CN105773966A - 一种侧立面染色的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧立面染色的3D打印方法，步骤如下：⑴打印准备及数据处理，开启彩色立体打印机，处理获得3D打印物体的分层模型；⑵打印分层模型，染色外壳与辅助外壳之间形成一弧形夹缝；⑶喷墨，处理器控制打印机，将颜料的墨水滴落在染色外壳与辅助外壳之间形成的弧形夹缝内；⑷染色；⑸颜色固化；⑹进行下一工作循环，在已完成染色的染色外壳和辅助外壳上打印生成下一层的分层模型；⑺溶解或剥除外壳；⑻打印完成，完成全部分层模型的打印并染色后，将辅助外壳剥除，露出经染色的3D打印物体侧立面外表面，获得彩色的3D打印物体。本发明的打印方法便于实现，打印设备及打印材料的造价均较为低廉，打印效果好，适用范围广泛，具有良好的应用前景。

Description

一种侧立面染色的3D打印方法

技术领域

本发明涉及打印机设备技术领域，特别涉及3D打印机技术领域，具体是指一种侧立面染色的3D打印方法。

背景技术

目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术，这几种打印方式获得的物体都只有少量的几种颜色，存在色彩贫乏的缺陷。

对比已公开的相近专利技术，国内专利申请201410294525以及申请号201410045626的专利均提出以水平方向移动的垂直墨头喷墨的方法来直接对每一熔积层层面上表面进行染色，利用渗透的方法将上表面的喷墨墨水渗透到打印层侧立面，从而达到侧立面显示图像的目标，但是，此种方法的墨滴的渗透方向不容易控制，容易造成侧立面成像点的颜色缺失或浓度过高，不容易产生清晰的图像。还有其他方法是通过对打印物体侧向水平喷墨来直接为侧立面喷墨染色，但这种侧向喷墨的方法无法为侧立面形状较复杂或有遮挡的位置染色，因此也无法满足全部侧立面染色要求。另外，由于墨滴紧邻打印层边缘进行打印，而边缘是非完全水平面，墨滴有可能飞溅到已打印的物体层体的外立面，从而造成二次颜料污染，影响成品美观。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够将彩色墨水喷至打印物体侧立面的方法，同时提出配套的打印装置、打印材料，提高表面色彩表现力的高精度。

一种侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：步骤如下：

⑴打印准备及数据处理，开启彩色立体打印机，处理获得3D打印物体的分层模型；

⑵打印分层模型，分层模型包括相互接触的染色外壳和辅助外壳，染色外壳与辅助外壳之间形成一弧形夹缝；

⑶喷墨，处理器控制打印机，将颜料的墨水滴落在染色外壳与辅助外壳之间形成的弧形夹缝内；

⑷染色，墨水吸附在染色外壳上；

⑸颜色固化，墨水中的的颜料固化在染色外壳的侧立面上；

⑹进行下一工作循环，完成单层染色处理后，在已完成染色的染色外壳和辅助外壳上打印生成下一层的分层模型，重复步骤⑵至步骤⑹，直至完成全部分层模型的打印；

⑺溶解或剥除外壳，完成全部分层模型的打印并染色后，根据辅助外壳材料特性选择将辅助外壳溶解或剥除，露出经染色的3D打印物体侧立面外表面；

⑻打印完成，获得彩色的3D打印物体。

而且，所述步骤⑴中，向彩色立体打印机输入需要打印的3D打印物体模型数据，打印机的处理器计算分析进行均匀分层切片获得分层模型数据，每一层的分层模型数据均包括染色外壳和辅助外壳；生成染色外壳的单层打印线路，同时，生成紧贴生成染色外壳外轮廓的辅助外壳的单层打印线路，并且，处理器根据需要打印的3D打印物体模型数据计算获得分层模型所有染色点位置以及每个染色点所需的颜料，对应分层模型，生成对应的单层染色喷墨打印路线。

而且，步骤⑵中，染色外壳采用高渗透高浸润材料先行打印成型，而后沿着染色外壳的侧立面采用低渗透不浸润的材料打印辅助外壳，染色外壳与辅助外壳相互接触但并不形成整体，染色外壳与辅助外壳相互接触的侧立面截面均为略有外凸的弧形体，染色外壳与辅助外壳之间形成了弧形夹缝。

而且，步骤⑷由于染色外壳采用高渗透高浸润材料先行打印成型，而后采用低渗透不浸润的材料打印辅助外壳，墨水全部被染色外壳的侧立面附着或吸收。

而且，步骤⑸中，将相同颜色或不同颜色的墨水多次喷射在同一染色点上，产生所需的组合颜色。

而且，墨水的溶剂采用水或者光固化树脂。

而且，所述彩色立体打印机是一种三角柱形3D打印机，包括彩色墨水盒、机架、可移动平台、高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头、彩色墨水喷头、载物平台、基座、高渗透料丝存储盒、低渗透料丝存储盒以及相应的导管，在基座上安装有三角柱形3D打印机的机架，机架内下端安装有滑轨，在滑轨上安装有一载物平台；在载物平台上方的机架内安装有一可移动平台，该可移动平台的下端分别安装有高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头，高渗透料丝挤出头通过导管连通高渗透料丝存储盒，低渗透料丝挤出头通过导管连通低渗透料丝存储盒，彩色墨水喷头连通彩色墨水盒；彩色立体打印机还安装有一处理器或通过数据线连接计算机，控制可移动平台以及载物平台的升降运动，并且分别控制高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头在单层打印线路的对应位置挤出相应剂量的材料。

而且，所述彩色立体打印机是一种XYZ三轴立体打印机，包括可移动平台、高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头、彩色墨水喷头、载物平台以及底座，在底座中部安装有载物平台，该载物平台用于承载3D打印物体，在载物平台外周的底座四角分别竖直固装有Z轴立柱，左、右两侧的Z轴滑道上端分别水平固定装有一Y轴滑道，该左、右两侧的Y轴滑道上水平安装有一X轴滑道，在X轴滑道上的滑块上安装有一可移动平台，该可移动平台下端，该可移动平台的下端分别安装有高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头；彩色立体打印机还安装有一处理器或通过数据线连接计算机，控制可移动平台进行移动，并且分别控制高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头在单层打印线路的对应位置挤出相应剂量的材料。

而且，在可移动平台上还安装有烘干灯。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的打印方法可进行侧立面表面直接喷墨染色，侧立面染色均匀完整，而且色彩可控制，能够满足3D打印的全部侧立面染色需求，且打印染色效果好。

2、本发明对于3D打印中形状复杂或者有遮挡的侧立面达到同样完美的染色，保证染色效果，适用于各种形状打印要求，适用范围广泛。

3、本打印方法染色定位精确，对于已经染色的部分进行有效保护，不会造成二次颜料污染，而且也不会造成环境污染。

4、本发明只对侧立面进行染色，对于3D打印模型本体的没有影响，模型密度高，强度高，而且色彩效果好。

5、本发明的打印方法便于实现，打印设备及打印材料的造价均较为低廉，打印效果好，适用范围广泛，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图；

图2为3D打印剖面示意图；

图3为染色外壳与辅助外壳接触面的局部示意图；

图4为图2滴落墨滴的染色示意图；

图5为实施例一的彩色立体打印机结构示意图；

图6为实施例二的彩色立体打印机结构示意图。

1染色外壳,2墨滴，3辅助外壳；4彩色墨水盒，5机架，6可移动平台，7高渗透料丝挤出头，8低渗透料丝挤出头，9彩色墨水喷头，10载物平台，11基座，12烘干灯，13高渗透料丝存储盒，14导管，15低渗透料丝存储盒，16X轴滑道，17Y轴滑道，18Z轴立柱，19底座，20高渗透料丝存储盒，21低渗透料丝存储盒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种侧立面染色的3D打印方法，其核心是一种夹缝毛细渗透侧立面染色法，步骤如下：

⑴打印准备及数据处理，开启彩色立体打印机，处理获得3D打印物体的分层模型；

输入需要打印的3D打印物体模型数据，打印机的处理器通过计算分析进行均匀分层切片获得分层模型数据，每一层的分层模型数据均包括染色外壳1和辅助外壳3，其中，染色外壳是将3D打印物体进行均匀分层获得的数据模型，辅助外壳是贴紧3D打印物体的染色外壳外侧立面的数据模型，每一层的染色外壳与辅助外壳一一对应贴合；

生成染色外壳的单层打印线路，同时，生成紧贴生成染色外壳外轮廓的辅助外壳的单层打印线路，并且，处理器根据需要打印的3D打印物体模型数据计算获得分层模型所有需要染色的点位置以及每个染色点所需的颜料，对应分层模型，生成每一层对应的单层染色喷墨打印路线；

⑵打印分层模型，包括一层相互接触的染色外壳和辅助外壳；

染色外壳采用高渗透高浸润材料先行打印成型，而后沿着染色外壳的侧立面采用低渗透不浸润的材料打印辅助外壳，染色外壳与辅助外壳相互接触但并不形成整体，由于每一层分层模型都是采用熔融材料挤出形成的单层结构，染色外壳与辅助外壳相互接触的侧立面不是完全垂直贴合的，而是略有外凸的弧形体，参见附图3所示的分层微观放大图，染色外壳与辅助外壳之间形成了弧形夹缝；

⑶喷墨，处理器控制打印机，将颜料的墨水2滴落在染色外壳与辅助外壳之间形成的弧形夹缝内(参见附图3所示)，墨滴经过夹缝时由于毛细作用及重力作用快速向下沿着最外层轮廓线侧立面扩散，由于染色外壳与辅助外壳紧密接触，墨水无法通过两种材料所形成的紧密夹缝，只能停止下落，此时墨水被吸附在夹缝内的侧立面上对应的染色点上，参见附图4所示；

由于有辅助外壳的保护，墨水准确的滴落在设定位置，有效避免打印过程中出现墨水飞溅到其余侧立面的情况，即使出现飞溅墨水也会落在辅助外壳上；

⑷染色，墨水被染色外壳吸收，染色位置准确；

由于染色外壳采用高渗透高浸润材料先行打印成型，而辅助外壳采用低渗透不浸润的材料，墨水全部被染色外壳的侧立面附着或被吸收；

墨水包括颜料和溶剂，其中，溶剂部分由于分子较小，渗透较快较深，而颜料部分则留在染色外壳的侧立面表面，多种不同颜色的颜料经组合，有效产生所需的组合色彩，只对染色外壳形成有效的染色，避免浪费颜料；

墨水的溶剂可采用水或者光固化树脂，如果采用水作为溶剂，那么可以通过红外线灯加快溶剂蒸发；如果溶剂采用光固化树脂，也可采用紫外线灯加快固化，最终形成稳定的组合色彩；

⑸颜色固化，墨水中的颜料固化染色外壳的侧立面上；

根据需要将相同颜色或不同颜色的墨水多次在同一染色点进行喷射，产生所需的组合颜色，使用红外线或紫外线进行照射，加速墨水中溶剂的渗透或光固化树脂的固化，从而将颜料完全固化在染色外壳最外层轮廓线侧立面上；

⑹进行下一工作循环，完成单层染色处理后，在已完成染色的染色外壳和辅助外壳上打印生成另一层染色外壳和辅助外壳，重复步骤⑵至步骤⑹，直至完成全部分层模型的打印；

⑺溶解或剥除外壳，一种侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：步骤如下：

⑴打印准备及数据处理，开启彩色立体打印机，处理获得3D打印物体的分层模型；

⑵打印分层模型，分层模型包括相互接触的染色外壳和辅助外壳，染色外壳与辅助外壳之间形成一弧形夹缝；

⑶喷墨，处理器控制打印机，将颜料的墨水滴落在染色外壳与辅助外壳之间形成的弧形夹缝内；

⑷染色，墨水吸附在染色外壳上；

⑸颜色固化，墨水中的的颜料固化在染色外壳的侧立面上；

⑹进行下一工作循环，完成单层染色处理后，在已完成染色的染色外壳和辅助外壳上打印生成下一层的分层模型，重复步骤⑵至步骤⑹，直至完成全部分层模型的打印；

⑺溶解或剥除外壳，完成全部分层模型的打印并染色后，根据辅助外壳材料特性选择将辅助外壳溶解或剥除，露出经染色的3D打印物体侧立面外表面；

根据高渗透浸润材料以及低渗透不浸润材料本身的特性选择去除辅助外壳的方式，便于快速去除辅助外壳，而且不损伤3D打印物体本身；

⑻打印完成，获得彩色的3D打印物体，此时外表面已形成色彩丰富的图案，满足多功能打印的要求。

打印墨水

上述墨水可以采用有色染料与溶剂组成，其中溶剂包含水，树脂，可光固化树脂，也可以是有色染料与光固化树脂的组合物，其他物质还可以有渗透剂，荧光剂，稳定剂等熟知的填充剂。

打印材料

本发明涉及到应用3D打印材料上的主要有高渗透浸润材料与低渗透不浸润材料，其中，低渗透不浸润材料可以采用PLA，ABS等一般3D打印材料，而高渗透材料可采用改性PLA，ABS等材料，所述的材料还可以包含有机填料、无机填料、颜料等。此打印材料的固化主剂硬化后无体积收缩的，此材料可以导电或被磁化。

打印装置

实施例一

本实施例所示的彩色立体打印机是一种三角柱形3D打印机，具体结构参见说明书附图5所示：

包括彩色墨水盒4、机架5、可移动平台6、高渗透料丝挤出头7、低渗透料丝挤出头8、彩色墨水喷头9、载物平台10、基座11、高渗透料丝存储盒13、低渗透料丝存储盒15以及相应的导管14，在基座上安装有三角柱形3D打印机的机架，在机架内部下端安装有一可升降的载物平台10，该载物平台上方的机架内驱动安装有一可移动平台6，该可移动平台的下端分别安装有高渗透料丝挤出头7、低渗透料丝挤出头8以及彩色墨水喷头9，高渗透料丝挤出头通过导管14连通高渗透料丝存储盒13，低渗透料丝挤出头通过导管连通低渗透料丝存储盒，彩色墨水喷头连通彩色墨水盒；

三角柱形3D打印机的具体安装结构：

载物平台的安装结构具体为：在机架内部设置有三根竖直的滑轨，在该三根滑轨上安装有载物平台，载物平台可以沿滑轨上、下移动，在滑轨的安装位置的载物平台下端均安装有驱动电机，驱动载物平台沿滑轨进行上、下移动；

可移动平台的安装结构具体为：三根竖直的滑轨上部分别安装有一根导向连杆的端部，三根导向连杆的另外一端分别连接到可移动平台上；导向连杆在滑轨上移动并且可以进行伸缩、摆动，通过控制三根导向连杆分别进行移动、伸缩就能够驱动可移动平台进行多个方向的移动，从而进行各种形状的3D打印；

彩色立体打印机还安装有一处理器或通过数据线连接计算机，控制可移动平台以及载物平台的升降运动，并且分别控制高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头在单层打印线路的对应位置挤出相应剂量的材料。

为了加快固化速度，在可移动平台上还安装有烘干灯12，根据墨水的类型不同烘干灯可选用紫外线灯或红外线灯。

使用本彩色立体打印机打印时，通过建立立体物体计算机模型，对其进行切片分层，得到每一层的成型数据，设置单层打印线路，将得到的信息数据关联到打印机的计算机上，挤出装置将由高渗透浸润材料熔融后通过移动的平台上的挤出头均匀挤出，挤出头跟随移动平台在水平方向运动，将单层打印线路逐一完成，挤出装置将由不浸润或低浸润材料熔融后通过移动的平台上的挤出头均匀挤出，挤出头跟随移动平台在水平方向运动，将辅助外壳线路逐一完成，然后将不同喷头中的含有不同颜料的墨滴喷在打印物体最上层的最外轮廓线与辅助外壳之间的夹缝中，墨滴经过夹缝时由于毛细作用及重力作用快速向下沿着最外层轮廓线侧立面扩散吸收，墨水的溶剂部分由于分子较小，渗透较快较深，颜料部分分子量较大则留在侧立面的表面，多种不同颜色的颜料经组合，产生所需的组合颜色，同时，紫外线灯或红外线灯可以加快溶剂蒸发或光固化树脂的固化，移动平台提升垂直方向高度，再行在原有固化后的层体上挤出熔融材料，进行下一工作循环，直到最终完成立体物体的打印。

实施例二

本实施例所示的彩色立体打印机是一种XYZ三轴立体打印机，具体结构参见说明书附图6所示：

包括可移动平台6、高渗透料丝挤出头7、低渗透料丝挤出头8、彩色墨水喷头9、载物平台10以及底座19，在底座中部安装有载物平台10，该载物平台用于承载3D打印物体，在载物平台外周的底座四角分别竖直固装有Z轴立柱18，左、右两侧的Z轴滑上端分别水平固装有一Y轴滑道17，该左、右两侧的Y轴滑道之间水平移动安装有一X轴滑道16，该X轴滑道可以沿着Y轴滑道进行移动；在X轴滑道上安装有一可移动平台6，该可移动平台可以沿X轴滑道导向移动；

可移动平台的下端分别安装有高渗透料丝挤出头7、低渗透料丝挤出头8以及彩色墨水喷头9，高渗透料丝挤出头通过导管连通有高渗透料丝存储盒20，低渗透料丝挤出头通过导管连通有低渗透料丝存储盒21，彩色墨水喷头连通彩色墨水盒4；

彩色立体打印机还安装有一处理器或通过数据线连接计算机，控制可移动平台进行移动，并且分别控制高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头在单层打印线路的对应位置挤出相应剂量的材料。

为了加快固化速度，在可移动平台上可以安装有紫外线或红外线的烘干灯。

采用本打印机打印工作时，首先通过建立立体物体计算机模型，对其进行切片分层，得到每一层的成型数据，设置单层打印线路，将得到的信息数据关联到打印机的计算机上，挤出装置将由高渗透浸润材料熔融后通过移动的平台上的挤出头均匀挤出，挤出头跟随移动平台在水平方向运动，将单层打印线路逐一完成，挤出装置将由不浸润或低浸润材料熔融后通过移动的平台上的挤出头均匀挤出，挤出头跟随移动平台在水平方向运动，将辅助外壳线路逐一完成，然后将不同喷头中的含有不同颜料的墨滴喷在打印物体最上层的最外轮廓线与辅助外壳之间的夹缝中，墨滴经过夹缝时由于毛细作用及重力作用快速向下沿着最外层轮廓线侧立面扩散吸收，墨水的溶剂部分由于分子较小，渗透较快较深，颜料部分分子量较大则留在侧立面的表面，多种不同颜色的颜料经组合，产生所需的组合颜色，同时，紫外线灯或红外线灯可以加快溶剂蒸发或光固化树脂的固化，移动平台提升垂直方向高度，再行在原有固化后的层体上挤出熔融材料，进行下一工作循环，从而完成立体物体的打印。

Claims (9)

1.一种侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：步骤如下：

⑴打印准备及数据处理，开启彩色立体打印机，处理获得3D打印物体的分层模型；

⑵打印分层模型，分层模型包括相互接触的染色外壳和辅助外壳，染色外壳与辅助外壳之间形成一弧形夹缝；

⑶喷墨，处理器控制打印机，将颜料的墨水滴落在染色外壳与辅助外壳之间形成的弧形夹缝内；

⑷染色，墨水吸附在染色外壳上；

⑸颜色固化，墨水中的的颜料固化在染色外壳的侧立面上；

⑹进行下一工作循环，完成单层染色处理后，在已完成染色的染色外壳和辅助外壳上打印生成下一层的分层模型，重复步骤⑵至步骤⑹，直至完成全部分层模型的打印；

⑺溶解或剥除外壳，完成全部分层模型的打印并染色后，根据辅助外壳材料特性选择将辅助外壳溶解或剥除，露出经染色的3D打印物体侧立面外表面；

⑻打印完成，获得彩色的3D打印物体。

2.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：所述步骤⑴中，向彩色立体打印机输入需要打印的3D打印物体模型数据，打印机的处理器计算分析进行均匀分层切片获得分层模型数据，每一层的分层模型数据均包括染色外壳和辅助外壳；生成染色外壳的单层打印线路，同时，生成紧贴生成染色外壳外轮廓的辅助外壳的单层打印线路，并且，处理器根据需要打印的3D打印物体模型数据计算获得分层模型所有染色点位置以及每个染色点所需的颜料，对应分层模型，生成对应的单层染色喷墨打印路线。

3.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：步骤⑵中，染色外壳采用高渗透高浸润材料先行打印成型，而后沿着染色外壳的侧立面采用低渗透不浸润的材料打印辅助外壳，染色外壳与辅助外壳相互接触但并不形成整体，染色外壳与辅助外壳相互接触的侧立面截面均为略有外凸的弧形体，染色外壳与辅助外壳之间形成了弧形夹缝。

4.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：步骤⑷由于染色外壳采用高渗透高浸润材料先行打印成型，而后采用低渗透不浸润的材料打印辅助外壳，墨水全部被染色外壳的侧立面附着或吸收。

5.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：步骤⑸中，将相同颜色或不同颜色的墨水多次喷射在同一染色点上，产生所需的组合颜色。

6.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：墨水的溶剂采用水或者光固化树脂。

7.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：所述彩色立体打印机是一种三角柱形3D打印机，包括彩色墨水盒、机架、可移动平台、高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头、彩色墨水喷头、载物平台、基座、高渗透料丝存储盒、低渗透料丝存储盒以及相应的导管，在基座上安装有三角柱形3D打印机的机架，机架内下端安装有滑轨，在滑轨上安装有一载物平台；在载物平台上方的机架内安装有一可移动平台，该可移动平台的下端分别安装有高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头，高渗透料丝挤出头通过导管连通高渗透料丝存储盒，低渗透料丝挤出头通过导管连通低渗透料丝存储盒，彩色墨水喷头连通彩色墨水盒；彩色立体打印机还安装有一处理器或通过数据线连接计算机，控制可移动平台以及载物平台的升降运动，并且分别控制高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头在单层打印线路的对应位置挤出相应剂量的材料。

8.根据权利要求1所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：所述彩色立体打印机是一种XYZ三轴立体打印机，包括可移动平台、高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头、彩色墨水喷头、载物平台以及底座，在底座中部安装有载物平台，该载物平台用于承载3D打印物体，在载物平台外周的底座四角分别竖直固装有Z轴立柱，左、右两侧的Z轴滑道上端分别水平固定装有一Y轴滑道，该左、右两侧的Y轴滑道上水平安装有一X轴滑道，在X轴滑道上的滑块上安装有一可移动平台，该可移动平台下端，该可移动平台的下端分别安装有高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头；彩色立体打印机还安装有一处理器或通过数据线连接计算机，控制可移动平台进行移动，并且分别控制高渗透料丝挤出头、低渗透料丝挤出头以及彩色墨水喷头在单层打印线路的对应位置挤出相应剂量的材料。

9.根据权利要求7或8所述的侧立面染色的3D打印方法，其特征在于：在可移动平台上还安装有烘干灯。