CN106393662A - 一种全彩色3d打印的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全彩色3D打印装置及相应的打印方法，该装置包括彩色切片模块、控制主板、运动机构、线材挤出头、工作平台、彩色喷墨头。采用该装置，基于FDM技术和彩色喷墨打印技术，实现彩色三维实体的快速成型，该方法包括以下步骤：在计算机上建立三维实体模型，并进行色彩的添加；彩色切片模块对模型进行切片处理，获得带有彩色信息的彩色切片文件；将该文件输入彩色3D打印机，由打印机逐层打印，再在该层表面相应区域添加色彩；然后进行墨水固化；重复整个过程直至模型打印完成。采用这种逐层3D打印和上色的方法可以实现复杂三维结构的全彩色打印。

Description

一种全彩色3D打印的装置和方法

【技术领域】

本发明涉及一种3D打印技术；特别设计一种全彩色3D打印装置和全彩色3D打印方法。

【背景技术】

熔融沉积制造又叫熔线沉积制造，是一种不使用激光器的加工方法。FDM工艺最初由美国学者Scott Crump博士于1988年率先研制成功。FDM成形系统主要包括：挤出头、送线机构、运动机构、加热工作室、工作台面5个部分。喷头在计算机控制下作XY联动扫描，线材在喷头中被加热至略高于其熔点。喷头在扫描运动中喷出熔融的材料，快速冷却形成一个加工层并与上一层牢牢连接在一起。这样层层扫描迭加便形成一个空间实体。

目前，市面上的FDM打印机打印出来的物体只有一种颜色，或者是几种不同颜色材料的组合。要想获得彩色的模型，大都是在打印完成后在模型表面上进行上色。

还有一种方式是根据需要打印的颜色，利用预混器对红、黄、蓝三色树脂进行混合形成所需要的颜色，然后将混合后的树脂进行打印，最终获得彩色的3D产品。但是，该方案存在以下问题：需要打印的产品每个像素点的颜色均可能不同，因此，整个打印过程需要不断的变换颜色，而且单个像素点所需要的胶量非常小，采用预混合的方式打印难于实现在不同的颜色间进行切换，而且难于保证前一次颜色的胶水在预混合器内不会有残留而影响后一次颜色的效果。

【发明内容】

本公开解决的主要问题：提供一种全彩色3D打印装置和打印方法，用于实现更高品质的彩色3D打印，尤其适用于结构复杂、颜色多样的3D模型。

一种全彩色3D打印装置，其特征在于，包括彩色切片模块、控制主板、运动机构、线材挤出头、工作平台、彩色喷墨头；

彩色切片模块用于对彩色三维模型进行切片处理，包括对三维模型的分层切片和模型彩色信息提取，生成彩色切片文件；

控制主板用于读取彩色切片文件，自动识别切片模型或彩色喷墨指令，并按设定的程序驱动运动机构，进行三维模型打印和彩色喷墨；

工作平台用于放置打印出的三维模型，当进行三维成型时，工作平台运动到三维成型工作区域，当进行喷墨时，工作平台将运动至彩色喷墨工作区域；

彩色喷墨头可使用一体式喷墨头，这种喷墨头的喷嘴与墨盒集成在一起，另外也可使用墨盒外置的喷墨头，这种喷墨头可使用外置的墨盒进行供墨。彩色喷墨头可根据像素点颜色信息，将彩色墨水喷射在材料上表面。

优选的，彩色切片模块首先设置分层厚度，根据模型的三维尺寸进行分层切片，得到各个不同高度位置的模型截面，并计算线材挤出头的运动路径；其次，根据各个不同高度位置的模型截面的轮廓，生成彩色图形并将颜色分解，根据打印所使用的材料对墨水的渗透性和切片厚度信息，计算色彩饱和度，进行彩色切片，得到彩色喷墨指令文件；挤出头的运动路径和彩色喷墨指令构成彩色切片文件。

优选的，彩色切片文件还包括对模型各层设置标志信息，所述标志信息包括每一层模型切片开始打印位置的标志信息和每一层彩色喷墨指令开始位置加入的标志信息。

优选的，彩色切片模块生成的彩色图形是与切片模型相对应的外表面轮廓，并且轮廓的线条具的最小宽度取值为h(1+cot|θ|)，其中h为分层厚度，θ为模型外表面法向量与水平面的夹角。

优选的，彩色喷墨头有不少于48个的独立喷嘴，每个喷嘴喷出三种或三种以上不同的颜色。

优选的，彩色喷墨头在对每一层上色时，根据每层的成型数据中的颜色信息，控制不同的喷嘴喷射出不同颜色的墨水，喷出的小墨滴落于模型的同一点上形成所需要的复色。

优选的，彩色喷墨头的墨水采用CMYK印刷四色模式，所使用的墨水颜色分别是青色、品红色、黄色和黑色；或彩色墨盒使用CMYK印刷六色模式，所使用的墨水颜色分别是青色、品红色、黄色、黑色、暗青色和暗品红色。

优选的，全彩色3D打印装置还包括墨水固化装置，所述墨水固化装置是红外光源或紫外光源。

优选的，计算机系统包含至少一个处理器以及存储器，其可以被配置成安装彩色切片模块，处理器可根据彩色加工需要执行相应的功能以构建彩色切片文件或指令，此外计算机系统可以连接PCI插槽或其它接口，用于连接诸如网卡、U盘、键盘、鼠标等外部设备。

优选的，切片后得到附带彩色信息的彩色切片文件，该文件可以是GCODE格式或者是其它数控(NC)编程语言格式，GCODE格式的示例包括符合诸如RS-274-D、ISO 6983和DIN66025之类的标准格式。

优选的，控制主板至少包含一个处理器、用于储存固件代码的存储器、用于驱动执行机构运动的接口以及用于接收传感器信息的I/O口。

优选的，运动机构用于驱动线材挤出头、工作平台以及彩色喷墨头的运动，通过配合运动，完成彩色模型的打印；线材挤出头用于加热线材并挤出熔融材料，将材料打印在工作平台上；工作平台用于放置打印出的三维模型，当进行三维成型时，工作平台将运动至三维成型工作区域，当进行喷墨时，工作平台将运动至彩色喷墨工作区域；彩色喷墨头根据颜色信息，将彩色墨水喷射在材料外表面。

优选的，彩色墨水可以储存在彩色喷墨头中，也可以储存在彩色墨盒中。

采用全彩色3D打印装置用于彩色3D打印的方法，包括如下步骤：

A,在计算机上建立三维实体模型，并进行色彩的添加；

B.在计算机系统中安装彩色切片模块，将彩色三维模型输入彩色切片模块中；

C.使用彩色切片模块对三维模型进行切片处理，得到彩色切片文件。首先设置分层厚度，根据模型三维尺寸，进行分层切片，得到各个不同高度位置的模型截面，并计算线材挤出头的运动路径；接着根据各个不同高度位置的模型截面的轮廓，生成彩色图形，并将颜色分解，得到彩色喷墨指令文件；挤出头的运动路径和彩色喷墨指令构成彩色切片文件。

优选的，模型仅在表面进行着色，在进行彩色切片时，模块生成的彩色图形是与切片模型相对应的外表面轮廓，并且轮廓的线条具有一定的宽度，宽度的大小与模型的三维形态有关，使用模型表面外法线与水平面的夹角大小来表征，夹角越小，彩色图形线条的宽度越大，反之亦然。

优选的，根据所使用材料对于墨水的渗透特性以及切片的厚度，计算色彩的饱和度，进行彩色切片，可以补偿由于墨水渗透特性而导致成型后模型的色彩饱和度的不足。

D.将彩色切片文件输入到彩色3D打印机，开始三维模型打印。数据传输方式包括以太网、无线WIFI网络、蜂窝网、USB电缆以及移动存储设备(如U盘、TF卡、移动硬盘)等，控制主板将自动识别文件中的切片模型并按设定的程序驱动运动机构，进行三维模型打印；

E.打印一层之后，工作平台将运动至彩色喷墨工作区域，控制主板识别和彩色喷墨指令并按设定的程序驱动运动机构，进行三维模型喷墨；

F.一层喷墨完成后，进行墨水固化；可根据使用墨水的不同选择不同的固化方式，墨水固化方式可以是自然固化，也可以采用固化装置固化。固化装置用于快速固化墨水，强化着色效果，根据所使用的墨水类型，选择合适的固化装置，若使用水性墨水，可使用红外光源对墨水加热，使其快速固化，若使用UV墨水，则使用紫外光源来加速墨水固化。

G.控制主板驱动运动机构进行下一层的打印和喷墨。

优选的，所述打印一层的切片厚度为0.05-0.2mm。

优选的，3D打印使用白色或透明色热塑性材料，如PLA、ABS、尼龙等。

优选的，为了优化模型的着色效果，使用渗透性较好的材料，或者使用渗透剂对材料处理后再上色，墨水可以渗透入材料内部，使模型不易褪色。

优选的，可以选用透明材料，这种材料的色彩的呈现效果更佳。

本公开可以在计算机上建立三维实体模型，并进行色彩的添加；彩色切片模块对模型进行切片处理，获得带有彩色信息的彩色切片文件；将该文件输入彩色3D打印机，由打印机逐层打印，再在该层表面相应区域添加色彩；然后进行墨水固化；重复整个过程直至模型打印完成。采用这种逐层3D打印的方法可以实现复杂三维结构的彩色打印；同时采用喷墨印刷模式上色，色域广，可实现全彩色打印；此外，该装置的彩色打印仅根据模型外轮廓形状进行选择性喷墨，因此墨水的使用量少，效率高，成本低。

【附图说明】

图1是本发明实施例彩色3D打印装置1。

图2是本发明实施例彩色3D打印装置2。

图3是本发明实施例彩色三维模型。

图4是本发明实施例切片模型。

图5是本发明实施例彩色喷墨指令文件。

图6是本发明实施例彩色3D打印系统原理图。

【具体实施方式】

本发明提供一种全彩色3D打印的装置和方法，实现高品质的彩色3D打印，通过彩色切片模块将彩色三维模型进行切片处理，将彩色切片文件输入到彩色3D打印机的控制主板，控制主板将自动识别文件中的切片模型和彩色喷墨指令，驱动3D打印机交替式的进行3D打印和上色。按照这种成型和上色方式，通过层层叠加，完成整个模型的彩色打印。下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示，一种彩色3D打印装置主要包含：计算机系统100、处理器101、彩色切片模块102、控制主板(未画出)、工作平台211、工作平台传动机构212、线材挤出头221、线材挤出头传动机构222、彩色喷墨头231、喷墨头传动机构232、彩色墨盒(未画出)。

在计算机系统100中包含一个处理器(即CPU)101、一个存储器(未画出)、USB接口(未画出)、键盘及鼠标(未画出)，在计算机系统中安装彩色切片模块102，处理器101通过执行彩色切片模块102中的功能或指令完成彩色模型的切片。

将彩色模型输入彩色切片模块102中，软件可根据分层厚度以及模型的三维尺寸，对模型进行分层处理，获得模型在各个高度处的截面，并完成挤出头的运动规划；接着，模块102根据各个高度处的截面轮廓，提取模型的色彩信息，并根据所采用的喷墨印刷方式，对模型色彩进行计算，并分解到颜色空间。处理后得到附带彩色信息的彩色切片文件，该彩色切片文件包含了模型的各层数据，并且在分层的位置设置一个标志信息，在每一层模型切片的开始位置加入标志信息Object num，在每一层彩色喷墨指令的开始位置加入标志信息Color num，其中num表示层数，后续彩色3D打印机可以根据这些信息进行交替式打印。

彩色3D打印机200由控制主板201、工作平台211、工作平台传动机构212、线材挤出头221、线材挤出头传动机构222、彩色喷墨头231、喷墨头传动机构232等组成。

控制主板201使用ARM作为CPU的STM32系列主板，可以通过USB电缆、SD卡等传输数据。配置电机驱动接口、其它外部设备接口以及传感器信息的I/O口。控制主板201读取彩色切片文件，可以自动识别彩色切片文件中的切片模型和彩色喷墨指令，并通过时序控制，交替进行三维实体成型和彩色喷墨。

工作平台211、线材挤出头221和彩色喷墨头231分别由传动机构212、222和232进行驱动，这些机构采用线性导向机构以及同步带传动，Z方向传动机构(未画出)采用线性导向机构和丝杠传动。线材挤出头221与彩色喷墨头231在X方向的运动是相互独立的，而Z方向的运动是同步的。彩色喷墨头231为一体式喷墨头，墨盒与喷嘴集成在一起，采用CMYK印刷四色喷墨方式，使用普通水性墨水。彩色打印过程中，首先由线性挤出头211配合工作平台212之间的运动，完成一层实体模型的打印；然后线性挤出头211停止出料，工作平台212移动至喷墨打印工作区间，并配合彩色喷墨头231的运动，完成模型的喷墨打印；再接着停止彩色喷墨头231运动和喷墨，线性挤出头221和喷墨头231上升一层高度(由Z方向传动机构驱动)，工作平台211移动至3D打印工作区间，再完成接下来一层的3D打印，最后完成整个彩色模型的打印。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上，进一步装入彩色墨水固化装置240，该固化装置240采用红外光源，在完成每一层材料表面上色后进行墨水固化，强化着色效果。

实施例3

在实施例1的基础上，加入状态反馈机制，如图6所示。控制主板根据状态信息进行实体打印与上色之间的切换，完成交替式3D打印和喷墨上色。

实施例4

本实施例基于实施例1的装置，采用的彩色3D打印方法如下：

1、在计算机系统100中安装彩色切片模块102；

2、将彩色三维模型250输入彩色切片模块102中，彩色三维模型250如图3所示，在彩色切片模块102中将分层厚度设置为0.1mm，软件将根据分层厚度的模型的三维尺寸进行分层，获得各个高度处的模型截面，并进行运动规划，获得切片模型251；接着软件根据分层厚度，截取彩色模型250在各个高度处的截面轮廓的色彩信息，并生成与截面轮廓相对应的具有一定宽度的彩色线条图形，软件还将根据材料的渗透系数k，对饱和度进行补偿，并将色彩分解到CYMK颜色空间，得到一系列彩色喷墨指令252。分别如图4、5所示，切片模型251用于三维成型，彩色喷墨指令252用于喷墨印刷，这两个文件构成彩色切片文件，文件格式为GCODE格式。

3、使用白色PLA材料进行打印。

4、将彩色切片文件输入彩色3D打印机200的控制主板201，控制主板201将自动识别文件中的切片模型251和彩色喷墨指令文件252，控制主板201首先执行切片模型251的第一层切片模型的指令，驱动挤出头在X、Y方向上的运动，并挤出熔融的线材进行实体成型；完成一层模型的成型后，平台移动至喷墨打印区域，接着执行彩色喷墨指令文件252第一层彩色喷墨指令，驱动彩色喷墨头对模型的上表面进行喷墨，直到完成该层的上色，控制主板201再驱动平台传动机构将平台移动至三维实体成型区域，进行下一层实体成型。通过逐层三维成型和上色，最终完成整个模型250的彩色三维成型。

实施例5

基于实施例4，采用渗透性较好的热塑性材料，使墨水可以更好的渗透入材料内部，强化着色效果。

Claims (10)

1.一种全彩色3D打印装置，其特征在于，包括彩色切片模块、控制主板、运动机构、线材挤出头、工作平台、彩色喷墨头；

所述彩色切片模块用于对彩色三维模型进行切片处理，包括对三维模型的分层切片和模型彩色信息提取，生成彩色切片文件；

所述控制主板用于读取彩色切片文件，自动识别切片模型或彩色喷墨指令，并按设定的程序驱动运动机构，进行三维模型打印和彩色喷墨；

所述工作平台用于放置打印出的三维模型，当进行三维成型时，工作平台运动到三维成型工作区域，当进行喷墨时，工作平台将运动至彩色喷墨工作区域；

所述彩色喷墨头用于根据像素点颜色信息，将彩色墨水喷射在材料上表面。

2.如权利要求1所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，所述彩色切片模块首先设置分层厚度，根据模型的三维尺寸进行分层切片，得到各个不同高度位置的模型截面，并计算线材挤出头的运动路径；其次，根据各个不同高度位置的模型截面的轮廓，生成彩色图形并将颜色分解，根据打印所使用的材料对墨水的渗透性和切片厚度信息，计算色彩饱和度，进行彩色切片，得到彩色喷墨指令文件；挤出头的运动路径和彩色喷墨指令构成彩色切片文件。

3.如权利要求1所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，所述彩色切片文件还包括对模型各层设置标志信息，所述标志信息包括每一层模型切片开始打印位置的标志信息和每一层彩色喷墨指令开始位置加入的标志信息。

4.如权利要求1所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，所述彩色切片模块生成的彩色图形是与切片模型相对应的外表面轮廓，并且轮廓的线条的最小宽度取值为h(1+cot|θ|)，其中h为分层厚度，θ为模型外表面法向量与水平面的夹角。

5.如权利要求1所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，彩色喷墨头有不少于48个的独立喷嘴，每个喷嘴喷出三种或三种以上不同的颜色。

6.如权利要求1所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，彩色喷墨头在对每一层上色时，根据每层的成型数据中的颜色信息，控制不同的喷嘴喷射出不同颜色的墨水，喷出的小墨滴落于模型的同一像素点上形成所需要的复色。

7.如权利要求1-3任一所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，彩色喷墨头的墨水采用CMYK印刷四色模式，所使用的墨水颜色分别是青色、品红色、黄色和黑色；或彩色墨盒使用CMYK印刷六色模式，所使用的墨水颜色分别是青色、品红色、黄色、黑色、暗青色和暗品红色。

8.如权利要求1所述的全彩色3D打印装置，其特征在于，还包括墨水固化装置，所述墨水固化装置是红外光源或紫外光源。

9.采用如权利要求1-8任一所述的全彩色3D打印装置用于彩色3D打印的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.在计算机上建立三维实体模型，并进行色彩的添加；

B.将彩色三维模型输入到计算机的彩色切片模块中；

C.彩色切片模块对三维模型进行切片处理，得到彩色切片文件；

D.将彩色切片文件输入到彩色3D打印机，开始三维模型打印；

E.打印一层之后，工作平台将运动至彩色喷墨工作区域，进行三维模型喷墨；

F.一层喷墨完成后，进行墨水固化；

G.控制主板驱动运动机构进行下一层的打印和喷墨。

10.如权利要求9所述的全彩色3D打印的方法，其特征在于，所述打印一层的切片厚度为0.05-0.2mm。