CN110091501A - 一种彩色三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色三维打印方法，属于三维打印技术领域，通过切片软件对带有颜色信息的三角面片三维模型进行切片以及路径规划；在切换打印颜色时，先打印模型中的填充或支撑部分排尽融腔内的上种颜色，再打印模型的外轮廓；在打印模型的顶层与底层模型部分切换颜色时，利用打印机自带的材料收集装置进行挤出排尽融腔内的上种颜色，再打印相同颜色的部分；通过利用以上方法遍历所有打印层以及每层中的打印颜色，完成整个彩色模型的打印。该彩色三维打印方法，可以大大提高熔融沉积彩色打印的效率，并减少所需材料，并提高彩色打印件的表面质量。

Description

一种彩色三维打印方法

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，具体地说，涉及一种彩色三维打印方法。

背景技术

三维打印，区别于机械加工中的减材或等材制造，是一种增材制造(AM)工艺。三维打印是通过对三维数据模型进行切片得到路径数据，再根据路径数据将材料逐层堆积，最后形成三维实体的成型方法。三维打印可以完成传统机械加工难以完成的复杂构型，可以一定程度的缩短设计成本和生产周期。

熔融沉积制造(FDM)是目前市场上应用最为广泛的三维打印方法之一，因为其材料易得，环保快捷、成本低廉的特点而受到消费者的青睐。熔融沉积成型将塑料加热熔融，再通过挤出装置将材料沉积到成型平台上，层层堆叠并冷却最终得到三维实体。其所使用的主要的打印材料为聚乳酸(PLA)与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)等。传统的熔融沉积成型仅能生成单色模型，这大大限制了熔融沉积成型的应用范围，现有的熔融沉积成型彩色三维打印方法大多要么会造成大量的材料浪费，且其成型件往往表面质量较差，要么仅能成型颜色复杂度较低的模型，要么需要专用的材料。

熔融沉积成型的相关彩色打印实现方法有很多种，但利用市面上常用的卷状丝材的无外乎两种，一种是添加多个喷头，通过多个喷头挤出多种颜色来成型彩色模型的方法。这种方法的优点是可以得到颜色准确的模型，但缺点是仅能成型限于材料颜色种类颜色的模型，且在打印中未工作喷头的滴漏严重，得到的模型表面质量较差。一种是通过将多种颜色的材料按照一定比例混合在一起得到多种颜色的彩色模型的方法，这种方法的优点是可以通过材料混合得到材料颜色之外的颜色，问题是由于在整个打印过程中，加热融腔都保持着打印温度，其内的材料无法通过丝材的回抽而退回，仅能通过挤出的方法排出。在三维打印过程中，为了保证成型件的质量，加热融腔始终保持着一定的挤出压力。在彩色三维打印的过程中，喷头需要根据打印模型交替挤出不同颜色的材料，但在一种颜色的材料打印结束后，由于上述原因，打印融腔内仍存在着该种颜色的材料，无法立即打印下种颜色的模型，需要通过挤出将该种颜色的材料排出。

针对这个问题，现有的方法有两种，一种是通过在成型模型的外部添加新的模型，在成型模型需要切换颜色的时候先打印外部的添加模型。通过打印外部模型来排出融腔内的材料。另一种方法是在打印机上添加新的装置用来收集挤出材料，当成型模型需要切换颜色时，打印喷头移动到特定装置处进行挤出。这两种方法的优点是可以得到颜色分明的彩色模型，缺点是会造成大量的材料浪费，同时由于在切换颜色时需离开成型模型至外部，其打印效率较低，并由于移动时喷头的滴漏容易造成其表面质量的下降。

发明内容

本发明的目的为提供一种彩色三维打印方法，可在获得颜色分明的彩色模型的同时节约材料，并实现高效率的打印。

为了实现上述目的，本发明提供的彩色三维打印方法包括以下步骤：

1)获取带有颜色信息的三角面片三维模型，包括但不仅限于VRML模型，将模型导入切片软件中；

2)切片软件根据模型规划打印路径并传输到彩色三维打印机中；

3)彩色三维打印机根据规划路径生成模型底部表面，切换颜色时使用彩色三维打印机上的材料收集装置进行挤出；

4)打印模型的各中间层，首先打印中间层的填充部分或支撑部分，使用当前中间层所含有的某种颜色的材料进行打印，当材料被挤出后停止，进行步骤6)；

5)彩色三维打印机使用当前中间层所含有的某种颜色的材料在打印机上的材料收集装置进行挤出，挤出一定数量的材料后停止，进行步骤6)；

6)彩色三维打印机打印外轮廓中为当前颜色的部分；

7)判断当前中间层的模型是否全部打印完成，是则进行步骤9)，否则进行步骤8)；

8)当前中间层的填充部分和支撑部分是否已经全部打印，是则返回步骤5)，否则返回步骤4)；

9)全部中间层是否打印完毕，是则进行步骤10)，否则返回步骤4)；

10)彩色三维打印机生成模型顶层表面，在切换颜色时使用彩色三维打印机上的材料收集装置进行挤出。

上述技术方案有助于保持熔融沉积成型其成本低廉、原料易得，方便快捷，可大大提高使用彩色三维打印的设计及制造效率。上述彩色三维打印机需包括一个可以混合多种丝材的喷头，并具有多套独立的挤出系统，可将多种丝材以不同速度同时送进混合喷头中，多种丝材在喷头处被加热至熔融状态并进行搅拌，伴随着喷头的移动被挤出。打印机另有一个可随打印高度上下的挤出装置，该装置可收集打印机喷头挤出的材料，并同时保证喷头的清洁。打印路径以G代码的形式通过串口输出到彩色打印机中。模型的底层表面是指打印模型在被姿态调整后靠近打印机打印平面的一层。在彩色三维打印机上的材料收集装置处挤出时，将按照待打印的下一颜色的混合比来进行一定量的挤出，直到一定数量的材料被挤出。模型的中间层是指模型的底层表面和顶层表面之间的层面，由于中间层上下表面都由计算机层切而来，在真实模型中在模型内部，故可利用其填充来挤出。

作为优选，使用基于熔融沉积成型且熔融混合多种卷状丝材的彩色三维打印机，且打印机应带有丝材挤出装置。

为了保证切换颜色时排尽上一种混合材料，作为优选，步骤3)中，在打印模型贴近于打印平台的底层表面时，通过在打印机自带的丝材挤出装置挤出一定量的丝材。

为了保证打印颜色纯净，作为优选，步骤4)中，切换颜色时，利用模型中的填充或支撑部分按一定混合比来挤出排尽上一种混合材料，再打印当前混合比对应的模型外轮廓。

作为优选，步骤5)中，当且仅当当前中间层的填充部分和支撑部分被打印完但外轮廓还有未打印的颜色时，使用打印机自带的丝材挤出装置挤出一定量的材料以切换颜色。

为了保证切换颜色时排尽上一种混合材料，作为优选，步骤10)中，在打印模型的顶层表面时，通过在彩色打印机自带的丝材挤出装置挤出一定量的丝材。

附图说明

图1为本发明实施例中彩色三维打印方法流程图；

图2为本发明实施例中彩色三维打印机的示意图；

图3为本发明实施例中所用模型的示意图；

图4为本发明实施例中彩色三维打印方法中的中间层打印的示意图，(1)(2)(3)(4)分别为不同打印流程对应的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图2，本实施例用于实现彩色三维打印方法的彩色三维打印机包括：

打印平台，用于支撑打印的模型；

混合喷头，可随打印高度上下升降，用于挤出打印材料；

材料挤出装置，用于挤出多余的丝材。

参见图1，本实施例中彩色三维打印方法包括如下步骤：

S01，利用建模软件建立一个彩色的立体模型，设置好其各个面的颜色，并以VRML模型的格式输出。该模型为一个彩色的八棱柱模型，根据需要将每个棱柱的面设置成了需要的颜色，模型如图3所示。

S02，将模型导入到切片软件中，并根据模型需要设置合适的参数。选取模型层高为0.1mm，模型的填充率为15％等，切片软件根据本三维彩色打印方法对整个三维彩色模型进行切片、路径规划，并采用蚁群算法对每层的路径进行优化，最终生成G代码，通过串口传输到彩色三维打印机。

S03，先打印模型的底层平面，底层平面含有两种颜色，先直接打印颜色1，待底层平面中的所有颜色为1的部分打印完成后，将打印喷头移动至挤出装置处，按照混合比例挤出总量为30mm长的1.75mm的丝材，待挤出结束后打印底层平面中所有颜色为2的部分，直到打印完全部底层平面。

S04，打印模型的中间层平面，中间层平面含有4种颜色的部分，且含有足够的填充用于挤出材料。由于在打印底层平面时，结束时打印材料为颜色2.故先打印颜色2在该中间层的外轮廓部分。

S05，打印模型的内部填充区域，该模型所设置的内部填充形式为线填充，使用要打印的下一颜色的混合比打印填充区域，当打印填充区域的填充量大于所需要的挤出量时，则停止打印，进行下一个步骤。

S06，打印模型的外轮廓中属于该颜色的部分。

S07，中间层是否打印完毕，是则进行下一步骤，否则返回步骤S05，本模型的某一中间层的路径打印顺序如图4所示。

S08，按照步骤S05～步骤S07的过程逐层生成中间层，直到所有的中间层打印完毕。

S09，打印模型的顶层平面，其过程同步骤S03。

Claims (6)

1.一种彩色三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取带有颜色信息的三角面片三维模型，导入切片软件中；

2)切片软件根据模型规划打印路径并传输到彩色三维打印机中；

3)彩色三维打印机根据规划路径生成模型底部表面，切换颜色时使用彩色三维打印机上的材料收集装置进行挤出；

4)打印模型的各中间层，首先打印中间层的填充部分或支撑部分，使用当前中间层所含有的某种颜色的材料进行打印，当材料被挤出后停止，进行步骤6)；

5)彩色三维打印机使用当前中间层所含有的某种颜色的材料在打印机上的材料收集装置进行挤出，挤出一定数量的材料后停止，进行步骤6)；

6)彩色三维打印机打印外轮廓中为当前颜色的部分；

7)判断当前中间层的模型是否全部打印完成，是则进行步骤9)，否则进行步骤8)；

8)当前中间层的填充部分和支撑部分是否已经全部打印，是则返回步骤5)，否则返回步骤4)；

9)全部中间层是否打印完毕，是则进行步骤10)，否则返回步骤4)；

10)彩色三维打印机生成模型顶层表面，在切换颜色时使用彩色三维打印机上的材料挤出装置进行挤出。

2.根据权利要求1所述的彩色三维打印方法，其特征在于，使用基于熔融沉积成型且熔融混合多种卷状丝材的彩色三维打印机。

3.根据权利要求1所述的彩色三维打印方法，其特征在于，步骤3)中，在打印模型贴近于打印平台的底层表面时，通过在打印机自带的材料挤出装置挤出一定量的丝材。

4.根据权利要求1所述的彩色三维打印方法，其特征在于，步骤4)中，切换颜色时，利用模型中的填充或支撑部分按一定混合比来挤出排尽上一种混合材料，再打印当前混合比对应的模型外轮廓。

5.根据权利要求1所述的彩色三维打印方法，其特征在于，步骤5)中，当且仅当当前中间层的填充部分和支撑部分被打印完但外轮廓还有未打印的颜色时，使用打印机自带的材料挤出装置挤出一定量的材料以切换颜色。

6.根据权利要求1所述的彩色三维打印方法，其特征在于，步骤10)中，在打印模型的顶层表面时，通过在彩色打印机自带的材料挤出装置挤出一定量的丝材。