一种面曝光3d打印设备的断点续打方法
阅读说明：本技术 一种面曝光3d打印设备的断点续打方法 (Breakpoint continuous printing method of surface exposure 3D printing equipment ) 是由 郭文华 贺晨龙 马耀军 高嘉保 田艳彬 于 2020-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面曝光3D打印设备的断点续打方法,该方法将断点续打方法集成至设备的控制方法中,根据上位机与下位机之间的交互逻辑关系,将实现断点续打所需操作加入整个系统的运行中。本发明针对面曝光技术实现了断点续打功能,实现方法简单、可靠。相比于不具有断点续打功能的面曝光打印设备,断点续打功能能够显著提高打印成功率,节约打印成本；使用上位机记录Z轴行程,针对每台设备的不同状况实现了个性化定制；针对中断层打印状态进行判断,根据打印中断时当前层的照射时间来判断是否需要对该层进行重新固化,提高了断点层的打印质量,降低了断点续打时发生错层的可能。(The invention discloses a breakpoint continuous printing method of a surface exposure 3D printing device. The invention realizes the breakpoint continuous printing function aiming at the surface exposure technology, and the realization method is simple and reliable. Compared with the surface exposure printing equipment without the breakpoint continuous printing function, the breakpoint continuous printing function can obviously improve the printing success rate and save the printing cost; the upper computer is used for recording the Z-axis stroke, and personalized customization is realized for different conditions of each device; the printing state of the interrupted layer is judged, whether the layer needs to be cured again or not is judged according to the irradiation time of the current layer when the printing is interrupted, the printing quality of the breakpoint layer is improved, and the possibility of wrong layers when the breakpoint continues to play is reduced.)
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种面曝光3D打印设备的断点续打方法。
背景技术
面曝光技术，直译为数字光处理(Digital Light Processing，DLP)，是一种使用面光源照射光敏树脂材料，使之发生光固化反应进而逐层累加的增材制造技术。首先，使用一系列平行平面与被打印模型相交得到一组由模型横截面图像组成的切片图。然后，每层切片转化为一幅二维掩膜图像被投射到光固化液体表面，用于固化层当前层。最后，成形平台移动一个切片层厚的距离继续固化下一层，重复上述步骤直至整个模型被逐层固化完成。
由于面曝光打印技术需要耗费较长的时间，在每层切片图像固化过程中可能发生设备断电、控制逻辑错误、材料耗尽或者人为中断操作会导致打印停止，使打印件报废。针对面曝光技术，为了能够从中断的位置恢复打印过程，需要根据设备当前的打印层数和模型切片的层厚来计算设备Z轴运动的当前位置。传统上，为了获取设备当前的打印状态，首先，用户需要通过手工测量中断发生时Z轴运动距离。然后，根据模型切片层厚计算出当前打印层数。最后，通过修改模型切片文件使得设备从中断层重新显示模型切片。这样的操作需要具有一定经验的用户才能完成，设置不当会造成断点处模型精度下降或者导致打印失败。因此，需要为设备加入智能的断点续打功能以保证设备在发生中断后能够重新恢复打印过程，从而提高打印的成功率，避免时间和材料的浪费。
现有的断点续打方法主要是针对熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)技术实现的。由于FDM设备的模型切片使用了机床通用的G代码，代码中完整的包含了设备打印头当前的位置坐标信息，因此通过测量设备发生中断时的Z轴高度，在对照模型切片文件的G代码，就能够找出设备发生中断时的状态。在重启打印时，通过删除中断发生之前的G代码，就能使设备从断点处继续开始打印。在上述手工操作方法的基础上通过记录设备当前状态就能够实现自动的断点续打[1]。除了在设备的控制系统中加入断点续打软件方法以外，还可以使用具有掉电存储功能的芯片记录当前打印状态，或者使用备用电源在设备发生断电后继续打印工作[2]。然而，这些方法会增加设备成本，同时无法灵活的根据用户需求，例如加料、二次打印等，需要人为暂停设备后实现断点续打。
针对面曝光技术的模型切片文件仅包含模型层数信息，不能直接使用FDM技术的断点续打方法，需要根据面曝光技术的打印流程和模型切片特点，专门设计一种适用于该技术的断点续打方法。
参考文献
[1]3D打印机断点续打的方法以及3D打印机
[2]一种3D打印机断电续打印装置及操作方法
[3]宣驰策,包建荣,张国强,何永斌.多功能桌面级3D打印机构造及实测[J].信息技术,2018(04):23-26.
发明内容
本发明的目的在于针对现有面曝光技术的不足，提供了一种面曝光3D打印设备的断点续打方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种面曝光3D打印设备的断点续打方法，该方法将断点续打方法集成至设备的控制方法中，根据上位机与下位机之间的交互逻辑关系，将实现断点续打所需操作加入整个系统的运行中。
本发明进一步的改进在于，设备运行关键步骤执行的具体操作如下：
步骤一，设备下位机上电，移动端上位机与下位机进行连接，连接成功后上位机向下位机发送向上运动指令，格式为ux,x，其中第一位字母表示成形板需要进行上升运动，第二位数字x表示断点续打的断点层数，第三位数字x，即逗号分隔后的第一位数字表示成形板运动Z轴总行程所需的脉冲数；
步骤二，用户操作移动端上位机，在选择好打印模型并设置完成打印参数后点击开始打印，上位机向下位机发送向下运动指令tx，其中x＝1，2，3，4分别为基础层厚值0.05的倍数；成形板向下运动至下限位位置；此时，下位机向上位机返回hz，其中z表示步进电机从上限位位置运行至下限位位置时所需的脉冲数；上位机将Z轴运动所需脉冲数z存入变量z_tatol中；并将此变量在上位机中进行保存；作为此台设备的Z轴的运动行程，用于计算断点续打时成形板的位置；
步骤三，设备开始打印，上位机控制光源显示当前层切图并且将当前层的层号进行保存，用于断点续打时恢复打印的层号；在每层切片图像照射设定的固化时间后，上位机向下位机发送控制指令f，下位机控制成形板运动一个层厚距离，进行下一层的固化；同时，上位机记录该层的实际固化时间；在模型的最后一层显示完成后，上位机向下位机发送指令u，成形板向上运动至上限位开关位置；
步骤四，如果设备在打印过程中发生中断，上位机记录该层的实际固化时间小于初始设定的每层固化时间；在下次开始打印前，上位机会提示用户是从当前位置进行断点续打，还是重新打印整个模型；若选择断点续打，根据当前层的实际固化时间是否超过设定固化时间的一半来判断当前断点层是否需要重新打印。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，移动端上位机通过蓝牙协议与下位机进行连接。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，在第一次打印时，第二位数字位和第三位数字均为零，因此该命令为u0,0；在此命令下，Z轴带动成形板向上运行至上限位位置，此时下位机向上位机回复命令p，表示成形板向上运动至上限位开关位置，此时将上位机中记录Z轴行程所需脉冲数的变量z_total设置为零。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，如果打印过程不产生中断，则该过程一直重复进行，每一层的固化时间在下一层固化时会重新计数。
本发明进一步的改进在于，步骤四中，上位机和下位机之间连接成功后，上位机向下位机发送向上运动指令，格式为ux,x，其中指令之后的两位数字分别表示发生中断的断点层层号，以及在变量z_total中记录的Z轴总行程；根据这两个信息以及根据判断是否需要重新固化该层，下位机计算出运动至断点维持所需的脉冲数，并控制光源显示断点层的切片图像，从而实现了断点续打。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种面曝光3D打印设备的断点续打方法，在下位机发生断电、运行错误或人为进行暂停操作的情况下，根据上位机记录的中断发生时设备运行状态，保证设备在重新恢复正常后能够继续从上次中断的位置进行打印，提高了打印成功率，节约工时和材料成本；设备每次在初始化过程中，下位机将Z轴行程值通过通信的方式发送给上位机进行保存，避免了随着设备的使用Z轴行程值发生变化而导致的断点续打精度下降的问题；使用具有数据保存功能的上位机，而非专门的硬件芯片来记录断点信息，节省了硬件成本；在光源固化当前层的过程中，上位机通过记录发生中断时当前层已经固化时间判断设备从断点处恢复打印时是否需要重新固化当前层，以此提高断点恢复层的固化效果。
因此，本发明针对面曝光技术实现了断点续打功能，实现方法简单、可靠。相比于不具有断点续打功能的面曝光打印设备，断点续打功能能够显著提高打印成功率，节约打印成本；使用上位机记录Z轴行程，针对每台设备的不同状况实现了个性化定制；针对中断层打印状态进行判断，根据打印中断时当前层的照射时间来判断是否需要对该层进行重新固化，提高了断点层的打印质量，降低了断点续打时发生错层的可能。
附图说明
图1为设备上位机与下位机的交互逻辑图。
图2为本发明一种面曝光3D打印设备的断点续打方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
本发明针对下照式面曝光设备进行描述，设备光源放置于设备下部，从树脂槽下方向上照射树脂槽底部，Z轴带动成形板向上运动进行逐层固化。对于上照式设备仅需要改变Z轴运动方向和上下限位开关位置即可。面曝光设备由上位机和下位机两部分构成，在本发明中上位机是具有蓝牙通信模块的移动设备，负责控制光源显示层切图像，发送运动指令控制下位机运动，以及通过通信的方式获得实现断点续打功能所需的下位机运动状态信息。下位机是具有蓝牙通信模块的嵌入式系统，负责将上位机发送的运动指令转化为设备步进电机的运动代码，同时获取设备当前的运动状态。设备打印过程发生中断是由于下位机断点或者发生故障造成的，由于下位机不具有保存当前状态的功能，因此需要借助于通信的方式将设备的运行状态发送给上位机进行保存。
由于面曝光技术的打印过程状态仅包含模型切片的层数和Z轴带动成形板的运动位置，因此断点续打的方法需要在设备打印的过程中实时记录上述两个状态。当打印过程发生中断时，根据当前状态计算出断点处设备成形板运动的距离以及模型切片的显示层数，从而能够恢复设备的打印状态。其基本原理是根据设备的Z轴运动总行程以及中断发生时Z轴已经运动过的距离，二者相减计算出成形板从上限位位置运行至断点位置所需的运动距离。同时，记录断点发生时模型切片图像显示的层数。设备从断点位置恢复打印时，成形板从上限位位置向下运行至断点位置，配合光源从断点处的模型层切图开始显示，从而实现了设备从断点发生位置恢复打印过程的功能。在本发明中，成形板的运动位置由步进电机运动所需脉冲数进行表示，根据中断发生的层数计算出运行至断点所需的脉冲数。
本发明提供的一种面曝光3D打印设备的断点续打方法，该方法将断点续打方法集成至设备的控制方法中，根据上位机与下位机之间的交互逻辑关系，如图1所示，将实现断点续打所需操作加入整个系统的运行流程图中，如图2所示，设备运行关键步骤执行的具体操作解释如下：
步骤一，设备下位机上电，移动端上位机通过蓝牙协议与下位机进行连接，连接成功后上位机向下位机发送向上运动指令，格式为ux,x，其中第一位字母表示成形板需要进行上升运动，第二位数字x表示断点续打的断点层数，第三位数字x，即逗号分隔后的第一位数字表示成形板运动Z轴总行程所需的脉冲数。在第一次打印时，第二位数字位和第三位数字均为零，因此该命令为u0,0。在此命令下，Z轴带动成形板向上运行至上限位位置，此时下位机向上位机回复命令p，表示成形板向上运动至上限位开关位置，此时将上位机中记录Z轴行程所需脉冲数的变量z_total设置为零；
步骤二，用户操作移动端上位机，在选择好打印模型并设置完成打印参数后点击开始打印，上位机向下位机发送向下运动指令tx，其中x＝1，2，3，4分别为基础层厚值0.05的倍数。成形板向下运动至下限位位置；此时，下位机向上位机返回hz，其中z表示步进电机从上限位位置运行至下限位位置时所需的脉冲数；上位机将Z轴运动所需脉冲数z存入变量z_tatol中；并将此变量在上位机中进行保存；作为此台设备的Z轴的运动行程，用于计算断点续打时成形板的位置；
步骤三，设备开始打印，上位机控制光源显示当前层切图并且将当前层的层号进行保存，用于断点续打时恢复打印的层号；在每层切片图像照射设定的固化时间后，上位机向下位机发送控制指令f，下位机控制成形板运动一个层厚距离，进行下一层的固化；同时，上位机记录该层的实际固化时间；在模型的最后一层显示完成后，上位机向下位机发送指令u，成形板向上运动至上限位开关位置；
步骤四，如果设备在打印过程中发生中断，上位机记录该层的实际固化时间小于初始设定的每层固化时间；在下次开始打印前，上位机会提示用户是从当前位置进行断点续打，还是重新打印整个模型；若选择断点续打，根据当前层的实际固化时间是否超过设定固化时间的一半来判断当前断点层是否需要重新打印；上位机和下位机之间蓝牙连接成功后，上位机向下位机发送向上运动指令，格式为ux,x，其中指令之后的两位数字分别表示发生中断的断点层层号，以及在变量z_total中记录的Z轴总行程。根据这两个信息以及根据判断是否需要重新固化该层，下位机计算出运动至断点维持所需的脉冲数，并控制光源显示断点层的切片图像，从而实现了断点续打。
具有断点续打功能的面曝光设备运行流程图如图2所示，在原有控制流程的基础上，加入了断点变量判断与记录。
本发明实际应用于便携式面曝光3D打印机，该设备的上位机为手机这种移动设备，下位机为单片机控制板。上位机和下位机之间通过蓝牙4.0协议进行控制指令于状态信息之间的通信。用户在上位机上选择好需要打印的模型进行首次打印，首先将上位机与下位机通过蓝牙进行连接。连接成功后，成形板向上运动到设备顶部上限位位置，等待用户进行下一步操作。当用户点击开始打印按钮，设备就开始逐层对模型切片进行固化。
如果打印过程发生异常，打印被终止。此时再打开上位机移动设备选择相同模型进行打印，上位机根据断点变量是否为零判断本次打印是否为断点续打。若判断为断点续打，则询问用户选择进行断点续打还是从新开始打印，并向用户提示当前打印层数。用户选择断点续打后，上位机开始与下位机进行蓝牙连接。连接成功后，控制成形板向上运行至设备上限位位置。上位机根据断点发生时，该层的固化时间来判断是否需要重新固化该层，如需要则将记录的断点层数减1。向下位机发送计算好的中断发生层数，下位机根据该值计算运动至断点所需脉冲数，待用户点击“开始打印”按钮后，设备开始向断点发生时成形板的位置运动，继续模型打印过程。直到模型打印完成，上位机清除记录断点状态变量的值，结束整个打印过程。