CN106042377B - 一种3d打印产品彩色涂层动态结构呈色方法 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，包括如下步骤：使用聚苯乙烯微球制作光子晶体用作3D打印的产品彩色涂层材料；光子晶体色彩理论模型计算；3D打印机机头调节控制；3D打印机粒径尺度控制；使用所述光子晶体结构呈色做涂层材料，在产品表面按颜色喷涂不同粒径光子晶体，使其呈现不同结构色，来实现产品表面涂层物理结构呈色；本发明利用光子晶体制备方法、3D打印技术、图像处理技术及计算机技术，推算出光子晶体涂层颜色与光子晶体粒径关系，可实现3D彩色打印机能根据材料物理结构色呈色理论实现涂层动态上色，并为3D打印机环保无污染物理上色应用拓展提供理论依据。

Description

一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法
技术领域
本发明属于微结构呈色研究技术领域，也属于3D打印机结构呈色领域，特别涉及一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法。
背景技术
一般3D产品彩色打印都是通过化学色染色而形成，而结构色在3D打印上的研究和应用还很少。比如一般3D彩色打印都是通过颜色塑料丝粘接在物体表面，或者通过喷绘颜色剂在物体表面，打印时间长，精度不够，颜色构成不均匀，也容易失真。为形成自然色，减少染色污染，提高3D产品色彩自然度，提出在产品表面喷涂光子晶体，通过调节光子晶体的粒径实现3D产品表面喷涂色彩结构呈色。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，利用3D打印技术、图像处理技术及计算机技术，结合光子晶体微球粒径距离计算方法，设计3D打印机粒径尺度控制装置，可实现3D彩色打印机能根据材料物理结构色呈色理论实现动态上色，并为3D打印机环保无污染物理上色应用拓展提供理论依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，包括如下步骤：
使用聚苯乙烯微球制作光子晶体用作3D打印的产品彩色涂层材料；
光子晶体色彩理论模型计算；
3D打印机机头调节控制；
3D打印机粒径尺度控制；
使用所述光子晶体结构呈色做涂层材料，在产品表面按颜色喷涂不同粒径光子晶体，使其呈现不同结构色，来实现产品表面涂层物理结构呈色。
所述使用聚苯乙烯微球制作光子晶体用于3D打印的产品彩色涂层材料，具体包括：将过硫酸钾0.14g，苯乙烯6-8ml，甲基丙烯酸1ml，水100ml混合，实现聚苯乙烯粒径由100-400nm变化，颜色呈现由紫色到红色逐步变化，制得所述由光子晶体构成的彩色涂层材料。
所述光子晶体色彩理论模型计算是：由于色彩是光子晶体内部排列一种反映，它遵循bragg定律：其中d为晶格常数，它与光子晶体直径D满足d＝(2/3)0.5D，而f为材料的体积分数，nair为1，根据材料体积比算出f＝0.056～0.073，角度为0，把已知值代入公式(1)就可以推算出色彩变化与粒径尺度关系的理论模型，根据理论模型，由生成颜色进而控制和调制光子晶体粒径尺度。
所述3D打印机机头调节控制是基于6轴模式，由一点开始，沿着产品表面路径打印。
依次按产品结构形态路径打印图形是根据产品表面图形色彩信息，分辨颜色，选取合适聚苯乙烯光子晶体颗粒，寻求对应的颗粒尺度大小和间距，接着控制和调节物料环境参数，改变聚苯乙烯光子晶体颗粒大小，并相应调节喷头尺度大小和喷头移动速度，控制颗粒间距，最后让符合条件的颗粒从喷头喷出，喷头在计算机控制下，按设定好的产品结构形态路径移动，在产品表面一层一层堆积聚苯乙烯光子晶体颗粒，完成彩色涂层打印。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有3D产品上色打印技术一般通过化学上色，具有打印时间长，精度不够，颜色构成不均匀，也容易失真等问题，更重要的是容易环境污染。而本发明利用光子晶体制备方法、3D打印技术、图像处理技术及计算机技术，推算出光子晶体涂层颜色与光子晶体粒径关系，可实现3D彩色打印机能根据材料物理结构色呈色理论实现涂层动态上色，并为3D打印机环保无污染物理上色应用拓展提供理论依据。
附图说明
图1是本发明模块协同工作流程图。
图2是本发明流程图。
图3是3D打印机机头路径调节控制装置框图。
图4是3D打印机粒径尺度控制装置框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和和图2所示，一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，包括以下内容：
1、3D打印由光子晶体构成的彩色涂层材料物料配制：将过硫酸钾0.14g，苯乙烯6-8ml，甲基丙烯酸1ml，水100ml混合，实现聚苯乙烯粒径由100-400nm变化，一般当反应温度75度时，粒径逐步增加，颜色呈现由紫色到红色逐步变化，制得所述由光子晶体构成的彩色涂层材料。
2、理论模型公式的推算，由于色彩是光子晶体内部排列一种反映，它遵循bragg定律：
其中d为晶格常数，它与光子晶体直径D满足d＝(2/3)0.5D，而：
其中nair为1，f为材料的体积分数，根据材料体积比算出(为0.056～0.073)，角度为0，把已知值代入公式(1)就可以推算出波长变化(也即色彩变化)与粒径尺度关系的理论模型公式，根据理论模型，由生成颜色进而控制和调制光子晶体粒径尺度。
3、3D打印机机头调节控制，3D打印机机头调节控制装置的结构如图3所示，主要由电路控制模块，路径规划模块、速度/温度控制装置以及操作面板组成。
3D打印喷头移动路径，这里借鉴采用同济大学提出的6D打印模型，3D打印机机头调节控制是基于6轴模式，由一点开始，沿着产品表面路径打印。
4、3D打印机光子晶体粒径尺度控制。3D打印机粒径尺度控制装置的结构如图4所示，主要由喷头尺度控制模块、喷头移动速度控制模块、物料环境参数控制模块组成。
3D产品表面涂层物理呈色过程，依次按产品结构形态路径打印图形是根据产品表面图形色彩信息，分辨颜色，选取合适聚苯乙烯光子晶体颗粒，寻求对应的颗粒尺度大小和间距，接着控制和调节物料环境参数，改变聚苯乙烯光子晶体颗粒大小，并相应调节喷头尺度大小和喷头移动速度，控制颗粒间距，最后让符合条件的颗粒从喷头喷出，喷头在计算机控制下，按设定好的产品结构形态路径移动，在产品表面一层一层堆积聚苯乙烯光子晶体颗粒，完成彩色涂层打印。
一个具体的实施例如下：
配制过硫酸钾0.14g，甲基丙烯酸1ml，水100ml，苯乙烯6-8ml，混合，当反应温度75度时，粒径逐步增加，可以实现聚苯乙烯粒径由100-400nm变化，颜色呈现由紫色到红色逐步变化。
工作流程图如图1所示，首先根据彩色产品图，判断当前涂层区域所需涂颜色，然后根据颜色与粒径关系式并把公式(2)代入，求出所需聚苯乙烯颗粒粒径大小，相应得到当下喷头的直径尺度信息，和调整物料参数信息(即调整聚苯乙烯的体积含量值)，又根据彩色产品图，得到产品结构形态图，进而求出喷头移动路径轨迹图，然后根据喷头尺度信息和移动轨迹，控制和调整喷头，逐步完成产品表面用聚苯乙烯实现结构色彩色上色。
当产品表面为红色时，控制模块就调整聚苯乙烯体积为8ml，控制模块调整喷头直径为400nm，再根据产品形态结构图规划路径图，再根据路径图调整喷头移动方向和路径，同理，逐步根据产品表面颜色变化，相应调整聚苯乙烯用量和喷头直径尺度，一般喷头直径尺度范围(100-400nm)，就可实现聚苯乙烯光子晶体结构色彩色喷涂产品表面涂层。

Claims (2)

1.一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用聚苯乙烯微球制作光子晶体用作3D打印的产品彩色涂层材料，具体包括：将过硫酸钾0.14g，苯乙烯6-8ml，甲基丙烯酸1ml，水100ml混合，实现聚苯乙烯微球粒径由100-400nm变化，颜色呈现由紫色到红色逐步变化，制得所述由光子晶体构成的彩色涂层材料；
光子晶体色彩理论模型计算，方法如下：由于色彩是光子晶体内部排列一种反映，它遵循bragg定律：其中d为晶格常数，它与光子晶体直径D满足d＝(2/3)0.5D，而nair为1，f为材料的体积分数，根据材料体积比算出f＝0.056～0.073，角度θ为0，把这些已知值代入式(1)就可以推算出色彩变化与粒径尺度关系的理论模型，根据理论模型，由生成颜色进而控制和调制光子晶体粒径尺度；
3D打印机机头调节控制；
3D打印机粒径尺度控制；
使用所述光子晶体呈色做涂层材料，在产品表面按颜色喷涂不同粒径光子晶体，使其呈现不同结构色，来实现产品表面涂层物理结构呈色，根据产品表面图形色彩信息，分辨颜色，选取合适聚苯乙烯光子晶体颗粒，寻求对应的颗粒尺度大小和间距，接着控制和调节物料环境参数，改变聚苯乙烯光子晶体颗粒大小，并相应调节喷头尺度大小和喷头移动速度，控制颗粒间距，最后让符合条件的颗粒从喷头喷出，喷头在计算机控制下，按设定好的产品结构形态路径移动，在产品表面一层一层堆积聚苯乙烯光子晶体颗粒，完成彩色涂层打印。
2.根据权利要求1所述3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，其特征在于，所述3D打印机机头调节控制是基于6轴模式，由一点开始，沿着产品表面路径打印。
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