CN105415688B - 三维打印机和三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维打印机和三维打印方法，三维打印机包括打印头、用于控制打印头移动的控制单元和用于输送多种成型材料的送料单元，打印头包括混料装置、加热装置和喷嘴，混料装置用于接收多种成型材料，加热装置对成型材料进行加热，喷嘴用于挤出成型材料，其中，三维打印机还包括检测单元，检测单元用于检测加热后的成型材料的颜色并向控制单元输出色彩信号，控制单元根据色彩信号向送料单元输出送料控制信号。以及该三维打印机使用的三维打印方法。通过本三维打印机自动实现对颜色混合配比，且能够更准确智能地监测并控制三维彩色打印。

Description

三维打印机和三维打印方法

技术领域

本发明涉及打印领域，尤其涉及一种三维打印机以及该三维打印机的三维打印方法。

背景技术

3D打印机又称三维打印机，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导3D打印机逐层打印。3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用，3D打印机的工作原理和传统打印机基本相同，由控制组件、机械组件、打印头、耗材（即成型材料）和介质等组成，打印原理也基本类似。

现有的3D打印机大都采用单打印头，当打印的模型需要彩色成像时，目前通用做法是添加多个打印头，通过多个打印头挤出不同颜色成像材料，继而实现彩色成像。然而这种具有多个打印头的打印机成本较高，而且多个打印头均设置在一个导杆上，使得该导杆受重力较大，从而导致导杆容易发生变形，进而导致打印物体精度低，误差较大，而且多打印头也不利于运输保护，容易遭受损坏。

并且上述多个打印头实现的彩色打印不能只能采用成型材料本身的颜色，使得用户无法根据实际需求颜色进行打印头，即无法实现自定义颜色配比打印以及无法对打印的颜色进行检测。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种实现对打印颜色配比和颜色监控的三维打印机。

本发明的第二目的是提供一种实现对打印颜色配比和颜色监控的三维打印方法。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种三维打印机，包括打印头、用于控制打印头移动的控制单元和用于输送多种成型材料的送料单元，打印头包括混料装置、加热装置和喷嘴，混料装置用于接收多种成型材料，加热装置对成型材料进行加热，喷嘴用于挤出成型材料，其中，三维打印机还包括检测单元，检测单元用于检测加热后的成型材料的颜色并向控制单元输出色彩信号，控制单元根据色彩信号向送料单元输出送料控制信号。

由上述方案可见，虽然通过预设颜色使得送料装置按照预定的配比将成型材料输出至打印头内，多种成型材料热熔后混合在一起，但由于实际混合后的颜色受到不同成型材料的影响以及其他因素的影响，使得实际混合后的颜色不同于预设的颜色，故通过检测单元对加热后熔融状态的成型材料进颜色检测，随后输出对应的送料控制信号使送料装置进行调整，继而自动实现对颜色混合配比，且能够更准确智能地监测并控制三维彩色打印。

更进一步的方案是，送料单元包括材料供给电机和驱动轮，驱动轮接收材料供给电机输出的驱动力，驱动轮用于驱动成型材料进入混料装置。

更进一步的方案是，送料单元包括材料供给电机和螺杆，螺杆接收材料供给电机输出的驱动力。

更进一步的方案是，送料单元还包括多个进料口，进料口设置在螺杆的侧面。

由上可见，通过电机驱动，利用驱动轮、螺杆或进料口结构，可高效地对成型材料进行输送并输送至打印头的混料装置内。

更进一步的方案是，打印头还包括搅拌装置，搅拌装置可旋转地设置在打印头内。

更进一步的方案是，搅拌装置的外壁设置有筋条。

由上可见，可旋转的搅拌装置以及筋条有利于使多种成型材料在加热后更加均匀地混合。

更进一步的方案是，打印头还包括阀门装置，阀门装置设置在打印头内，控制单元根据色彩信号向阀门装置输出开关控制信号。

由上可见，阀门装置的设置使得混合后的成型材料经过检测单元检测通过后，在根据开关控制信号对阀门进行开启，使得三维成像的模型颜色更为准确。

更进一步的方案是，检测单元为设置在打印头外的颜色传感器，打印头的外壁设置有透光部，颜色传感器输出的检测光线穿过透光部。

由上可见，通过透光部的设置，使得颜色传感器输出的光学能够穿过透光部对位于打印头内的成型材料的颜色进行检测。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种三维打印机用的三维打印方法，其特征在于，三维打印机包括打印头、用于控制打印头移动的控制单元、用于输送多种成型材料的送料单元和检测单元，三维打印方法包括：检测单元检测加热后的成型材料的颜色并向控制单元输出色彩信号；控制单元根据色彩信号向送料单元输出送料控制信号；送料单元根据送料控制信号向打印头输送对应的成型材料。

由上述方案可见，虽然通过预设颜色使得送料装置按照预定的配比将成型材料输出至打印头内，多种成型材料热熔后混合在一起，但由于实际混合后的颜色受到不同成型材料的影响以及其他因素的影响，使得实际混合后的颜色不同于预设的颜色，故通过检测单元对加热后熔融状态的成型材料进颜色检测，随后输出对应的送料控制信号使送料装置进行调整，继而自动实现对颜色混合配比，且能够更准确智能地进行三维彩色打印。

更进一步的方案是，打印头还包括阀门装置，阀门装置设置在打印头内，在控制单元输出送料控制信号后，三维打印方法还包括：控制单元判断色彩信号是否与预设色彩匹配；如色彩信号与预设色彩匹配，则控制单元向阀门装置输出开关控制信号。

由上可见，阀门装置的设置使得混合后的成型材料经过检测单元检测通过后，在根据开关控制信号对阀门进行开启，如检测后的颜色与预设不一致， 则通过控制送料装置进行颜色调整，直至颜色调整精确，使得三维成像的模型颜色更为准确。

附图说明

图1是本发明三维打印机第一实施例中打印头的结构图。

图2是本发明三维打印机第一实施例中打印头的剖视图。

图3是本发明三维打印机第一实施例的结构原理图。

图4是本发明三维打印机第一实施例的系统框图。

图5是本发明三维打印机第二实施例的结构原理图。

图6是本发明三维打印方法实施例的流程图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

三维打印机第一实施例：

三维打印机包括壳体，壳体围成用于三维成像的空腔，在该空腔内安装有X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机，Z轴移动电机安装在空腔的底部，在Z轴移动电机上连接有螺杆，在空腔的底壁还安装有导杆，在导杆上安装有Z轴移动支架，在该Z轴移动支架上设置有成型座，当Z轴移动电机工作时，将带动螺杆旋转，继而使得成型座在Z轴移动电机的驱动下在Z轴方向上移动。

Y轴移动电机安装在空腔的侧壁上，在侧壁上固定设置有导杆，在导杆上设置有Y轴移动支架，Y轴移动电机通过皮带与Y轴移动支架连接，当Y轴移动电机转动时，将通过皮带带动Y轴移动支架沿着导杆滑动，即Y轴移动支架在Y轴移动电机的驱动下在Y轴方向上移动。

在Y轴移动支架上安装有X轴移动电机和两根导杆，两根导杆分别设置在X轴移动电机的两侧，在两根导杆上设置有打印头1。当X轴移动电机转动时，将通过皮带带动打印头沿着导杆滑动，即打印头1在X轴移动电机的驱动下在X轴方向上移动。

参照图1和图2，图1是打印头1的结构图，图2是打印头1的剖视图，打印头1包括混料装置2、加热装置3、喷嘴4和搅拌装置5。混料装置2呈锥状设置，混料装置2设置有四个贯穿设置的导孔21，导孔21沿周向分布，四个导孔21由混料装置2的上端延伸到下端并在下端汇合，四个导孔21的下端均相互连通地设置，使得四个导孔21呈立体Y型树杈状地分布，导孔21的下端汇合处形成汇合腔22，四种不同颜色的丝料可从导孔21进入并伸入到汇合腔22中，在本实施例中丝料为三维打印的成型材料。

喷嘴4呈锥状设置，喷嘴4贯穿地设置熔融腔42，并在熔融腔42的下端设置有直径较小地挤出部41，喷嘴4设置在混料装置2的下方，使得熔融腔42与汇合腔22对接并且连通。在喷嘴4的侧壁上设置有透光部32，透光部32由透明且耐高温的材料制作而成，通过透光部32的设置使得光线能够从外部进入到熔融腔42内或从熔融腔42反射回到外部。

加热装置31设置在混料装置2和喷嘴4之间的位置上，具体地，加热装置31设置有安装孔，加热装置31套在熔融腔42和汇合腔22对接位置处，并对熔融腔42和汇合腔22进行加热，使得进入熔融腔42和汇合腔22的丝料11加热至熔融状态

搅拌装置5呈杆状设置，搅拌装置5的上端是驱动力接收部，通过接收驱动力使得搅拌装置5旋转，搅拌装置5从混料装置2的上端伸入到汇合腔22内，搅拌装置5的下端设置凸台52和筋条53，凸台52沿周向延伸，筋条53设置在搅拌装置5的下端外壁上，且筋条53呈螺旋状地布置。通过凸台52和筋条53的旋转搅拌作用下，有利于熔融状态的丝料11更好地进行混合。

参照图3和图4，图3是三维打印机的原理示意图，图4是三维打印机的系统框图。三维打印机还包括控制单元16、送料单元12、送料单元13、送料单元14、送料单元15、检测单元17、阀门单元18和驱动单元19。控制单元16为三维打印机的中央处理器，在控制单元16对驱动单元19的控制下，驱动单元19驱动X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机的转动，继而实现控制单元16对打印头水平方向上的移动和对成型座垂向方向上的移动。

由于送料单元12、送料单元13、送料单元14和送料单元15均相同，故以送料单元12为例进行说明，送料单元12包括材料供给电机(未示出)、驱动轮121、从动轮122和线材轮123，线材轮123绕卷有丝料11，驱动轮121接收材料供给电机输出的驱动力使其旋转，驱动轮121和从动轮122之间夹持有丝料11，驱动轮在旋转的作用下驱动丝料11进入混料装置2。不同送料单元输送不同种类的丝料11，故在控制单元16对送料单元的控制下，送料单元实现向混料装置2输送不同的丝料11。

检测单元17为设置在打印头1外的颜色传感器，颜色传感器向打印头1输出的检测光线，该检测光线穿过透光部32对位于熔融腔42内的加热混合后且处于熔融状态下的丝料进行颜色检测，检测光线被反射后穿过透光部32返回到颜色传感器中并生成色彩信号，检测单元17将色彩信号输出至控制单元16，控制单元16根据色彩信号进行分析运算判断其是否与预设颜色匹配，并根据分析处理结构向送料单元12、送料单元13、送料单元14和送料单元15输出对应的送料控制信号。

阀门装置18即可设置在打印头1的挤出部41外侧，亦可设置在打印头的挤出部41内侧，阀门装置18用于密闭熔融腔42，当控制单元16判断熔融腔42内的成型材料颜色与预设匹配时，则控制单元根据色彩信号向阀门装置输出开关控制信号，使得阀门装置开启，加热后的且颜色匹配的成型材料从喷嘴挤出，并在成型座上形成三维模型。

三维打印机第二实施例：

参照图5，图5是三维打印机第二实施例的结构原理图。在第一实施例相同原理和发明构思下，三维打印机包括打印头6、送料装置、检测单元64和控制单元65，打印头6包括呈管状弯折设置的混料装置61、加热装置67和喷嘴68，混料装置61设置有熔融腔62，加热装置67设置在熔融腔62外并对熔融腔62内的成型材料进行加热，在混料装置61的末端设置有喷嘴68，加热后的成型材料从喷嘴68挤出。

送料装置包括材料供给电机(未表示)和螺杆7，螺杆7设置在管状的混料装置61中，螺杆7接收材料供给电机输出的驱动力并实现旋转，螺杆7的周壁上设置有螺旋延伸的输送槽71。

送料单元还包括进料口72、73、74、75和76，五个进料口贯穿地设置在混料装置61上且位于螺杆7的一侧上，成型材料从进料口进入输送槽71，具体地，进料口72用于输入黑色色粉，进料口73用于输入黄色色粉，进料口74用于输入蓝色色粉，进料口75用于输入红色色粉，进料口76用于输入基色成型材料，在本实施例中，基色成型材料可以是丝状或粉末状的白色的PAL、ABS等其它塑胶材料，以及各种颜色的色粉和塑胶材料均为成型材料。成型材料进入输送槽71后，在螺杆7的旋转作用下，由右至左地将成型材料输送至熔融腔62，在加热装置67的加热作用下，多种成型材料进行加热混合，混合后的成像材料从喷嘴68挤出。

检测单元64为设置在打印头6外的颜色传感器，颜色传感器向打印头6输出的检测光线，该检测光线穿过透光部对位于熔融腔62内的加热混合后且处于熔融状态下的丝料进行颜色检测，检测光线被反射后穿过透光部返回到颜色传感器中并生成色彩信号，检测单元64将色彩信号输出至控制单元65，控制单元65根据色彩信号进行分析运算判断其是否与预设颜色匹配，并根据分析处理结构向送料单元中的进料口72、73、74、75、76输出对应的送料控制信号，即时进料口根据实际需求输出所需的色料和塑胶材料。

另外，还可以在打印头6的喷嘴68外设置阀门装置，阀门装置可以有控制单元65进行开关控制。以及还可以在熔融腔62设置可旋转的搅拌装置，使得混合更为充分。

三维打印机用的三维打印方法：

参照图6，图6是三维打印方法的流程图，执行三维打印方法时，首先执行步骤S11，控制单元根据预设色彩设置控制送料单元，随后执行步骤S12，送料单元根据预设色彩向打印头输出对应的成型材料，然后执行步骤S13，启动加热装置，加热装置对位于打印头内多种成型材料进行加热，加热至熔融状态的成型材料混合在一起。

随后执行步骤S14，检测单元检测加热混合后的成型材料的颜色并向控制单元输出色彩信号，然后执行步骤S15，控制单元判断色彩信号是否与预设色彩匹配，如色彩不匹配，则执行步骤S16，控制单元根据色彩信号向送料单元输出调节后的控制信号，使得进料单元根据实际色彩情况进行调节，送料单元根据送料控制信号向打印头输送对应的成型材料，随后返回并依次执行步骤S13、S14和S15。如检测的色彩与预设的色彩匹配，则执行步骤S17，控制单元向阀门装置输出开关控制信号，并使得阀门装置开启，加热后的且颜色匹配的成型材料从喷嘴挤出，最后执行步骤S18，打印头在驱动单元的驱动下按预设轨迹进行打印，并在成型座上形成三维模型。

另外，检测单元对成型材料的检测除了实时检测和实时控制外，还可以每隔一段时间进行一次检测，还可以只在刚开始打印的时候进行检测，并将调整好的颜色配合的颜色控制信号进行更新替换，这些改变都可以实现本发明的目的。

由上可见，虽然通过预设颜色使得送料装置按照预定的配比将成型材料输出至打印头内，多种成型材料热熔后混合在一起，但由于实际混合后的颜色受到不同成型材料的影响以及其他因素的影响，使得实际混合后的颜色不同于预设的颜色，故通过检测单元对加热后熔融状态的成型材料进颜色检测，随后输出对应的送料控制信号使送料装置进行调整，继而自动实现对颜色混合配比，且能够更准确智能地监测并控制三维彩色打印。

Claims (9)

1.三维打印机，包括打印头、用于控制所述打印头移动的控制单元和用于输送多种成型材料的送料单元，所述打印头包括混料装置、加热装置和喷嘴，所述混料装置用于接收多种所述成型材料，所述加热装置用于对所述成型材料进行加热，所述喷嘴用于挤出所述成型材料，

其特征在于，

所述三维打印机还包括检测单元，所述检测单元用于检测加热后的所述成型材料的颜色并向所述控制单元输出色彩信号，所述控制单元根据所述色彩信号向所述送料单元输出送料控制信号；

所述检测单元为设置在所述打印头外的颜色传感器，所述打印头的外壁设置有透光部，所述颜色传感器输出的检测光线穿过所述透光部。

2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述送料单元包括材料供给电机和驱动轮，所述驱动轮接收所述材料供给电机输出的驱动力，所述驱动轮用于驱动所述成型材料进入所述混料装置。

3.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述送料单元包括材料供给电机和螺杆，所述螺杆接收所述材料供给电机输出的驱动力。

4.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于：

所述送料单元还包括多个进料口，所述进料口设置在所述螺杆的侧面。

5.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述打印头还包括搅拌装置，所述搅拌装置可旋转地设置在所述打印头内。

6.根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：

所述搅拌装置的外壁设置有筋条。

7.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述打印头还包括阀门装置，所述阀门装置设置在所述打印头上，所述控制单元根据所述色彩信号向所述阀门装置输出开关控制信号。

8.三维打印机用的三维打印方法，其特征在于，所述三维打印机包括打印头、用于控制所述打印头移动的控制单元、用于输送多种成型材料的送料单元和检测单元，所述检测单元为设置在所述打印头外的颜色传感器，所述打印头的外壁设置有透光部，所述颜色传感器输出的检测光线穿过所述透光部；

所述三维打印方法包括：

所述检测单元检测加热后的所述成型材料的颜色并向所述控制单元输出色彩信号；

所述控制单元根据所述色彩信号向所述送料单元输出送料控制信号；

所述送料单元根据所述送料控制信号向所述打印头输送对应的所述成型材料。

9.根据权利要求8所述的三维打印方法，其特征在于：

所述打印头还包括阀门装置，所述阀门装置设置在所述打印头内；

在所述控制单元输出所述送料控制信号后，所述三维打印方法还包括：

所述控制单元判断所述色彩信号是否与预设色彩匹配；

如所述色彩信号与所述预设色彩匹配，则所述控制单元向所述阀门装置输出开关控制信号。