。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于:
本發(fā)明提供的3D打印快速成型的原理是基于磁流變材料的磁流變效應(yīng)。本發(fā)明的3D打印技術(shù)難題的解決，添加粘結(jié)劑或參雜固體顆粒，低溫固化成型。工業(yè)上常用的膠黏劑有聚乙烯醇膠黏劑、聚乙烯醇縮甲醛膠、聚醋酸乙烯膠黏劑、環(huán)氧樹(shù)脂類、合成橡膠類、聚氨酯類、丙烯酸酯粘結(jié)劑、雜環(huán)高分子粘結(jié)劑。本發(fā)明的3D打印機(jī)器人為人形機(jī)器人。頭部是電腦控制系統(tǒng)，用來(lái)處理三維立體圖像。兩個(gè)手臂，一個(gè)手臂用來(lái)進(jìn)行三維成像，另一個(gè)手臂用來(lái)實(shí)現(xiàn)磁流變材料三維移動(dòng)噴射。本發(fā)明將磁流變液儲(chǔ)液罐及三色墨盒設(shè)在腹部，可以方便取出更換液體。本發(fā)明為克服磁流變材料的顏色單調(diào)性，設(shè)置可以進(jìn)行顏色涂料的調(diào)配系統(tǒng)。仿照壓電式彩色噴墨打印機(jī)原理，設(shè)置三色墨盒(青色、紫紅色、黃色)、噴頭(包括噴嘴空、壓電陶瓷)、清洗部分、運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(實(shí)現(xiàn)打印位置定位)和傳感器(為檢測(cè)打印機(jī)各部件的工作狀況而設(shè))等幾個(gè)部分。本發(fā)明噴頭可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。本發(fā)明所需的三維立體圖像技術(shù)包括三維立體超聲成像，三維立體激光成像包括透鏡板式三維成像、投影式激光成像、全息激光成像，計(jì)算機(jī)相干斷層成像(CT)，核磁共振成像等。本發(fā)明優(yōu)選無(wú)創(chuàng)、無(wú)放射損傷的影像診斷技術(shù)-三維立體超聲成像技術(shù)。如將大頭貼打印成一個(gè)立體塑像，立體塑像的制造過(guò)程分為三個(gè)階段:拍照、建模、打印。首先，要通過(guò)機(jī)器人的一條手臂進(jìn)行三維立體攝像，此手臂可以進(jìn)行身體全方位的掃描成像。并將數(shù)據(jù)傳到頭部即電腦中，通過(guò)三維圖像處理軟件提取有用信息，構(gòu)建人體的三維立體圖像。此過(guò)程中，還可以根據(jù)個(gè)人喜好修改圖像信息，構(gòu)建出符合客戶需求的三維模型圖像。然后，將三維圖像數(shù)字網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)Z軸方向上離散化分層處理。電腦根據(jù)每一層的信息，發(fā)出信號(hào)指令，控制儲(chǔ)液罐、彩色墨盒的流量調(diào)配以及3D打印機(jī)器人的另一只手臂，即磁流變材料噴頭的逐層固化成型。最后，形成三維立體模型，在對(duì)其進(jìn)行硬化，美觀等后續(xù)處理，直至制造出理想的立體塑像。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:包括三維立體成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)和3D打印快速成型裝置； 所述三維立體成像系統(tǒng)，用于獲得實(shí)體的三維數(shù)據(jù)提取，提供給計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)； 所述計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)，用于將三維立體成像系統(tǒng)提取的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成立體圖像，并對(duì)立體圖像進(jìn)行數(shù)字化處理形成用于控制3D打印快速成型裝置進(jìn)行快速成型的控制命令； 所述3D打印快速成型裝置，用于接收控制命令并驅(qū)動(dòng)3D打印快速成型裝置將磁流變材料在磁場(chǎng)下固化構(gòu)建形成三維實(shí)體模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述3D打印快速成型裝置包括沉積工作臺(tái)、磁極、儲(chǔ)液罐、墨盒、驅(qū)動(dòng)泵、噴頭、連接管道、控制器和伺服機(jī)構(gòu)； 所述沉積工作臺(tái)，用于作為三維實(shí)體的磁流變材料逐層沉積成型的平臺(tái)； 所述磁極布置于沉積工作臺(tái)的造型區(qū)域兩側(cè)，用于提供磁流變材料固化所需的磁場(chǎng)；所述儲(chǔ)液罐、驅(qū)動(dòng)泵、噴頭通過(guò)連接管道相連通，形成磁流變材料的輸送管道；所述儲(chǔ)液罐，用于存儲(chǔ)磁流變材料，所述驅(qū)動(dòng)泵，用于為輸送儲(chǔ)液罐中的磁流變材料提供驅(qū)動(dòng)力，所述噴頭設(shè)置于沉積工作臺(tái)上的磁極提供的磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)； 所述控制器，用于控制驅(qū)動(dòng)泵的流量、墨盒顏料流量和伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 所述伺服機(jī)構(gòu)，用于控制噴頭的三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述3D打印快速成型裝置還包括磁流變材料流量控制系統(tǒng)、染料調(diào)配及控制系統(tǒng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 所述磁流變材料流量控制系統(tǒng)，用于控制磁流變材料流量大??； 所述染料調(diào)配及控制系統(tǒng)，用于為打印材料進(jìn)行自動(dòng)化配色和流量控制； 所述磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)從而使磁流變材料固化成型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述三維立體成像系統(tǒng)為三維立體超聲成像、三維立體激光成像、三維微波立體成像系統(tǒng)、X射線計(jì)算機(jī)相干斷層成像系統(tǒng)、核磁共振成像系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡成像系統(tǒng)或原子力顯微鏡成像系統(tǒng)中的任一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)包括構(gòu)建立體圖像模塊、Z層離散化分層處理模塊和XY層面信息處理模塊； 所述構(gòu)建立體圖像模塊，用于將三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成CAD三維模型； 所述Z層離散化分層處理模塊，用于將所述三維模型進(jìn)行Z向離散化分層處理生成模型截面數(shù)據(jù)信息； 所述XY層面信息處理模塊，用于將所述三維模型進(jìn)行XY向信息處理生成填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于:所述磁流變材料流量控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于輸送管道上的流量計(jì)獲取磁流變材料流量信號(hào)并將流量信號(hào)輸送到控制器； 所述染料調(diào)配及控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于墨盒上的流量器來(lái)獲取墨盒中各種染料的流量信號(hào)并將流量信號(hào)輸送到控制器； 所述磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一對(duì)電磁鐵作為磁極和用于調(diào)節(jié)電磁鐵磁性強(qiáng)弱的直流可控電源。
7.基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法，其特征在于:包括以下步驟: S1:通過(guò)三維立體成像系統(tǒng)獲得實(shí)體的三維數(shù)據(jù)，提供給計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)； S2:通過(guò)計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理系統(tǒng)將三維立體成像系統(tǒng)提取的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建成立體圖像，并對(duì)立體圖像進(jìn)行數(shù)字化處理形成用于控制3D打印快速成型裝置進(jìn)行快速成型的控制命令； S3:通過(guò)3D打印快速成型裝置接收控制命令并驅(qū)動(dòng)3D打印快速成型裝置將磁流變材料在磁場(chǎng)下固化構(gòu)建形成三維實(shí)體模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法，其特征在于:所述步驟S3中具體包括以下步驟: 531:構(gòu)建三維待沉積模型并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)命令、驅(qū)動(dòng)泵流量控制指令； 532:將所述三維模型進(jìn)行Z層離散化分層處理和XY層面信息處理，生成模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息； 533:根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)信 息和填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息來(lái)控制噴頭沿界面輪廓和填充軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)定量控制驅(qū)動(dòng)泵噴射磁流變材料到沉積工作臺(tái)上磁極固化磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行逐層堆疊建模；并使得磁流變材料固化成型形成三維模型樣品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法，其特征在于:所述噴頭流量是根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)泵的流量形成的，所述噴頭三維運(yùn)動(dòng)軌跡是利用填充軌跡運(yùn)動(dòng)信息驅(qū)使伺服機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)噴頭進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)的打印方法，其特征在于:還包括調(diào)節(jié)磁流變材料固化磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，所述磁極固化磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小根據(jù)實(shí)際情況確定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)及其打印方法。特別涉及一種基于磁流變材料的3D打印機(jī)器人系統(tǒng)及方法，具體涉及一種將三維立體成像技術(shù)與基于磁流變效應(yīng)的快熟成型技術(shù)相結(jié)合，可以直接讀取三維圖像數(shù)據(jù)，然后逐層打印并固化成型,最終形成一種三維實(shí)體模型，該系統(tǒng)基于三維立體成像技術(shù)、磁流變技術(shù)、精密控制技術(shù)、數(shù)字化圖像技術(shù)等，組成包括三維立體成像系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)三維立體圖像處理軟件，機(jī)械手臂三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，磁流變材料流量控制系統(tǒng)，染料調(diào)配及控制系統(tǒng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。其目的在于設(shè)計(jì)一種低成本、簡(jiǎn)單快速、個(gè)性化、數(shù)字化的批量生產(chǎn)模型或產(chǎn)品的人機(jī)交互系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B41J2/43GK103192612SQ20131012088
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者何國(guó)田, 谷明信, 王仲勛, 陳希, 朱曉強(qiáng), 林遠(yuǎn)長(zhǎng), 徐澤宇, 趙健, 劉永福 申請(qǐng)人:重慶綠色智能技術(shù)研究院