CN106103052B - 与三维打印机一起使用的系统及用于使用该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种组件，其被构造成联接到具有打印机头的3D打印机并与其连通，包括定位于3D打印机的上游的颜料涂抹单元。所述颜料涂抹单元被构造成接收细丝并将细丝引导到3D打印机的打印机头。所述组件还包括联接到颜料涂抹单元的颜料涂抹器。所述颜料涂抹器可操作以将颜料选择性地涂抹到细丝的内表面。

Description

与三维打印机一起使用的系统及用于使用该系统的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求以下各者的优先权：2014年2月19日提交的美国临时专利申请号61/941,899；2014年9月17日提交的美国临时专利申请号62/051,944；以及2015年1月5日提交的美国专利申请号14/589,841，所有以上专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
本申请涉及一种用于与三维（3D）打印机一起使用的着色系统。本申请还涉及一种用于生产3D、着色的物体的方法。
三维（3D）打印是指通过叠加过程来产生3D物体的过程，其中，在计算机的控制下铺设材料的连续层。照惯例，三维打印机能够使用挤出3D打印过程，其涉及熔融沉积成型（FDM）过程或类似过程，其中，建造材料被加热且接着逐层沉积到建造平台上。通过将许多薄层添加在彼此顶部上，有时数百个或数千个薄层，产生3D物体。
通常，3D打印机包括至少一个打印机头或挤出机，其含有喷嘴，熔化的建造材料从所述喷嘴被挤出到建造平台上以产生3D物体。建造材料一般源自呈细丝形式的原料聚合物的上游馈送。此细丝以固体被馈送到挤出机的上部区域中，在所述区域中，细丝然后被熔化并在连续流中从挤出机喷嘴以其熔融形式沉积。
发明内容
在一个实施例中，本公开提供一种组件，其被构造成联接到具有打印机头的3D打印机并与其连通。所述组件包括定位于3D打印机的上游的颜料涂抹单元。所述颜料涂抹单元被构造成接收细丝并将细丝引导到3D打印机的打印机头。所述组件还包括联接到颜料涂抹单元的颜料涂抹器。所述颜料涂抹器可操作以选择性地将颜料涂抹到细丝的内表面。
在另一个实施例中，本公开提供一种制备用于与3D打印机的打印机头一起使用的细丝的方法。所述方法包括：在定位于3D打印机的上游的颜料涂抹单元处接收细丝。所述方法还包括：通过联接到颜料涂抹单元的颜料涂抹器，将颜料涂抹到细丝的内表面。所述方法进一步包括：将细丝从颜料涂抹单元引导到3D打印机的打印机头。
在另一个实施例中，本公开提供一种用于与3D打印机的打印机头一起使用的细丝。所述细丝包括外表面和内表面，其具有选择性地涂抹到其的颜料。内表面的颜色通过外表面可见。
本公开的其它方面将通过考虑详细描述和附图变得显而易见。
附图说明
图1是包括3D打印机和联接到3D打印机的组件的系统的透视图，所述组件包括颜料涂抹单元、颜料涂抹器、和联接器。
图2是图1中所示的颜料涂抹单元、颜料涂抹器、和联接器的平面图。
图3是系统的透视图，所述系统包括3D打印机和根据本发明的另一个实施例的具有联接器的组件。
图4是图1-3的系统的示意图。
图5和图6图示穿过3D打印机头的喷嘴的流体流动的示意图。
图7是用于与3D打印机一起使用的另一个颜料涂抹单元的分解透视图。
图8是图7的颜料涂抹单元的透视、第一侧视图。
图9是图7的颜料涂抹单元的透视、第二侧视图。
图10是用于与3D打印机一起使用的另一个颜料涂抹单元的透视图。
图11是图10的颜料涂抹单元的侧视图。
图12是图10的颜料涂抹单元的分解图。
图13和图14图示用于与3D打印机一起使用的另一个颜料涂抹单元。
图15是系统的示意图，所述系统包括3D打印机和根据另一个实施例的组件。
图16是图15的组件的示意图。
图17是用于与3D打印机一起使用的另一个组件的示意图。
图18-20图示通过图1-4以及图7-17的组件所产生的细丝。
图21图示使用常规着色技术所生产的3D物体。
图22图示使用图1-3的组件所生产的3D物体。
在详细解释本公开的任何实施例之前，应理解，本公开在其应用方面并不限于在以下描述中描述或在以下图中图示的部件的构造和布置的细节。本公开能够实现其它实施例，且能够以各种方式被实践或实行。
具体实施方式
图1、图3和图15图示3D打印机10，其包括具有喷嘴18并被能滑动地定位于平台22上方的打印机头或挤出机14。喷嘴18（图5和图6）包括壁24，所述壁限定延伸穿过其的通道26。通道26具有入口30和出口34。通道26还具有从入口30到出口34减小的直径D。
图1-3图示颜料涂抹和馈送组件100，其被构造成联接到3D打印机10并与其连通。所图示的组件100包括颜料涂抹单元104和颜料涂抹器156。在所图示的实施例中，组件100包括六个颜料涂抹器156，但可替代地包括更少或更多的颜料涂抹器156。每个颜料涂抹器156均联接到（例如，由后者支撑）颜料涂抹单元104，以将颜料涂抹到细丝（例如，下文所论述的第一细丝部分144）的表面。组件100还包括定位于颜料涂抹单元104和3D打印机10之间的联接器或退火单元108。在所图示的实施例中，颜料涂抹单元104和联接器108联接到支撑结构或框架112并定位于其中。
在图1-3中所图示的实施例中， 颜料涂抹单元104包括限定纵向轴线A的主体120。主体120包括第一端124、第二端128、第一侧132及第二侧136。在所图示的实施例中，主体120被形成为单件；但在其它实施例中，主体120可由联接到彼此的多个单独件形成。主体120进一步包括从第一端124延伸到第二端128的第一通道或导管140。导管140被定尺寸和成形以从第一卷轴148接收第一细丝（或线）部分144，所述第一卷轴被定位成邻近主体120的第一端124。第一细丝部分144可为具有任何合适尺寸或形状的任何合适的材料，如下文更详细地论述的。在所图示的实施例中，第一细丝部分144基本上为圆柱形或杆状，且可具有在0.5-3.0 mm的范围内的直径，优选地具有大约1.75 mm的直径。
主体120还限定从第一侧132和第二侧136中的每一者朝导管140延伸的通孔或开口152。每个通孔152均被构造成能运动地（例如，能滑动地）接收其中一个颜料涂抹器156。在图1-3以及图7-9中所图示的实施例中， 颜料涂抹器156是具有颜料涂抹器尖端158a的细长构件158。细长构件158包含有色材料，且通过尖端158a分配有色材料。例如，细长构件158可为毡制粗头记号笔（felt-tip marker）或笔（pen）。尽管其它实施例利用其它类型的颜料涂抹器156，这在下文将更详细地论述。而且，在图1-3中所图示的实施例中，通孔152被定向成相对于主体120的纵向轴线A（图2）成角度θ。在一些实施例中，角度θ的范围能够从大约20度到大约70度。在所图示的实施例中，角度θ为大约30度。在另外的实施例中，角度θ可大于或小于本文中所图示的角度。在所图示的实施例中，主体120还包括被定向成大体垂直于纵向轴线A的开口160。每个开口160均对应于其中一个通孔。开口160使得颜料涂抹器156（且更具体地，尖端158a）能够与导管140中的细丝部分144连通，以选择性地将颜料涂抹到细丝部分144。开口160使用户在视觉校准过程期间能够看到颜料涂抹器156，且更具体地，尖端158a。
如图2中所示，颜料涂抹单元104还包括马达组件164。所图示的马达组件164包括马达和接合细丝部分144的滚筒。马达驱动（例如，旋转）滚筒以使细丝部分144运动通过主体120的导管140。在所图示的实施例中，马达组件164定位于主体120上方以牵拉细丝部分通过导管140。在其它实施例中，马达组件164可相对于主体120定位于别处，以推动或牵拉细丝部分144通过导管140。
进一步关于图1-3， 支撑结构112具有在颜料涂抹单元104的两侧上联接到支撑表面174的两个构件170。颜料涂抹器156通过致动器176（图2）联接到所述构件170。在所图示的实施例中，颜料涂抹器156被偏置（例如，通过弹簧、凸轮、杠杆等等）到第一位置，使得颜料涂抹器尖端158a与导管14间隔开。每个致动器176均能通过马达176a选择性地致动（例如，能旋转、能滑动或以能其它方式运动）。致动所述致动器176使颜料涂抹器156朝导管140运动，以将颜料涂抹到导管140内的细丝部分144。
所图示的支撑构件170还支撑第二卷轴180和第三卷轴184，这两个卷轴分别包括第二和第三细丝（或线）部分188、192。第二和第三细丝部分188、192可以是具有任何合适尺寸或形状的任何合适的材料。参考图19a，在所图示的实施例中，第二和第三细丝部分188、192中的每一者均包括具有基本上弓形槽204的基本上C形主体200。因此，第二和第三细丝部分188、192各自限定壁208，所述壁具有在近似0.01- 1.5 mm的范围内的厚度t，优选地具有0.5 mm的厚度。第二和第三细丝部分188、192基本上是清澈的或透明的（例如，无色）。
返回参考图1-3， 联接器108与颜料涂抹单元104和卷轴148、180、184间隔开。所图示的联接器108定位于颜料涂抹单元104的下游以及3D打印机10的上游。在所图示的实施例中，联接器108悬挂于颜料涂抹单元104的上方。在其它实施例中，联接器108可定位于别处。关于图2，联接器108包括具有第一端224和第二端228的主体220。所述主体220包括具有第一入口236的第一通道232、具有第二入口244的第二通道240、以及具有第三入口252的第三通道248。入口236、244、252定位于主体220的第一端224处。第一、第二和第三通道232、240、248延伸通过主体220并汇聚到单个排出通道260中，所述排出通道在主体220的第二端228处具有出口264。由第二马达270致动的滚筒组件268被定位成邻近联接器108的第一端224。导管274（图1）在联接器108和打印机头14之间延伸。在图1-2中所图示的实施例中，联接器108包括彼此间隔开的第一、第二及第三部分232'、240'、248'，第一、第二及第三通道232、240、248分别延伸通过所述第一、第二及第三部分。第一、第二及第三部分232'、240'、248'彼此联接，以限定排出通道260。然而，在图3的实施例中，第一、第二及第三通道232、240、248被包含在基本上矩形的主体220内并沿其延伸。第一、第二和第三通道232、240、248在邻近于联接器108的第二端228的主体220内汇聚，之后被引导通过导管274，如上文所提到的。
在操作中且参考图1-4，第一细丝部分144通过第一马达164从第一卷轴148前进并运动通过在颜料涂抹单元104的主体120中的导管140。当第一细丝部分144前进通过主体120时，颜料涂抹器156被选择性地致动（例如，通过选择性地使致动器176的马达通电），以将颜料涂抹到第一细丝部分144的一部分。例如，马达176a致动所述致动器176以使相应的颜料涂抹器156朝导管140滑动或运动，并进入到第二位置中，在第二位置中颜料涂抹器尖端158a接触第一细丝部分144。当尖端158a接合第一细丝部分144时，涂抹器156将颜料涂抹到细丝部分144。如本文中所使用，“颜料”是指被涂抹到细丝部分144以改变或增强（例如，提亮或加强）细丝部分144的颜色的材料或物质（例如，墨水、涂层等）。所述颜色可以是任何颜色或颜色（包括白色）的混合。
在涂抹了颜料之后，接着将第一细丝部分144引导到联接器108中的第一入口236。同时，第二和第三细丝部分188、192分别被引导到联接器108的第二和第三入口244、252。优选地，第二和第三细丝部分188、192被引导通过联接器108，使得槽204（图19a）面对彼此。因此，第一、第二及第三细丝部分144、188、192从联接器108的第一端224被引导通过相应通道232、240、248到第二端228。换句话说，马达270致动滚筒组件268，以使第一、第二及第三细丝部分144、188、192中的每一者相应地前进通过联接器108的第二、第一及第三通道232、240、248。在第一、第二及第三通道232、240和248汇聚的情况下，第二和第三细丝部分188、192的槽204接收在其之间的第一细丝部分144。一旦第一细丝部分144定位于第二和第三细丝部分188、192之间，第二和第三细丝部分188、192便被压在一起或以其它方式机械地被联接，以产生细丝290。从而第二和第三细丝部分188、192基本上包围第一细丝部分144以产生细丝290。当联接在一起时，细丝290限定具有在1.0 mm到5.0 mm的范围内的直径的圆柱形形状，使得细丝290可与合适的3D打印机（例如，打印机10（图1和图3））一起使用。
细丝290限定细丝轮廓294，所述细丝轮廓包括被第二和第三细丝部分188、192围绕或环绕的第一着色的细丝部分144。就此，细丝290包括外表面298和内表面300。在上文所论述的组件100的实施例中，外表面298由第二和第三细丝部分188、192限定，且内表面包括第一细丝部分144。在图1-3以及图19a的实施例中，涂抹到细丝290的颜料被涂抹到表面300，并被细丝部分188和192的表面204覆盖。细丝部分188、192是透明的，因此有色材料从细丝298的外部是可见的。
在形成细丝290之后，细丝290通过导管274从联接器108运动到打印机头14。打印机头14被构造成加热并熔化细丝290的材料，使得所熔化的材料能够运动通过喷嘴18并通过其沉积到平台22上。尤其，细丝290以固体被馈送到打印机头14的上部区域中，在所述区域中，细丝然后被熔化成其熔融形式。细丝290的熔融形式在连续流中被引导通过喷嘴18中的通道26，并从喷嘴18沉积。因此，喷嘴18将材料逐层沉积到平台22上，以从底表面到顶表面来建造3D物体。
关于图5，通常，当细丝312被推动通过喷嘴18时，喷嘴18的壁24和细丝312的外表面之间的摩擦导致细丝312的外部部分比前进中的细丝312的剩余部分运动地更慢。壁摩擦导致能够在图5中看到的速度剖面。如所图示，能够看到在喷嘴18中央处的材料比边缘处的材料运动得快的多。这导致来自细丝312的最外边缘的一些材料被留下并且稍后在打印过程中被混入到细丝中。
另外，当挤出喷嘴18的直径减小时，出现滞流或涡流308（图5）。涡流通常形成于喷嘴18内流动中的突变过渡部分周围。涡流308导致材料流通缓慢。由于这种材料流通缓慢，所以其从流过涡流308的新材料的外边缘牵拉额外的材料，并将旧材料推回到当前流过的材料中。图5和图6图示将颜料引入到细丝的外表面的效果。如图6中所图示的，当颜料被涂抹到细丝的内表面时（根据本发明），在喷嘴直径改变期间防止颜料粘在喷嘴18的壁24上并被困在涡流308中。
根据本文中所论述的优选实施例，颜料被涂抹到细丝290的内表面300。然而，在其它实施例中，能够将颜料涂抹到元件188和192的表面204，或涂抹到细丝290的全部内表面204和300。仅在细丝290的内部部分或表面上具有颜料克服了从一种颜料整洁过渡到另一种颜料的问题。换句话说，虽然在上述连续过程中能够同样地或替代地将颜料直接添加到细丝312或其它建造材料的外表面，但是如果颜料被涂抹到细丝290的外表面，那么从一种颜料过渡到另一种颜料需要延长的时间段以将前一种有色材料从喷嘴冲走，因为由于壁摩擦着色的材料将被留下，如上所述。额外地，如果颜料是在细丝的外表面上，那么一旦新颜料已经完全实行，涡流308可能是产生旧颜料的原因。图21中图示了3D物体，所述物体已使用在外表面上具有颜料的细丝被着色。
相比之下，将颜料添加到细丝290的内表面300基本上消除了由壁摩擦和涡流308两者引起的问题，且因此使在不同颜料当中的转换简单化。这是因为第一着色的细丝部分144（例如，细丝290的内表面300）被第二和第三细丝部分188、192（例如，外表面298）包围，所述第二和第三细丝部分基本上为清澈的或透明的。因此，所留下的材料也基本上为清澈的或透明的，并且不影响正流经喷嘴18的后续颜料。换句话说，在喷嘴18的直径改变期间禁止颜料粘在喷嘴18的壁24上并被困在涡流308中。图22中图示了3D物体，其已使用在内表面290上具有颜料的上述细丝290被着色。图21与图22之间的比较说明了在图22的3D物体中颜色能够更快速地或明显地改变的程度（例如，在更少的层内）以及颜色较不模糊的程度。例如，涂抹到细丝中心的颜色之间的过渡距离是0-5 cm，而当对细丝的外部着色时颜色之间的过渡距离是10-100 cm。过渡距离的此95%的减小使得在对多个部分着色时能够使用3D打印机10来生产更多细节。
为将颜料涂抹到细丝290的内表面，颜料涂抹单元104可具有不同于图1-3中所图示的构型的其它构型。例如，在图1-3的实施例中，颜料涂抹单元104被构造成在主体120的各侧上保持三个颜料涂抹器156。然而，在图7-9中所图示的实施例中，颜料涂抹单元104在120的各侧上仅能够容纳一个颜料涂抹器156。因此，多个颜料涂抹单元104可相对于彼此被适当地定位，以给予第一细丝部分144不同颜色。图7-9的所图示的颜料涂抹单元104使得系统很容易扩展以容纳任何所需数目的不同颜色（例如，两种、四种、十种、二十种等）。
进一步关于图7-9，颜料涂抹单元104被构造成在主体120的各侧上能移除地接收颜料涂抹器156。尤其，颜料涂抹单元104包括保持器或皮套320，所述保持器或皮套各自被构造成能移除地接收其中一个颜料涂抹器156。每个颜料涂抹器156均被固定在皮套320中的适当位置。每个颜料涂抹器156还通过马达176a接合或脱离结合，以控制何时将颜料分配到第一细丝部分144的一部分上以涂抹所述颜料。根据需要，能够用包含不同颜料的不同颜料涂抹器156来更换颜料涂抹器156。
虽然在图10-12的实施例中颜料涂抹单元104和联接器108被构造为单独的结构，但在其它实施例中，颜料涂抹单元和联接器可整合成单个单元或结构（例如，图10-12中所图示的颜料涂抹单元350）。
如图10-12中所示，颜料涂抹单元350包括主体354，所述主体具有联接到第二构件362的第一构件358。第一和第二构件358、362中的每一者的内表面366、370均限定三个槽374、378、382。第一槽374定位于第二槽378和第三槽382之间。另外，通孔或开口386从第一构件358和第二构件362中的每一者的外表面390、394延伸到第一构件258和第二构件362中的每一者的内表面366、370。每个通孔386均被构造成能滑动地接收颜料涂抹器156。而且，在图10-12中所图示的实施例中，通孔286被定向成相对于纵向轴线A成角度θ。在一些实施例中，角度θ的范围能够从大约20度到大约70度。在所图示的实施例中，角度θ为大约45度。在另外的实施例中，角度θ可大于或小于本文中所图示的角度。
当第一构件358和第二构件362联接在一起时，第一槽374限定第一通道或导管410，第二槽378限定第二通道414，且第三槽382限定第三通道418。第一、第二和第三通道410、414、418从主体354的第一端422延伸到主体354的第二端426。在主体354的第一端422处，第一、第二和第三通道410、414、418彼此间隔开。当通道前进通过主体354时，邻近的通道之间的距离减小，直到三个通道410、414、418汇聚到位于主体354的第二端426附近的单个排出通道中。马达组件（类似于上文所论述的马达组件164）能够被定位成邻近于主体354的第一端422，并且能够包括滚筒，所述滚筒接合细丝部分144、188、192以驱动所述细丝部分144、188、192通过主体354。
在操作中，第一、第二及第三细丝部分144、188、192通过马达组件从其相应卷轴148、180、184被牵拉。第一、第二及第三细丝部分144、188、192相应地运动通过在颜料涂抹单元104的主体354中的第一、第二及第三通道410、414、418。当第一细丝部分144运动通过主体354时，颜料涂抹器156选择性地被致动，以将颜料涂抹到第一细丝部分144，如上文关于图1-3所论述的。在主体354的第二端422附近，细丝部分144、188、192汇聚（如上文关于图1-3的实施例所论述的）以产生细丝290，所述细丝被引导到3D打印机10。尤其，在图10-12的实施例中，第二和第三通道414、418引导第二和第三细丝部分188、192成各自逐渐产生90度转弯，使得细丝部分188、192在其离开主体354时包裹在第一细丝部分144周围。
在图1-3以及图7-10的实施例中，颜料涂抹器156为含有并分配颜料的细长构件158（例如，记号笔），如上文所论述的。然而，在其它实施例（图13和图14）中，颜料涂抹单元的颜料涂抹器156可为喷墨盒450。在一些实施例中，墨盒450为压电喷墨盒，其经由处理器被致动以选择性地将颜料施用到第一细丝部分144。
压电喷墨盒450包括打印头454，所述打印头使用脉冲发生器来提供电信号。所述信号被施加在压电晶片两端，所述压电晶片中的一者收缩并且所述压电晶片中的另一者膨胀，由此导致片组件朝压力腔弯曲。这导致体积减小，从而赋予打印头喷嘴458中的液态染料充分的动能，使得液态染料的墨滴从打印头454中的开口射出。合适的压电激活型喷墨盒450的示例可在以下专利中找到：美国专利号4,549,191；美国专利号4,584,590；美国专利号4,887,100；美国专利号5,016,028；美国专利号5,065,170和美国专利号5,402,162。
液态染料可被包含在多个馈送容器内，所述馈送容器装备有计量装置（未示出）以控制施用到细丝10的染料或其它组合物的速率及量。
图13图示使用一个压电喷墨盒450来涂抹液态染料形式的颜料。图14图示使用多个喷墨盒450来施用多种颜料以实现针对最终3D物体的颜色选项的更大幅度。
在额外的或替代的实施例中，颜料涂抹器156可为热喷墨、压力喷墨、压电泵、压力泵、喷雾机械装置（例如，使用空气或压力）、微流体装置（例如，注射器系统）或冲压或橡胶涂抹器。
在一些实施例中，可包括位于颜料涂抹单元104的下游的“固色区域”，在所述区域中，颜料被完全或部分地固定到细丝部分144。出于本技术的目的，“固色”是指确保颜料被结合于在联接器前面的细丝的至少一部分的表面上。此固色可能是由于聚合、粘合、干燥、硬化、交联、加成反应或在打印过程期间及之后确保颜料仍结合于细丝部分144上的任何其它过程。例如，在一些实施例中，固色区域可为热干燥单元（未示出）和/或可包括气体、空气射流或风扇（未示出），以辅助干燥或以其它方式将颜色固定到细丝部分144。仍在其它实施例中，细丝部分144上的颜料可在一段时间内风干，之后进入联接器。
图1-3以及图10-12中所图示的实施例说明了颜料涂抹和馈送组件，其中，三个细丝部分144、188、192被组合或联接以产生被馈送到3D打印机的细丝290。然而，应理解，细丝290可由更少或更多的细丝部分来构造。例如，图15-17图示了颜料涂抹和馈送组件500，其中，两个细丝部分504、508被组合或联接以产生被馈送到3D打印机的细丝290。如图18和图19中所示，第一和第二细丝部分504、508包括半圆柱体细丝轮廓294。所述半圆柱体细丝部分504、508可从分割原先圆柱形细丝来构造，或可照此被制造。因此，颜料被涂抹到第一和第二细丝部分504、508中的每一者的内表面512、516。在一些实施例中，可分割所述两个细丝部分504、508以暴露内表面512、516并涂抹颜料，但其仍保持连接在一起。
如图15-17中所示， 在第一和第二细丝部分504、508联接在一起以产生细丝290之前，经由颜料涂抹器156将颜料涂抹到所述细丝部分504、508的内表面512、516。与涂覆细丝290的外表面298相对，这允许将颜料按需要或连续地结合到细丝290的内表面300，从而允许3D物体的增强的多重着色。
上文所论述的图4的示意图也适用于3D打印机10以及图15-17的颜料涂抹和馈送组件500的操作。关于图15，每个细丝部分504、508均被引入到颜料涂抹器104。尤其，通过机动化滚筒528（分别地，每个细丝部分504、508使用一个机动化滚筒）每个细丝部分504、508均从其相应卷轴520、524被牵拉通过颜料涂抹单元104。在其它实施例中，可替代地由单个马达来控制机动化滚筒528，所述单个马达可以是也控制3D打印机10中的馈送器的同一个马达。机动化滚筒528以相同速率牵拉每个细丝部分504、508通过颜料涂抹单元104并进入到联接器108中。替代地，可由以相同速率工作的单独的马达来控制每个机动化滚筒528。因此，按照用户的指导，将一种或多种颜料涂抹到细丝部分504、508的内表面512、516。在将颜料涂抹到细丝部分504、508的表面512、516之后，在联接器108中使所述两个细丝部分504、508结合在一起以产生细丝290。细丝部分504、508的着色表面512、516构成细丝290的内表面300。一旦联接，细丝290便被引入到3D打印机10中，在所述3D打印机中，细丝290被加热并从挤出机喷嘴18逐层被挤出到建造平台22上，如上文所论述。这产生了多色3D物体。
图16和图17图示了机动化滚筒528的替代性配置，所述机动化滚筒可用来控制细丝部分504、508并将其引导到3D打印机。图16包括位于颜料涂抹单元104的上游的一组机动化滚筒528。图17图示了位于联接器108的下游且打印机头14的上游的单个机动化滚筒528的使用。
可能优选的是，使用这些或其它机动化滚筒528配置的任何组合以将细丝部分504、508输送到3D打印机10。同样可能优选的是，包括额外的制动辊和引导系统（未描绘）以在牵拉细丝部分504、508通过颜料涂抹单元104并将其引入到联接器108中时在每个细丝部分504、508中提供一致的拉力。
在额外的或替代性实施例中，可使用单个细丝或大于三个的细丝部分。图20图示了潜在细丝轮廓（例如，横截面）的几个示例，所述细丝轮廓可用来将颜料涂抹到细丝的内表面。图20中所图示的示例并不意欲为排他性列表。例如，图20图示了额外细丝轮廓形状的几个示例，包括单个、完整的细丝线、三分之一线、和四分之一线，上述各者可用来改进联接和/或颜料涂抹及随后的饱和且并不意欲作为排他性列表。因此，包括在一个和六个之间的联接的细丝部分的细丝290可通过本文中所描述的其中一个颜料涂抹单元进行着色，并被引入到用于与3D打印机10一起使用的联接器中。
虽然示例性细丝轮廓294决不为排他性的，但细丝轮廓可被构造为“星”形状600或“十字形”形状604。此外，细丝轮廓可为“阶梯状”轮廓608、“凹口状”轮廓612、“菱形凹口状”轮廓616、“Z状”轮廓620或者包含在图20中或其他方式的其它变型。细丝轮廓的其它示例可包括“齿-和-梳”形状或“凹口-和-锁”形状。
为实现这些轮廓，能够实施若干制造过程。最常见的做法是使用能够被机加工成细丝的期望轮廓的挤出机模。能够通过所述模挤出塑料以产生期望的细丝轮廓。另外，还能够将一系列滚筒和/或滤器与挤出系统一起使用，以将挤出的塑料成形为期望的细丝轮廓。这些是可能的过程的两个示例，而并非是详尽列表。
本文中所描述的细丝部分144、188、192、504、508可由与3D打印机兼容的任何材料被构造。尤其，细丝及其细丝部分可由通常与当前可用的3D打印机一起用的聚乳酸（PLA）和丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）热塑性塑料被构造。在其它实施例中，ABS细丝由基于油的资源制成，具有比PLA塑料高得多的熔点且更牢固及更硬。在其它实施例中，PLA细丝为生物可降解型塑料，其由基于植物的资源（例如，玉米淀粉或甘蔗）制造而成。其它材料可包括但不限于聚醋酸乙烯酯（PVA）、尼龙、热塑性弹性体（TPE）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、耐冲击聚苯乙烯（HIPS）、柔性材料、石材细丝、木材细丝、或导电性ABS细丝。额外地，青铜填充物、木材填充物和导电性填充物也在可构造所述材料的材料的范围内。在其它实施例中，取决于用户的需求和最终3D物体的意向，可使用两种类型的热塑性塑料或任何其它合适的聚合物建造材料来打印多色3D物体。此外，材料发展是3D打印的一个不断进化的方面，且因此细丝可由还未知的材料被构造。额外地，可将添加剂加到细丝。添加剂包括但不限于颜料、导电材料、磁性材料、抗菌材料、金属、粘合剂和调料。
本文中所描述的颜料可为溶剂染料、墨水、色素和/或任何其它合适的化学组合物或添加剂，诸如芳香剂、抗菌物质、调料、导电材料、磁性材料、闪光剂、荧光材料、和活细胞。在优选的实施例中，颜料涂抹单元104将把溶剂染料用作涂抹组合物以用于将颜料添加到细丝部分144、504、508。染料可由二甲苯、乙酸乙酯、乳酸乙酯、乙醇、丁醇和丙酮或其任何组合组成。替代地，可使用其它有机染料、色素和/或墨水以将颜料整合到细丝部分144、504、508中。这些所列举的组合物意欲作为可能的涂抹组合物的示例且并不意欲为排他性的。
颜料的溶剂的组合物由用于细丝和其细丝部分的材料和溶剂的溶解度参数来确定。有效溶剂将在待溶解或渗透的塑料材料内具有大约2 (cal/cm3) 0.5的溶解度参数。例如，PLA具有10.3 (cal/cm3) 0.5的溶解度参数，及二甲苯、乳酸乙酯和乙酸乙酯分别具有8.8 (cal/cm3) 0.5、10.41 (cal/cm3) 0.5和9.1 (cal/cm3) 0.5的溶解度参数。
返回参考图1，本文中所图示并描述的颜料涂抹和馈送组件100、500中的每一者还包括控制器700、电力供应模块704、用户界面708、通信模块712和马达模块716。
控制器或处理器700是外部装置（例如，计算机）的一部分，或连接到所述外部装置。控制器700（或计算机）包括软件和硬件的组合，除其它功能外，所述组合可操作以控制颜料涂抹和馈送组件100、500的操作、控制从卷轴148、180、184、520、524牵拉细丝部分144、188、192、504、508的速度以及控制涂抹到细丝部分144、504、508的颜料。在一个实施方案中，控制器700或外部装置包括印刷电路板（“PCB”），所述PCB填充有向电力分配装置提供电力、操作控制和保护的多个电气电子部件。在一些实施方案中，PCB包括（例如）处理单元（例如，微处理器、微控制器或另一合适的可编程装置）、存储器和总线。总线将PCB的各种部件（包括存储器）连接到处理单元。存储器包括，例如，只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）、电可擦可编程只读存储器（“EEPROM”）、快闪存储器、硬盘，或另一合适的磁性的、光学的、物理的或电子的存储器装置。处理单元连接到存储器，并执行能够被存储在以下各者中的软件：RAM（例如，在执行期间）、ROM（例如，在一般永久的基础上）或另一非暂态计算机可读介质（诸如，另一个存储器或光盘）。额外地或替代地，存储器被包含在处理单元中。控制器还包括输入/输出（“I/O”）单元，所述I/O单元包括用于在控制器内的部件和颜料涂抹组件的其它部件或3D打印机之间传递信息的例程。例如，通信模块被配置成提供颜料涂抹和馈送组件与3D打印机中的一个或多个装置之间的通信。
在一些实施方案中，被包含在电力分配装置中的软件被存储在控制器700的存储器中。所述软件包括，例如，固件、一个或多个应用、程序数据、一个或多个程序模块及其它可执行指令。除了别的之外，控制器700被配置成从存储器检索与上述控制程序及方法有关的指令并执行所述指令。例如，控制器700被配置成执行从存储器检索到的指令，以基于接收在来自外部源或来自存储器的数据包中的数据确定将哪种颜料涂抹到细丝部分144、504、508。在一些实施方案中，控制器700或外部装置包括额外的、更少的或不同的部件。在一些实施例中，可利用计算机程序以辅助执行本技术。例如，使用与3D打印机10相结合的计算机程序，用户将期望的3D物体的模型输入到程序中。用户接着指示在计算机模型上的一种或多种期望颜色。计算机程序于是逐层切割着色模型，从而产生针对涂抹哪一个或哪几个颜料以及何时涂抹颜料的指导，并将这些指导发送到颜料涂抹单元104。
除其它部件外，PCB还包括多个额外的无源和有源部件，诸如电阻器、电容器、电感器、集成电路和放大器。这些部件被布置和连接以向PCB提供多种电气功能，所述电气功能除其它外还包括滤波、信号调节或电压调整。出于描述性目的，将PCB和被填充于PCB上的电气部件共同地称为控制器700。
电力供应模块704将额定AC或DC电压供应到颜料涂抹和馈送组件100、500。电力供应模块704由主电源供电，所述主电源具有在（例如）100V和240V AC之间的额定线电压和近似50-60 Hz的频率。电力供应模块704还被配置成供应更低的电压以操作在颜料涂抹和馈送组件100、500内的电路和部件。在一些实施方案中，电力分配装置由一个或多个电池或电池组供电。
包括用户界面708，以整体上控制颜料涂抹和馈送组件100、500或控制3D打印机10的操作。用户界面可操作地联接到控制器，以控制（例如）涂抹到细丝部分144、504、508的颜料。用户界面708能够包括为实现以期望程度控制系统所需的数字和模拟输入装置的任何组合。例如，用户界面708能够包括具有显示器和输入装置的计算机、触摸屏显示器、多个旋钮、拨号盘、开关、按钮、增益调节器等等。在一些实施方案中，用户界面与颜料涂抹和馈送组件100、500分离。
通信模块712将信号发送到一个或多个单独的通信模块，和/或从一个或多个单独的通信模块接收信号。信号除其它组成外还包括信息、数据、串行数据和数据包。通信模块712能够经由导线、光纤和/或无线地联接到一个或多个单独的通信模块。经由导线和/或光纤的通信能够是本领域的技术人员所熟知的任何适当的网络拓朴，诸如，以太网。无线通信能够是本领域的技术人员所熟知的任何适当的无线网络拓朴，诸如，Wi-Fi。
除其它部件外，马达模块716包括一个或多个马达装置。所述一个或多个马达装置164、268、528被配置成从控制器700接收信号并牵拉细丝部分144、188、192、504、508通过颜料涂抹组件。在一些实施方案中，所述一个或多个马达装置是步进马达。
所图示的控制器700还联接到颜料涂抹器156的马达组件176。在一些实施方案中，控制器700将信号传输到马达组件176，这导致组件176移动颜料涂抹器156。例如，基于针对3D打印物体的特定层或部分的期望颜色，控制器700能够在合适的时间致动马达组件176以对细丝290进行着色，使得被用来形成所述特定层或部分的细丝290的多个部分是恰当颜色。由于控制器700、颜料涂抹单元100和3D打印机10用作单个系统，所以控制器700知道在细丝290实际上将被打印机10使用之前着色的细丝290将行进多远。控制器700考虑到该时滞以适当地对细丝290进行着色。此外，控制器700能够连续地致动和停止致动马达组件176以将不同颜料涂抹到细丝290的不同段。例如，控制器700能够致动组件176，以使细丝290的第一段（例如，10 cm长）着有第一颜色（例如，红色），使细丝290的第二段（例如，20 cm长）着有第二颜色（例如，蓝色），且使细丝290的第三段（例如，15 cm长）着有第三颜色（例如，白色）。涂抹到细丝290的颜料的量和类型能够由用户编程到控制器700中，或能够由控制器700基于在（例如）CAD模型中所识别的期望颜色来自动地确定。
尽管上文已参考本发明的某些优选实施例描述了本发明，但在如所描述的本发明的一个或多个独立方面的精神和范围内存在变型和修改。所附权利要求中阐述了本公开的各种特征和优点。

Claims (18)

1.一种组件，其被构造成联接到具有打印机头的3D打印机并与其连通，所述组件包括：
颜料涂抹单元，所述颜料涂抹单元被定位于所述3D打印机的上游，所述颜料涂抹单元被构造成接收细丝并将所述细丝引导到所述3D打印机的所述打印机头；以及
颜料涂抹器，所述颜料涂抹器被联接到所述颜料涂抹单元，所述颜料涂抹器可操作以将颜料涂抹到所述细丝的内表面。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述细丝包括第一细丝部分和第二细丝部分，所述第一细丝部分限定所述内表面，并且所述组件进一步包括联接器，所述联接器被定位于所述颜料涂抹器的下游，并且被构造成将所述第一细丝部分结合到所述第二细丝部分以形成所述细丝。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述颜料涂抹单元和所述联接器被整合在一起作为单个单元。
4.根据权利要求2所述的组件，其中，所述联接器包括具有第一通道和第二通道的主体，其中，所述第一通道接收所述第一细丝部分，且所述第二通道接收所述第二细丝部分，并且其中，所述第一通道和所述第二通道在所述主体内汇聚以形成引导所述细丝通过所述主体的排出通道。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，所述联接器包括马达和由所述马达致动的滚筒组件，并且其中，所述滚筒组件接合所述第一细丝部分和所述第二细丝部分以使所述细丝前进通过所述主体。
6.根据权利要求4所述的组件，其中，所述联接器的所述主体还具有接收第三细丝部分的第三通道，其中，所述第三通道与所述第一通道和所述第二通道汇聚以形成所述排出通道，并且其中，所述联接器结合所述第二细丝部分和所述第三细丝部分以包围所述第一细丝部分。
7.根据权利要求1所述的组件，其进一步包括联接到所述颜料涂抹单元的第二颜料涂抹器，所述第二颜料涂抹器可操作以将不同颜料选择性地涂抹到所述细丝的所述内表面。
8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述颜料涂抹单元包括：主体；延伸通过所述主体的导管；以及马达，所述马达接合所述细丝以使所述细丝运动通过所述导管。
9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述颜料涂抹单元包括延伸通过所述主体并与所述导管连通的通孔，并且其中，所述颜料涂抹器包括细长构件，所述细长构件包含所述颜料并具有颜料涂抹器尖端，使颜料通过所述通孔涂抹到所述细丝，并且其中，所述细长构件的至少一部分被能滑动地接收在所述通孔内以选择性地接合所述细丝并将颜料涂抹到所述细丝上。
10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述颜料涂抹器包括喷墨盒。
11.一种制备用于与3D打印机的打印机头一起使用的细丝的方法，所述方法包括：
在定位于所述3D打印机的上游的颜料涂抹单元处接收所述细丝；
通过联接到所述颜料涂抹单元的颜料涂抹器，将颜料涂抹到所述细丝的内表面；以及
将所述细丝从所述颜料涂抹单元引导到所述3D打印机的所述打印机头。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述细丝包括第一细丝部分和第二细丝部分，所述第一细丝部分限定所述内表面，并且所述方法进一步包括将所述第一细丝部分联接到所述第二细丝部分以形成所述细丝。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述第一细丝部分联接到所述第二细丝部分包括：通过定位于所述颜料涂抹器的下游的联接器，将所述第一细丝部分和所述第二细丝部分结合在一起。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述联接器包括具有第一通道和第二通道的主体，所述第一通道和所述第二通道在所述主体内汇聚以形成排出通道，所述方法进一步包括：
将所述第一细丝部分接收在所述第一通道中；
将所述第二细丝部分接收在所述第二通道中；以及
在所述排出通道内将所述第一细丝部分和所述第二细丝部分结合在一起。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述细丝引导到所述打印机头包括：分配来自所述联接器的所述排出通道的所述细丝，并将所述细丝引导到所述打印机头。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述细丝进一步包括第三细丝部分，并且所述方法进一步包括：将所述第二细丝部分联接到所述第三细丝部分，以将所述第一细丝部分包围在所述第二细丝部分和所述第三细丝部分之间。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述颜料涂抹器包括具有颜料涂抹器尖端的细长构件或喷墨盒中的一者，如果所述颜料涂抹器是所述细长构件，那么将颜料涂抹到所述细丝的所述内表面包括移动所述颜料涂抹器尖端使其与所述内表面相接触；如果所述颜料涂抹器是所述喷墨盒，那么将颜料涂抹到所述细丝的所述内表面包括致动所述喷墨盒以分配颜料。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，将颜料涂抹到所述细丝的所述内表面包括：将第一颜料涂抹到所述内表面的第一段；以及将第二颜料涂抹到所述内表面的第二段，所述第一颜料不同于所述第二颜料。
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