CN108274737B - 立体打印装置与其喷墨着色方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种立体打印装置与其喷墨着色方法。立体打印装置包括平台、立体打印头与喷墨头，而所述方法包括下列步骤。获取用以形成立体物件的至少一切层物件的切层厚度。依据切层厚度调整墨水层对应的喷墨量，其中喷墨量与切层厚度为正相关。依据切层厚度，通过立体打印头将成型材熔融并打印在平台上而形成切层物件。依据调整后的喷墨量，通过喷墨头将至少一墨水喷涂在切层物件上而形成墨水层。

Description

立体打印装置与其喷墨着色方法
技术领域
本发明涉及一种打印装置，且特别涉及一种立体打印装置与其喷墨着色方法。
背景技术
随着电脑辅助制造(Computer-Aided Manufacturing,CAM)的进步，制造业发展了立体打印技术，能很迅速的将设计原始构想制造出来。立体打印技术实际上是一系列快速原型成型(Rapid Prototyping,RP)技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成立体物件。立体打印技术能无限制几何形状，而且越复杂的零件越显示RP技术的卓越性，还可大大地节省人力与加工时间，在时间最短的要求下，将3D电脑辅助设计(Computer-Aided Design,CAD)软件所设计的数字立体模型真实地呈现出来。
以熔融沉积造型(fused deposition modeling，FDM)技术为例，其将成型材料制作成线材，并将成型材料加热熔融后依据所需形状/轮廓在成型平台上逐层堆叠构成立体物件。因此，在现有的彩色熔融沉积造型立体打印方法中，外观颜色可以是待立体物件完成后方进行着色，或者可通过使用具有颜色的成型材料制作立体物件。然而，前者的彩色颜料只附着在立体物件的外表面，其色彩呈现度与变化性略显不足。另一方面，后者需反复更换使用不同颜色的成型线材方能达到多彩效果，彩色立体物件的制作效率不理想。因此，目前有一种打印彩色立体物件的方法被提出，其在制造立体物件的过程中利用喷墨机构逐层上色形成立体物件的切层物件。然而，倘若切层物件的厚度过大，上色墨水无法完全地渲染整个切层物件，进而导致立体物件的外表因为这些切层物件的染色不全而出现非预期的条纹纹路。据此，如何针对前述情形并加以改善，便成为相关技术人员所需思考的议题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种立体打印装置与其喷墨量决定方法，其可使其打印出来的立体物件具有良好的色彩呈现度与色彩均匀度。
本发明提供一种立体打印装置的喷墨着色方法，所述立体打印装置包括平台、立体打印头与喷墨头。所述方法包括下列步骤。获取用以形成立体物件的至少一切层物件的切层厚度。依据切层厚度调整墨水层对应的喷墨量，其中喷墨量与切层厚度为正相关。依据切层厚度，通过立体打印头将成型材熔融并打印在平台上而形成切层物件。依据调整后的喷墨量，通过喷墨头将至少一墨水喷涂在切层物件上而形成墨水层。
在本发明的一实施例中，上述的墨水包括分别对应至不同颜色的多个彩色墨水，而依据切层厚度调整墨水层对应的喷墨量的步骤包括：依据切层厚度，调整墨水层中的各彩色墨水的喷墨量。
在本发明的一实施例中，上述的彩色墨水的颜色包括符合印刷原色的青色、洋红色、黄色，以及黑色。
在本发明的一实施例中，上述的依据切层厚度调整墨水层对应的喷墨量的步骤包括：获取关系多项式；以及通过将切层厚度代入关系多项式，而将喷墨量从预设参考值调整为理想值。
在本发明的一实施例中，上述的关系多项式的常数项为预设参考值，且预设参考值对应至参考厚度。
在本发明的一实施例中，上述的关系多项式为二次多项式。
在本发明的一实施例中，上述的喷墨着色方法还包括：依据成型材的材料种类而从多个预设多项式中挑选出关系多项式。
从另一观点来看，本发明提供一种立体打印装置，其包括立体打印头、喷墨头、平台，以及控制器。立体打印头包括熔融喷嘴，而喷墨头包括墨水喷嘴。平台设置在立体打印头与喷墨头的下方，控制器耦接立体打印头与喷墨头。控制器获取用以形成立体物件的至少一切层物件的切层厚度，并依据切层厚度调整墨水层对应的喷墨量。喷墨量与切层厚度为正相关。控制器控制立体打印头依据切层厚度将成型材熔融并打印在平台上而形成切层物件，以及控制喷墨头依据调整后的喷墨量将至少一墨水喷涂在切层物件上而形成墨水层。
基于上述，在本发明的实施例中，先利用立体打印头在平台上形成切层物件，而后利用喷墨头在切层物件上喷涂墨水形成墨水层。喷墨头喷洒出来的喷墨量是依据切层物件的切层厚度而适应性调整的，致使墨水层的墨水可以理想地渲染至整个切层物件。如此，切层物件染色不均匀的现象可以改善，从而有效提升彩色立体打印的质量。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
下面的所附附图是本揭露的说明书的一部分，显示了本揭露的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起说明本揭露的原理。
图1是依照本发明的一实施例所显示的立体打印装置的工作情境的方块示意图。
图2是依照本发明一实施例所显示的立体打印装置的示意图。
图3是依照本发明一实施例所显示的一种立体打印装置的喷墨着色方法的流程图。
图4A与图4B是依照本发明实施例所显示的切层物件与墨水层的示意图。
图5A是依照本发明一实施例所显示的依据关系多项式决定喷墨量的范例示意图。
图5B是依照本发明一实施例所显示的依据关系多项式决定喷墨量的范例示意图。
附图标记说明
100：立体打印装置；
200：电脑主机；
110：平台；
120：立体打印头；
121：熔融喷嘴；
140：喷墨头；
130：控制器；
20a：成型材；
40a：墨水；
141：喷墨喷嘴；
80：立体物件；
S1：承载面；
142：墨水匣；
S301～S304：步骤；
51、52：对应关系；
h1、h2：厚度；
80a、80c、40a、40c、40e：切层物件；
80b、80d、40b、40d、40f：墨水层。
具体实施方式
现将详细参考本示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。
图1是依照本发明的一实施例所显示的立体打印装置的工作情境的方块示意图。请参照图1，本实施例的立体打印装置100适于依据一立体模型信息打印出一立体物件。进一步来说，电脑主机200为具有运算功能的装置，例如是笔记本电脑、平板电脑或桌上型电脑等计算机装置，本发明并不对电脑主机200的种类加以限制。电脑主机200可编辑与处理一立体物件的立体模型并传送相关的立体模型信息至立体打印装置100，使立体打印装置100可依据立体模型信息打印出立体的物件。在本实施例中，立体模型可为一立体数字图像文件，其可例如由一电脑主机200通过电脑辅助设计(computer-aided design，CAD)或动画建模软件等建构而成，且电脑主机200对此立体模型执行一切层处理而获取关联于多个的切层物件的立体模型信息，使立体打印装置100可依据这些切层物件所对应的立体模型信息而依序打印出各切层物件，最终以形成完整的立体物件。需说明的是，上述的立体模型信息还包括各切层物件所对应的颜色信息。立体打印装置100可依据这些切层物件所对应的颜色信息在打印过程中对每一个切层物件进行上色，最终以形成彩色的立体物件。
图2是依照本发明一实施例所显示的立体打印装置的示意图。请参照图2，立体打印装置100包括平台110、立体打印头120、喷墨头140以及控制器130，在此同时提供直角坐标系以便于描述相关构件及其运动状态。平台110包括一承载面S1，用以承载打印中的立体物件80。在平台110设置在立体打印头120与喷墨头140的下方。
详细而言，在本实施例中，立体打印头120经配置以沿着XY面移动以及沿着XY面的法线方向(Z轴向)移动，成型材20a适于经由立体打印头120的进料管道而进入熔融喷嘴121以受热熔融，再经由熔融喷嘴121挤出而逐层成型在平台110的承载面S1上而形成多个切层物件(图2是以切层物件80a、80c为例)。如此，逐层成型的切层物件80a、80c在承载面S1上彼此堆叠而形成立体物件80。具体而言，成型材20a可由适用于熔丝制造式(FusedFilamentFabrication,FFF)、熔化压模式(Melted and Extrusion Modeling)等制作方法的热熔性材料所构成，本发明对此不限制。
在本实施例中，喷墨头140包括一墨水喷嘴141，以将墨水40a逐层喷涂在各切层物件上而形成多个墨水层(图2是以墨水层80b、80d为例)。所述在切层物件80a、80c上形成墨水层80b、80d是指，让墨水40a叠覆在切层物件80a、80c的上表面并同时对切层物件80a、80c的内部进行染色。因此，所述喷墨头140可包括墨水匣142与喷墨喷嘴141，其中墨水匣142用以盛装墨水40a并与喷墨喷嘴141相连通，而喷墨喷嘴141依据需求将墨水40a内的墨水40a喷洒至切层物件80a、80c上，以对切层物件80a、80c进行上色，从而在切层物件80a、80c上构成墨水层80b、80d。虽然图2仅显示墨水匣142，但本发明并不限制墨水匣的数量与墨水的颜色数量。在一实施例中，所述喷墨头140类似于平面彩色打印装置所用的彩色喷墨系统，其可将对应至不同颜色的多个彩色墨水依据色彩形成比例喷涂至切层物件80a、80c上而构成墨水层80b、80d。上述的彩色墨水的颜色包括符合印刷原色的青色(Cyan)、洋红色(Magenta)、黄色(Yellow)，以及黑色(Black)，但本发明对此并不限制。
如此配置，本实施例在立体打印头110在平台110上方打印一层切层物件80a后可通过喷墨头140喷涂墨水层80b在切层物件80a的上表面，以对切层物件80a进行上色。接着，立体打印头110在平台110上方打印另一层切层物件80b后可通过喷墨头140喷涂墨水层80d在切层物件80c的上表面，以对切层物件80c进行上色。如此，切层物件80a、80c与墨水层80b、80d依序交错堆叠，而构成彩色立体物件80。
控制器130耦接平台110、立体打印头120以及喷墨头140，可用以读取电脑主机200提供的立体模型信息，并依据立体模型信息来控制立体打印装置100的整体运作而打印出立体物件80。举例来说，控制器130可依据立体数字模型信息而控制立体打印头120的移动路径，也依据立体数字模型信息控制不同颜色的彩色墨水的喷出比例。控制器130例如是中央处理器、芯片组、微处理器、嵌入式控制器等具有运算功能的设备，在此不限制。
在本发明的一实施例中，喷墨头140的喷墨量是依据切层物件的切层厚度而决定，其中喷墨量与切层物件的切层厚度是呈现正相关的。整体而言，喷墨头140的喷墨量将随着切层厚度的增厚而增加。当立体打印装置100接收到各切层物件的立体模型信息时，立体打印装置100可依据电脑主机200通知的切层厚度来决定喷墨头140的喷墨量。立体打印装置100例如可通过查表或基于参考厚度而依据特定关系式，来对应调整喷墨量。
为了进一步说明本发明的喷墨着色方法，以下特举一实施例来对本发明进行说明。图3是依照本发明一实施例所显示的一种立体打印装置的喷墨着色方法的流程图。本实施例的方法适用于图2的立体打印装置100，以下即搭配立体打印装置100中的各构件说明本实施例喷墨着色方法的详细步骤。
请同时参照图2与图3，在步骤S301，控制器130获取用以形成立体物件80的至少一切层物件80a、80c的切层厚度。在步骤S302，控制器130依据切层厚度调整墨水层对应的喷墨量，其中喷墨量与切层厚度为正相关。在另一范例实施例中，当喷墨头140的墨水包括分别对应至不同颜色的多个彩色墨水时，控制器130可依据切层厚度，调整墨水层中的各彩色墨水的喷墨量。举例而言，控制器130可依据切层厚度来分别决定对应至青色、洋红色、黄色，以及黑色的四种墨水的喷墨量。
此外，形成立体物件的各切层物件的切层厚度可以相同，也可以相异。因此，若各切层物件的切层厚度皆一致，控制器130可依据单一切层厚度来决定对应于每一切层物件的喷墨量。若各切层物件的切层厚度不一致，控制器130可依据一个以上的切层厚度来分别决定对应于每一切层物件的喷墨量。举例而言，图4A与图4B是依照本发明实施例所显示的切层物件与墨水层的示意图。请先参照图4A，若切层物件40a与切层物件40c的切层厚度同为厚度h1，则控制器130可依据基于厚度h1决定的喷墨量来控制喷墨头140喷洒墨水40a而形成墨水层40b、40d。另一方面，请参照图4B，若切层物件40a与切层物件40e的切层厚度不相同(切层物件40a的切层厚度为厚度h1，而切层物件40e的切层厚度为厚度h2)，则控制器130可依据基于厚度h1决定的喷墨量来控制喷墨头140喷洒墨水40a而形成墨水层40b，并依据基于厚度h2决定的喷墨量来控制喷墨头140喷洒墨水40a而形成墨水层40f。若厚度h2大于厚度h1，则用以形成墨水层40f的单位面积内的喷墨量将大于用以形成墨水层40d的单位面积内的喷墨量。
请继续参照图3，在步骤S303，控制器130依据切层厚度，通过控制立体打印头120将成型材20a熔融并打印在平台110上而形成切层物件80a、80c。在步骤S304，控制器130依据调整后的喷墨量，通过控制喷墨头140将至少一墨水40a喷涂在切层物件80a、80c上而形成墨水层80c、80d。具体而言，成型材20a例如是透明或白色材质线材。控制器130可依据切层厚度控制立体打印头120在单位时间内的出料量，并依据切层物件80a、80b的截面轮廓控制立体打印头120在XY平面上的移动路径。如此，呈现透明或白色且具有切层厚度的切层物件80a、80c将固化成型在平台上110。之后，控制器130可控制喷墨头140依据调整后的喷墨量将墨水40a喷涂在切层物件80a、80c上，致使呈现透明或白色切层物件80a、80c被墨水40a染色为墨水40a的颜色并形成墨水层80c、80d。举例而言，当喷墨头140使用压电式喷墨技术时，喷墨头140的喷墨量可通过改变施在喷墨喷嘴141的电子元件的电压而进行调整。因此，在本发明的一实施例中，控制器130可依据切层厚度来调整施在喷墨喷嘴141的电子元件的电压，以通过调节喷墨喷嘴141所喷出的墨滴大小来调整喷墨量。
需说明的是，控制器130可通过查表或依据特定关系式而通过将切层厚度作为决策因子来决定喷墨量。在一实施例中，参考厚度以及参考厚度所对应的预设参考值(即预设喷墨量)可预先决定，而控制器130可依据前述预设参考值以及切层厚度与参考厚度之间的关系而决定切层厚度所对应的理想喷墨量。例如，当切层厚度与参考厚度之间的差异大于第一门槛值时，可将为预设参考值加/减一倍的调整参数而获取调整后的喷墨量。当切层厚度与参考厚度之间的差异大于更大的第二门槛值时，可将为预设参考值加/减两倍的调整参数而获取调整后的喷墨量。
另一方面，以下将近一步说明控制器如何依据特定关系式来决定喷墨量。在一范例实施例中，控制器可先获取关系多项式，再通过将切层厚度代入关系多项式，而将喷墨量从对应至参考厚度的预设参考值调整为理想值。
图5A是依照本发明一实施例所显示的依据关系多项式决定喷墨量的范例示意图。用以决定喷墨量的关系多项式可为二次次多项式，如式(1)所示。
C'＝a·h2+bh+c,a>0,h>0 (1)
其中C'代表喷墨量的理想值，c代表常数且大于0，h代表切层厚度且大于0，而a与b代表调整系数。上述的调整系数a与b与常数c可通过事先的测试与实验而产生。进一步来说，设计人员例如可经由测试而获取多个测试切层厚度与各自对应的最佳喷墨量，并依据上述测试数据来逼近一曲线方程式，最终据以获取调整系数a与b与常数c。如此，依据式(1)可获取图5A所示的对应关系51。在图5A所示的范例中，假设切层物件的切层厚度为厚度H1，则控制器130可将厚度H1代入式(1)而决定喷墨量的理想值为R2。观察对应关系51可知，在本实施范例中，切层厚度与喷墨量呈现正相关。此外，不同颜色彩色墨水的喷墨量皆可通过式(1)与图5A的对应关系51来决定。
图5B是依照本发明一实施例所显示的依据关系多项式决定喷墨量的范例示意图。在本实施范例中，假设参考厚度为H2，但本发明并不限制于此。用以决定喷墨量的关系多项式可为二次次多项式，如式(2)所示。
Figure BDA0001230189350000081
其中C'代表喷墨量的理想值，c代表对应至参考厚度的喷墨量的预设参考值，h代表切层厚度且大于0，hp代表参考厚度，而a与b代表调整系数。如此，依据式(2)可获取图5B所示的对应关系52。在图5B所示的范例中，喷墨量的预设参考值用以作为用以调整喷墨量的一基值准，而喷墨量的预设参考值为R3(即式(2)的常数项c等于R3)且对应至被预设为厚度H2的参考厚度(即式(2)的hp等于H2)。因此，假设切层物件的切层厚度与参考厚度相同而为厚度H2，则控制器130可将厚度H2代入式(2)而决定喷墨量的理想值为R3。也就是说，当切层物件的切层厚度等于参考厚度时，喷墨量的理想值也就是等于预设参考值。假设切层物件的切层厚度为大于参考厚度的厚度H3，则控制器130可将厚度H3入式(2)而决定喷墨量的理想值为大于预设参考值的R4。假设切层物件的切层厚度为小于参考厚度的厚度H4则控制器130可将厚度H4式(2)而决定喷墨量的理想值为小于预设参考值的R5。观察对应关系52知，在本实施范例中，切层厚度与喷墨量呈现正相关。此外，不同颜色彩色墨水的喷墨量皆可通过式(2)与图5B的对应关系52来决定。然而，上述图5A与图5B的范例仅为示范性说明，并非用以限定本发明。
值得一提的是，墨水渗透至不同材料种类的成型材的渗透程度也不同。因此，在一实施例中，控制器还可依据成型材20a的材料种类而从多个预设多项式中挑选出对应的关系多项式，以同时依据成型材的材料种类与切层厚度来决定最理想的喷墨量。上述多个预设多项式例如是预先纪录在一纪录媒介当中，因此当立体打印装置100得知成型材20a的材料种类时，可对应从多个预设多项式中挑选出对应于当前使用材料种类的关系多项式。举例而言，当成型材20a的材料种类为聚乳酸(Polylactic Acid，PLA)时，控制器130可对应挑选出对应于聚乳酸的关系多项式。当成型材20a的材料种类为ABS树脂(AcrylonitrileButadiene Styrene，ABS)时，控制器130可对应挑选出对应于ABS树脂的关系多项式。
综上所述，在本发明的实施例中，利用立体打印头先在成型平台形成切层物件后，而后利用喷墨头在切层物件上形成墨水层而直接染色，如此反复多次使切层物件与墨水层依序交错堆叠，从而形成彩色立体物件。如此，彩色立体物件的各层结构均具有彩色外观而提高整体的色彩呈现度，而各层彩色颜料层的不同局部可具有不同颜色而提高色彩变化性。此外，喷墨头的喷墨量可依据切层物件的切层厚度而决定，从而避免墨水无法完全渲染至切层物件的底部的现象。除此之外，本发明也可同时基于成型材的材质与切层厚度来调整喷墨量。如此一来，通过对每一切层物件理想地染色，可使得由切层物件所组成的彩色立体物件具有均匀的色彩呈现效果。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种立体打印装置的喷墨着色方法，其特征在于，所述立体打印装置使用FDM技术且包括一平台、一立体打印头与一喷墨头，所述方法包括：
获取用以形成一立体物件的至少一切层物件的切层厚度；
依据所述切层厚度调整一墨水层对应的一喷墨量，其中所述喷墨量与所述切层厚度为正相关；
依据所述切层厚度，通过所述立体打印头将成型材熔融并打印在所述平台上而形成所述切层物件；以及
依据调整后的所述喷墨量，通过所述喷墨头将至少一墨水喷涂在所述切层物件上而形成所述墨水层。
2.根据权利要求1所述的喷墨着色方法，其特征在于，所述墨水包括分别对应至不同颜色的多个彩色墨水，而依据所述切层厚度调整所述墨水层对应的所述喷墨量的步骤包括：
依据所述切层厚度，调整所述墨水层中的各彩色墨水的所述喷墨量。
3.根据权利要求2所述的喷墨着色方法，其特征在于，所述彩色墨水的颜色包括符合印刷原色的青色、洋红色、黄色，以及黑色。
4.根据权利要求1所述的喷墨着色方法，其特征在于，依据所述切层厚度调整所述墨水层对应的所述喷墨量的步骤包括：
获取一关系多项式；以及
通过将所述切层厚度代入所述关系多项式，而将所述喷墨量从对应至一参考厚度的一预设参考值调整为一理想值。
5.根据权利要求4所述的喷墨着色方法，其特征在于，所述关系多项式的常数项为所述预设参考值。
6.根据权利要求4所述的喷墨着色方法，其特征在于，所述关系多项式为二次多项式。
7.根据权利要求4所述的喷墨着色方法，还包括：
依据所述成型材的材料种类而从多个预设多项式中挑选出所述关系多项式。
8.一种立体打印装置，使用FDM技术，其特征在于，包括：
一立体打印头，包括一熔融喷嘴；
一喷墨头，包括一墨水喷嘴；
一平台，设置在所述立体打印头与所述喷墨头下方；以及
一控制器，耦接所述立体打印头与所述喷墨头，获取用以形成一立体物件的至少一切层物件的切层厚度，并依据所述切层厚度调整一墨水层对应的一喷墨量，其中所述喷墨量与所述切层厚度为正相关，
其中所述控制器控制所述立体打印头依据所述切层厚度将成型材熔融并打印在所述平台上而形成所述切层物件，以及控制喷墨头依据调整后的所述喷墨量将至少一墨水喷涂在所述切层物件上而形成所述墨水层。
9.根据权利要求8所述的立体打印装置，其特征在于，所述墨水包括分别对应至不同颜色的多个彩色墨水，而所述控制器依据所述切层厚度调整所述墨水层中的各所述彩色墨水的所述喷墨量。
10.根据权利要求9所述的立体打印装置，其特征在于，所述彩色墨水的颜色包括符合印刷原色的青色、洋红色、黄色，以及黑色。
11.根据权利要求9所述的立体打印装置，其特征在于，所述控制器获取一关系多项式，以及通过将所述切层厚度代入所述关系多项式，而将所述喷墨量从对应至一参考厚度的一预设参考值调整为一理想值。
12.根据权利要求11所述的立体打印装置，其特征在于，所述关系多项式的常数项为所述预设参考值。
13.根据权利要求11所述的立体打印装置，其特征在于，所述关系多项式为二次多项式。
14.根据权利要求11所述的立体打印装置，其特征在于，所述控制器还依据所述成型材的材料种类而从多个预设多项式中挑选出所述关系多项式。
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