CN108262949A - 成色装置、成色系统、成色方法及使用该装置的多色3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成色装置、成色系统、成色方法及使用该装置的多色3D打印机，用于解决成色效果差的问题。该成色系统包括无色原料供应装置、新颜料供应装置和成色装置，在打印头上自下而上具有出料嘴、打印头型腔、加热部和喉管部，打印头中设置有成色模块，成色模块中具有新颜料腔室，颜料腔室连接新颜料供应装置，且成色模块中具有上下贯穿的混合通道，混合通道与所述打印头型腔贯穿，且在混合通道和新颜料腔室之间设置有微孔，无色原料供应装置提供无色原料并经过熔融后向打印头型腔部提供熔融的无色原料。该装置成色均匀、上色效果好，结构简单，有效节能，提高打印效率，能实现多色3D打印机不同颜料的打印。
Description
技术领域
该发明涉及3D打印机成色技术领域，尤其是，该3D打印机种的成色系统。
背景技术
3D打印机又称三维打印机(3DP)，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。3D打印机的技术种类常见的有：以粉末--粘合剂为基本原理的三维打印技术(3DP)、熔融沉积造型技术(FDM)、激光立体印刷术(SLA)、数字化光照加工技术(DLP)、选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔化技术(SLM)等。
当前，熔融沉积造型技术(FDM)3D打印机已经在市场上广泛流行，本发明就是针对该技术的一种改进尝试，通过技术改进来解决现有3D打印机的成色弊端。
在熔融沉积造型技术(FDM)中，多色3D打印机成色(系统)装置在结构上主要包括两种原理，第一种是，通过增加进料管道实现多色打印，即，每一种颜料对应一种进料管道，通过增加进料管道实现多色打印，虽然可以实现多种颜料打印，但是只能实现少数颜料打印。因为每增加一种颜料，就要增加一个进料口，这样颜料要求越多装置越复杂，不利于打印机结构的精简，不适合用户使用，这种结构不符合进化规律，同时也会增加制造成本。
第二种是，通过三原色搅拌实现多色打印，即，通过两种或者三种颜料的混合实现颜料的改变，通过三原色不同比例的搅拌实现新颜料虽然原理上可以实现，但实际操作过程中会出现颜料混淆，不利于颜料的成型。
以上两种成色方式存在上述缺陷，目前通过简单的零部件的更新无法实现技术上的突破。
本发明即是针对以上问题，设计一种多色3D打印机头成色装置、系统及方法，来实现多色3D打印机的多色打印过程。
先给白色的料上色再熔化的方式仅仅可以形成一定的颜料，不能形成纯色。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的多色3D打印机头成色装置、成色系统及成色方法，用于解决多色3D打印机原料成色问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
3D打印头，在3D打印头上自下而上具有出料嘴、打印头型腔、加热部和喉管部，其特征在于，在所述打印头中设置有成色模块，所述成色模块中具有新颜料腔室，且所述成色模块中具有上下贯穿的混合通道，所述混合通道与所述打印头型腔贯穿，且在所述混合通道和新颜料腔室之间设置有微孔。
成色系统，包括无色原料供应装置、新颜料供应装置和3D打印头，在3D打印头上自下而上具有出料嘴、打印头型腔、加热部和喉管部，其特征在于，所述打印头中设置有成色模块，所述成色模块中具有新颜料腔室，所述颜料腔室连接新颜料供应装置，且所述成色模块中具有上下贯穿的混合通道，所述混合通道与所述打印头型腔贯穿，且在所述混合通道和新颜料腔室之间设置有微孔，所述无色原料供应装置提供无色原料并经过熔融后向打印头型腔部提供熔融的无色原料。
新颜料供应装置包含三基色料箱、颜料输送管、颜料输送泵、成色盒、新颜料输送泵和颜料控制器，其中，在三基色料箱中设有三个分别装有纯色的红色、绿色和蓝色液态颜料的颜料盒，在颜料控制器的命令下通过颜料输送泵输送至成色盒进行混合形成新颜料，新颜料再通过新颜料输送泵输送至新颜料腔室。
所述3D打印头为一体成型。
所述3D打印头为多零件组合件。
所述混合通道及微孔是通过具有通透性的粉末金属冶金零件。
所述混合通道及微孔是具有微孔的管道部件。
一种多色3D打印机成色方法，其特征在于，
步骤1：将无色原料(通常为条状或者丝状的固态)通过无色原料供应装置将无色原料送入打印机头喉管内，无色原料被打印头在加热部被熔化；
步骤2：新颜料合成与供应，按照新颜料供应装置需要供应的颜料，颜料控制器控制新颜料供应装置合成新颜料并通过颜料输送泵向颜料成型模块输送新颜料；
步骤3：通过控制新颜料输送泵功率使得新颜料腔室内的压力大于打印头型腔内的压力；使新颜料通过微孔进入到无色原料所在的混合通道内，在混合通道内完成对无色原料的动态上色；
步骤5：上色形成打印介质，在出料嘴处被挤压打印。
所述无色原料为无色ABS或者无色PLA线材，加热部的加热温度在190℃～250℃之间。
该成色系统被应用于多色3D打印机。
本发明的有益效果是：
该装置成色均匀、上色效果好，结构简单，有效节能，提高打印效率，能实现多色3D打印机不同颜料的打印。
相比较传统的成色原理，该种多色3D打印机头成色装置解决了以下三方面的问题：一是单色3D打印机只能打印单种颜料；二是现有多色3D打印机成色装置成色不均匀、复杂等问题；三是现有多色3D打印机多个进料装置，造成结构复杂等问题。
附图说明
图1为现有的3D打印机原理图。
图2为成色系统的原理图。
图3为打印机头部分的剖视图。
图4为打印机头部分的半剖示意图。
图5为颜料成型模块的立体图。
具体实施方式
本实施例是处于实验室阶段的一种尝试，基于实验条件和实验室现状，利用实验室现有的单色3D打印机改进，通过改进和研究，形成的具有多色打印功能的多色3D打印机，该技术的应用和使用不限于现有单色、多色3D打印机的成色装置的改进、新研发和生产环节。
参考图1，通常的3D打印机包括工作台A、机头运动机构B、打印机头C、送丝机构D和控制系统E，其中，机头运动机构通过驱动电机驱动，在高度方向和水平方向可以移动，形成三维空间内的位移能力，可熔融的塑料原料线在打印机头中熔融，融化后自打印机头中挤出，在工作台上形成逐层打印的立体效果，本发明的改进在于打印机头部分，尤其是成色部分。
工作原理是：本实验室使用的无色原料采用无色ABS或者无色PLA，通常为直径为毫米级别的丝状、绳状或者线状，该无色原料在送丝机构D的夹持和作用下，在四氟管的包裹下经过喉管100被送入打印机头部分，在四氟管和喉管的通道内，无色原料通常的存在形式为长条状或者丝状，配合送丝机构进行连续的不间断的送料。
在喉管100和打印头200之间的过渡区域外侧加装加热模块300，本实验室条件下，该加热模块300采用的为铝块电加热或者红外线加热，通过通电加电压形成加热效果，在加热块的加热作用下达到可以将处于该区域通道内的无色原料熔化，由于本实验室中使用的无色原料为无色ABS或者无色PLA，该无色原料的熔化温度在190℃～250℃，所以，在加热过程中，通过温控装置控制加热模块的温度，使其稳定在这一温度范围内即可。
上述无色原料被打印头熔化后变成液态(或者称之为流体)进入下侧的打印头型腔400，该打印头型腔断面大于加热部的通道断面，在中部被颜料成型模块分割成为上下两部分，达到该处后液态的无色原料流速放缓，且在该打印头型腔400内增加颜料成型模块500。
该颜料成型模块500被安装在打印头型腔的中间位置，将打印头腔室400一分为二，颜料成型模块500从结构上分析包括如下特征：颜料成型模块500与打印头型腔400内壁无间隙，紧密配合，防止液态无色原料自侧面渗透到本颜料成型模块内，在颜料成型模块500的上下表面之间形成一个膨大的新颜料腔室510，且在该颜料成型模块中设置有多个上下贯穿的混合通道520，该管道通常是通过嵌入多孔管530形成的，该多孔管上设置有多个渗透孔，渗透孔的大小为微米级别，渗透孔沿着多孔管均匀设置，通过渗透孔使得新颜料腔室和无色颜料之间建立渗透关系。通常，该多孔管上的渗透孔极小，在压力的作用下，允许新颜料向管内渗透，而无色原料(液态)不会向新颜料腔室内渗透。
多孔管多个，液态无色原料Y1进入颜料成型模块的多孔管的混合通道520内，并在管道内完成无色原料Y1和新颜料Y2的混合，且混合的同时，无色原料处于自上而下的流动状态，所以混合更加均匀,形成可打印材料Y，同时，颜料控制器2根据3D打印机自带的程序指令控制新颜料供应装置给颜料成型模块500供应不同颜料的颜料，新颜料供应装置1包含三基色料箱11、颜料输送管12、颜料输送泵13、成色盒14和新颜料输送泵15等，在三基色料箱11中设有三个颜料盒，分别装有纯色的红色、绿色和蓝色液态颜料，三种基色颜料成分相同且分子直径小于无色原料的分子直径，且三原色混合后形成的新颜料颜料与液态无色原料具有良好的混合溶解性，可以热快速的发生混合。
新颜料的混合过程如下：每一个颜料盒12分别通过颜料输送管与一个颜料输送泵13相连，然后每个颜料输送泵13分别通过颜料输送管与成色盒相连，成色盒中设有混合装置使流入成色盒中的三原色混合均匀，进而形成相应的新颜料颜料。成色盒通过颜料输送管与颜料输送泵相连，颜料输送泵通过颜料输送管与颜料成型模块相连。按照新颜料供应装置需要供应的颜料，颜料控制器控制分别控制三个颜料输送泵向成色盒输送不同比例的颜料，三基色颜料在成色盒混合后形成新颜料颜料，颜料控制器控制新颜料输送泵向颜料成型模块输送颜料，颜料控制器通过控制新颜料输送泵的转速来控制新颜料供应装置供应颜料的速度和压力，保证颜料进入的速度在颜料成型模块空腔内形成一定的压力，且其压力大于新颜料供应装置管道内充满液态无色颜料时的压力，通过控制新颜料输送泵15的功率控制供应新颜料的压力。颜料成型模块中的多孔管530管道壁上开有许多微型小孔，形成一种间隙，而这种间隙保证液态颜料可以通过，从而使颜料可以渗透到颜料成型模块管道内，在压力的挤压下，颜料通过颜料成型模块管道壁上的微孔单向进入无色原料内，颜料成型模块管道保证一定的长度，具有足够的混合时间和通道，使颜料可以完全渗透进入无色原料内，保证对无色原料的上色均匀，完成对无色颜料的上色过程，被上色后的无色原料形成新色原料，新色原料通过颜料成型模块被挤压进入打印头下端型腔内，在打印头下端型腔内进一步混合使新色原料色彩更加均匀，进而通过挤压将混合好的新色原料挤出打印头进行多色打印。
改进后的成色方法如下：
步骤1：首先无色原料(通常为条状或者丝状的固态)通过外部挤出机将无色原料送入打印机喉管内，在无色原料与喉管之间存在四氟管防止原料堵塞。无色原料被打印头在加热部被熔化。打印头在加热块的加热作用下达到可以将无色原料熔化的温度，无色原料采用无色ABS或者无色PLA，熔化温度在190℃～250℃，无色原料被打印头熔化后变成液态进入打印头型腔。
步骤2：供应需要被打印颜料的颜料。在无色原料融化后充满颜料成型模块管道内部的同时，需要被打印颜料的颜料也同时充满颜料成型模块管道的外部。颜料控制器根据程序指令控制新颜料供应装置给颜料成型模块供应不同颜料的颜料，新颜料供应装置包含三基色料箱、颜料输送管、颜料输送泵、成色盒和新颜料输送泵等，在三基色料箱中设有三个颜料盒，分别装有纯色的红色、绿色和蓝色液态颜料，三种基色颜料成分相同且密度保证小于无色原料的密度，保证三原色混合后形成的新颜料颜料的密度小于无色原料的密度。每一个颜料盒分别通过颜料输送管与一个颜料输送泵相连，然后每个颜料输送泵分别通过颜料输送管与成色盒相连，成色盒中设有混合装置使流入成色盒中的三原色混合均匀，进而形成相应的新颜料颜料，形成的新颜料颜料密度小于无色原料的密度。成色盒通过颜料输送管与颜料输送泵相连，颜料输送泵通过颜料输送管与颜料成型模块相连。按照新颜料供应装置需要供应的颜料，颜料控制器控制分别控制三个颜料输送泵向成色盒输送不同比例的颜料，三基色颜料在成色盒混合后形成新颜料颜料，颜料控制器控制颜料输送泵向颜料成型模块输送新颜料。
步骤3：通过压力将颜料渗透进入无色原料中，进行上色过程。颜料控制器通过控制新颜料输送泵的转速来控制新颜料供应装置供应颜料的速度，保证颜料进入的速度在颜料成型模块空腔内形成一定的压力，其压力大于新颜料供应装置管道内充满液态无色颜料时的压力。颜料成型模块管道壁上开有许多微型小孔，形成一种间隙，而这种间隙保证液态颜料可以通过，从而使颜料可以渗透到颜料成型模块管道内，在压力的挤压下，颜料通过颜料成型模块管道壁渗透进入无色原料内。
步骤4：保证无色原料上色均匀。颜料成型模块管道保证一定的长度，使颜料可以完全渗透进入无色原料内(从管道中原料外部渗透进入到内部)，保证对无色原料的上色均匀，完成对无色颜料的上色过程。
步骤5：将新颜料原料挤出，进行打印。被上色后的无色原料新成新色原料，新色原料通过颜料成型模块下端的小孔挤压进入打印头下端型腔内，在打印头下端型腔内进一步混合使新色原料色彩更加均匀，进而通过挤压挤出打印头进行多色打印。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.成色装置，在打印头上自下而上具有出料嘴、打印头型腔、加热部和喉管部，其特征在于，在所述打印头中设置有成色模块，所述成色模块中具有新颜料腔室，且所述成色模块中具有上下贯穿的混合通道，所述混合通道与所述打印头型腔贯穿，且在所述混合通道和新颜料腔室之间设置有微孔。
2.成色系统，包括无色原料供应装置、新颜料供应装置和成色装置，在打印头上自下而上具有出料嘴、打印头型腔、加热部和喉管部，其特征在于，所述打印头中设置有成色模块，所述成色模块中具有新颜料腔室，所述颜料腔室连接新颜料供应装置，且所述成色模块中具有上下贯穿的混合通道，所述混合通道与所述打印头型腔贯穿，且在所述混合通道和新颜料腔室之间设置有微孔，所述无色原料供应装置提供无色原料并经过熔融后向打印头型腔部提供熔融的无色原料。
3.根据权利要求2所述的成色系统，其特征在于，新颜料供应装置包含三基色料箱、颜料输送管、颜料输送泵、成色盒、新颜料输送泵和颜料控制器，其中，在三基色料箱中设有三个分别装有纯色的红色、绿色和蓝色液态颜料的颜料盒，在颜料控制器的命令下通过颜料输送泵输送至成色盒进行混合形成新颜料，新颜料再通过新颜料输送泵输送至新颜料腔室。
4.根据权利要求2所述的成色系统，其特征在于，所述打印头为一体成型。
5.根据权利要求2所述的成色系统，其特征在于，所述打印头为多零件组合件。
6.根据权利要求5所述的成色系统，其特征在于，所述混合通道及微孔是通过具有通透性的粉末金属冶金零件。
7.根据权利要求5所述的成色系统，其特征在于，所述混合通道及微孔是具有微孔的管道部件。
8.一种多色3D打印机成色方法，其特征在于，
步骤1：通过无色原料供应装置将无色原料送入打印机头喉管内，无色原料在加热部被熔化；
步骤2：新颜料合成与供应，按照新颜料供应装置需要供应的颜料，颜料控制器控制新颜料供应装置合成新颜料并通过颜料输送泵向颜料成型模块输送新颜料；
步骤3：通过控制新颜料输送泵使得新颜料腔室内的压力大于打印头型腔内的压力；使新颜料通过微孔进入到无色原料所在的混合通道内，在混合通道内完成对无色原料的动态上色；
步骤5：上色后形成的打印介质，在出料嘴处被挤压打印。
9.根据权利要求8所述的一种多色3D打印机成色方法，其特征在于，所述无色原料为无色ABS或者无色PLA线材，加热部的加热温度在190℃～250℃之间。
10.根据权利要求2至7所述的成色系统，其特征在于，该成色系统被应用于多色3D打印机。
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