CN111055490A - 三维打印机专用增维式彩色成型方法 - Google Patents
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Abstract
三维打印机专用增维式彩色成型方法，属于机械技术领域。专门适用于层叠式的彩色3D打印方式；本发明的核心技术为壳层增维着色法，包括单纯增维式彩色成型壳层方法及FDM支撑复合增维式壳层彩色成型方法：利用切片软件将彩色物件进行切层，在对每一个切层的边界轮廓的色彩进行采集存储；之后就根据该切层的边界轮廓的色彩信息，使用喷墨打印头对不可拉伸的抗拉伸线材进行1维喷墨着色。穿过送料管后从料丝出口导出被粘接在由预先涂胶构造所喷胶的已铺设的料丝上；铺设路径的驱动是由电机驱动安装有送料管、料丝出口做水平运动的支架体来完成的，完成了由1维的曲线彩色的线材，形成2维的曲面彩色的过程，即增加维度的增维彩色3D打印方法。
Description
[技术领域]
本发明属于机械技术领域，确切的讲是一种彩色FDM-3D打印机及成型物件的涂色方法。
[背景技术]
目前彩色FDM-3D打印机的彩色生成方式有混色式及涂色式两类：
混色实现彩色的方法有以下3种：
混色式方式之一是：多色颜料融注混合挤出FDM-3D打印机:2013年4月，美国威斯康星-麦迪逊大学耗材融化之际往里面添加颜色，从而实现FDM 3D打印机的彩色打印。开发团队将这个新的装置描述为一支“虚拟画笔”，通过对单个聚合物材料施加一种染色工艺来实现全彩色的3D打印。所以。这种彩色3D打印并不需要多个喷嘴和多种不同颜色的线材。Spectrom工作原理是通过精确计算什么样的时候需要什么样的颜色，然后用不同颜色的墨水去染同一个线材。所以只需要一个喷嘴即可实现彩色3D打印。不足之处是颜色改变速度缓慢的缺陷：不同颜色的过渡容易出现混乱。(比如，当从黄色变为蓝色时，中间地带可能会出现绿色的小块),但是原理上具有改善物料混合颜色改变的速度,比如减少混料腔的容积。另一不足之处是颜料携带载体缺陷，化学溶剂挥发将生成有害气体。
混色式方式之二是：多色物料多孔独立挤出FDM-3D打印机:多色的桌面型 3D打印机(比如ProDesk3D)需要多个挤出机总成才能制造彩色效果。双色 3D打印机标配了两个挤出机总成，属于双材料挤出的机型。它的机身背部挂载两个料盘，支持ABS和PLA两种耗材。并且在市面上，我们可以找到多种颜色的通用耗材。这样一来就可以自由搭配，按照需要选择合适的颜色和材料类型。不足之处是：无法表达渐变色彩，突变色彩分界及颜色的数量有限的缺陷。
混色式方式之三是：多色物料共孔混合挤出FDM-3D打印机：2015年，以色列的something3D打印公司宣布：他们正在推出一款全彩的桌面型3D打印机Chameleon(意为变色龙)，将为用户提供全新的基于FFF技术的彩色3D打印体验。Something3D公司的这款Chameleon 3D打印机主要使用多个3D打印线材，共5种颜色耗材，分别是：青色、品红色、黄色、黑色和白色(CMYBWTM) 的线材，整个系统只需使用一个挤出机总成，根据需要通过改变以上5种颜色的混合比例组合，形成任意的色彩，该机器能够在0.5毫米的层方向的打印分辨率条件下实现颜色转换，但无法实现水平方向的快速颜色的转换。
不足之处仍是颜色改变速度缺陷：不同颜色的过渡容易出现混乱。(比如，当从黄色变为蓝色时，中间地带可能会出现绿色的小块)，无法满足颜色的大色彩的突变改变。物料供给方式也有缺陷，也无法满足精确而稳定的颜色的配比。
涂色式FDM彩色方案仅有美国苹果公司的尝试方案：苹果公司正在研发彩色的FDM--3D打印机。Global Equities Research公司分析师Trip Chowdhry 就发布了很多关于苹果准备进入3D打印机市场的良好预测。该专利是苹果公司游戏和图形软件工程总监Geoffrey S在2014年5月30日提交的。专利内容包括：当耗材打印头沉积完一层之后，涂色打印头跟着附上颜色，或者是整个3D 打印对象打印完成以后，再用涂色打印头围着对象进行喷漆上色，涂色打印头具有5轴运动功能，3个自由度完成空间位置的确立，2个转动自由度完成喷墨口的喷射方向的变化。
该技术的缺陷不在于其技术原理，而在于实施工艺及打印效果，要求色彩喷头的体积微小且彩色染料的喷嘴具有5轴运动功能，只有体积极小，才能适应复杂表面的近近距离工作；更加困难的是如何避免互相污染，持续的逐行喷色过程中如何不污染已经喷过色的表面？在苹果的方案中未见如何解决上述障碍。
综合上述情况，对于分辨率要求不高的情况还勉强适应，因为大面积着色降低了对喷墨头精细性的要求，交叉染色的影响不明显。
关于FDM-3D打印机的其它通用技术简述如下：
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型方法，简称 FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。
基本工作原理如下：挤出机总成上的加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127—0.6mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
打印过程中，打印头在平面上的位移以及打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印。在打印过程中，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印。循环往复直至成品的完成。
在打印过程中，插入打印头的线材会迅速融化，通过打印头挤出瞬间凝结。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。
其结构细节阐述为：
挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件，大多数采用加热棒对铝块进行间接加热法,将塑料丝通过挤出机总成的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位，经过熔化，进入喷嘴区域，最后由挤出孔挤出,融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。
挤出机总成中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机总成散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者可以将打印台做成加热床，床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了；挤出机总成的所有构件：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，。
单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出机总成最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm 的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。
加热喷头携带挤出孔在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作 X-Y平面运动，快速冷却后形成一层大约0.127-0.50mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。
电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括 Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。Arduino Mega 2560主控板Arduino Mega 2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54 个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D 打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega 2560主控板供电，直接使用USB 5V或通过电源接头供电。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3D打印机运行前，需要在Arduino IDE中下载Marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接两个12V电源，其中一个为11A，为加热床供电，另一个为5A，为挤出机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12V、5A电源即可。Ramps 1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的LED，挤出机总成与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988由主控板控制，由于作者采用单机头打印机，挤出机总成2电机接口不用安装A4988，位于拓展板右上角，有X、 Y、Z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。A4988步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现XYZ轴电机及挤出机总成的动作。A4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。
软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、 UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL 文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。下位机软件Marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3D打印机中使用Marlin固件时，只需要在Arduino IDE软件中下载完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。
[发明内容]
本发明目的：在于克服已有技术的缺陷，用一种有效、简单的方法实现打印物件的壳层彩色。
本发明特点及宗旨：简单、可靠，结合彩色喷墨技术，仅对1维的线状材料进行染色，然后进行2维的重新排布，构件彩色壳层。
本发明的技术方案是：
本发明的核心技术为壳层增维着色法，包括单纯增维式彩色成型壳层方法及FDM支撑复合增维式壳层彩色成型方法：
支持本发明方法运行基本工作原理如下：增维式三维彩色打印机的组成包括，电子系统、驱动打印头(挤出机系统)与打印平台相对运行的机械系统、壳体及连接各个组件之间的电缆；挤出机系统在电子系统控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作相对于打印平台的X-Y平面运动；抗拉伸线材丝状材料被的喷墨喷头进行喷墨一维着色后被牵引出来，有选择性的粘接在打印平台(23) 上的打印物件上，配合打印平台相对下降进行逐层或螺旋累加后，不断堆积打印物件的高度，循环往复直至成品的完成。利用切片软件将彩色物件进行切层，在对每一个切层的边界轮廓的色彩进行采集存储；之后就根据该切层的边界轮廓的色彩信息，使用喷墨打印头对(不可拉伸)的抗拉伸线材进行1维喷墨着色。或是对彩色物件的表面的壳层进行螺旋式切割，形成一根连续的螺旋线。挤出机系统的运行为：将被1维着色的抗拉伸线材经导向片导向，穿过送料管后从料丝出口导出被粘接在由预先涂胶构造所喷胶的已铺设的料丝上。铺设路径的驱动是由电机驱动安装有送料管、料丝出口做水平运动的支架体来完成的，路径完全遵循原彩色物件切层的路径，完成一层轮廓的铺设后，打印平台相对下降一层的高度，进行下一层彩色铺设，循环往复。或者是驱动料丝出口做螺旋线运动，连续上升，而连续完成彩色壳层的铺设；完成了由1维的曲线彩色的线材，形成2维的曲面彩色的过程，即增加维度的增维。
完成壳层增维着色方法的机械系统包括：抗拉伸线材经过导向片导向，穿过电机轴管、送料管后最终粘接在已铺设的料丝上。
进一步：打印过程中的预先涂胶构造包括：使用单独的点胶组件进行涂胶，或是使用电机驱动转盘转动，电机的转轴为空心的管状，也兼做为料丝的导管与出口，转盘带动点胶头及喷嘴进行圆周转动，使得在喷嘴的随后的运行到该位置时，胶液预先涂在上一切层上；或是在转盘上再安装上支撑物料喷口是专门用来铺设支撑构造的，使用容易去除的或可溶性材料；详细而言：将被一维着色的料丝粘接在已铺设的料丝上是通过热敏胶粘结法、压敏胶粘结法及光敏粘结法：其粘接胶体的喷涂方法包括：利用在支架体固定安装着喷墨喷头、电机、导向片，喷墨喷头向穿过导向片的抗拉伸线材喷射喷出墨滴；当打印机的机械驱动装置驱动支架体(4)水平运动时，由于抗拉伸线材的粘接力，抗拉伸线材被受激光器所发出的激光束固化了的粘接点的牵引下，抗拉伸线材不断地被从料丝出口拉出；点胶头的喷嘴向已铺设的料丝上喷射胶液，转盘被电机驱动下沿着回转方向左右旋转，使用2个相对安装的激光器总是可以克服料丝的阻挡而始终至少有1 台激光器能照射到胶层上，完成固化，每完成一层的铺设，打印平台下降一层高度。
进一步：单纯增维式彩色成型壳层方法指的是：仅仅使用抗拉伸线材与喷胶进行瞬间的来成型壳层3D构件。
进一步：FDM支撑复合增维式壳层彩色成型方法指的是：除了使用抗拉伸线材与喷胶成型壳层3D构件外，还需要另外的挤出喷头进行热熔逐层堆积构建3D成型物件实体部分及支撑部分。
进一步：除此以外，切断料丝可以通过切刀来完成，或无需切断，而在牵引拉丝站结点在打印物件结构的无关部位上。
本发明的有益特点是：成本可控、彩色分辨率高，色彩鲜艳。
[附图说明]
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
图1三维彩色打印机专用增维式着色方法示意图。
图2增维式三维彩色打印供胶、供支撑胶料及光固化前端构造示意图。
标号说明：
(1)抗拉伸线材
(2)导向片
(3)喷墨喷头
(4)支架体
(5)喷出墨滴
(6)电机轴管
(7)转盘
(8)电机
(9)送料管
(10)激光束
(11)激光器
(12)喷嘴
(13)点胶头
(14)料丝出口
(15)已铺设的料丝
(16)支撑物料喷口
(17)激光器2
(18)回转方向
(19)转动方向
(21)粘接点
(22)挤出机系统
(23)打印平台
(24)输胶管
[实施例证]
如图1、图2所示：
增维式三维彩色打印机的组成包括(属于公知技术、未画出)，电子系统、驱动打印头(挤出机系统)与打印平台相对运行的机械系统、壳体及连接各个组件之间的电缆；挤出机系统在电子系统控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作相对于打印平台的X-Y平面运动；抗拉伸线材丝状材料被的喷墨喷头进行喷墨一维着色后被牵引出来，有选择性的粘接在打印平台(23)上的打印物件上。
挤出机系统(22)如被虚线包围的部分所示：供料盘所提供的(未画出)抗拉伸线材(1)经过导向片(2)导向，穿过电机轴管(6)、送料管(9)后最终粘接在已铺设的料丝(15)上。支架体(4)固定安装着喷墨喷头(3)、电机(8)、导向片(2)，喷墨喷头(3)向穿过导向片(2)的抗拉伸线材(1)喷射喷出墨滴(5)。
输胶管(24)点胶头(13)的喷嘴(12)向已铺设的料丝(15)上喷射胶液，转盘(7) 被电机(8)驱动下沿着回转方向(18)左右旋转，由于抗拉伸线材(1)与胶水之间的粘接力的存在，当打印机的机械驱动装置驱动支架体(4)水平运动时，抗拉伸线材(1)被受激光器(11)所发出的激光束(10)固化了的粘接点(21)的牵引下，抗拉伸线材(1)不断地被从料丝出口(14)拉出。使用2个相对安装的激光器(激光器(11)、激光器(17))，总是可以克服料丝的阻挡而始终至少有1台激光器能照射到胶层上，完成固化，每完成一层的铺设，打印平台(23)下降一层高度。
图2表示在打印过程中，从电机(8)的转轴方向，朝向转盘(7)看去的透视图，当料丝出口(14)是沿着铺设路径水平行进时，电机(8)驱动转盘(7)带动点胶头(13) 的喷嘴(12)沿着转动方向(19)转动(图2的下图所示)，使得喷嘴(12)能够提前在料丝出口(14)的随后的行进位置处喷涂胶液。
支撑物料喷口(16)是专门用来铺设支撑构造的，使用容易去除的或可溶性材料。
Claims (4)
1.三维打印机专用增维式彩色成型方法,专门适用于层叠式的彩色3D打印方式；支持本发明运行基本工作原理如下：增维式三维彩色打印机的组成包括，电子系统、挤出机系统与打印平台相对运行的机械系统、壳体及连接各个组件之间的电缆；挤出机系统在电子系统控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作相对于打印平台的X-Y平面运动；抗拉伸线材丝状材料被的喷墨喷头进行喷墨一维着色后被牵引出来，有选择性的粘接在打印平台(23)上的打印物件上，配合打印平台相对下降进行逐层或螺旋累加后，不断堆积打印物件的高度，循环往复直至成品的完成；其特征就在于：本发明的核心技术为壳层增维着色法，包括单纯增维式彩色成型壳层方法及FDM支撑复合增维式壳层彩色成型方法：利用切片软件将彩色物件进行切层，在对每一个切层的边界轮廓的色彩进行采集存储；之后就根据该切层的边界轮廓的色彩信息，使用喷墨打印头对不可拉伸的抗拉伸线材进行1维喷墨着色；或是对彩色物件的表面的壳层进行螺旋式切割，形成一根连续的螺旋线；挤出机系统的运行为：将被1维着色的抗拉伸线材经导向片导向，穿过送料管后从料丝出口导出被粘接在由预先涂胶构造所喷胶的已铺设的料丝上；铺设路径的驱动是由电机驱动安装有送料管、料丝出口做水平运动的支架体来完成的，路径完全遵循原彩色物件切层的路径，完成一层轮廓的铺设后，打印平台相对下降一层的高度，进行下一层彩色铺设，循环往复；或者是驱动料丝出口做螺旋线运动，连续上升，而连续完成彩色壳层的铺设；完成了由1维的曲线彩色的线材，形成2维的曲面彩色的过程，即增加维度的增维；完成壳层增维着色方法的机械系统包括：抗拉伸线材经过导向片导向，穿过送料管后粘接在已铺设的料丝上。
2.根据权利要求1三维打印机专用增维式彩色成型方法，其特征就在于：所述的单纯增维式彩色成型壳层方法指的是：仅仅使用抗拉伸线材与喷胶进行瞬间的来成型壳层3D构件。
3.根据权利要求1三维打印机专用增维式彩色成型方法，其特征就在于：所述的打印过程中的预先涂胶构造包括：使用单独驱动的点胶组件进行涂胶，或是使用电机驱动转盘转动，电机的转轴为空心的管状，也兼做为料丝的导管与出口，转盘带动点胶头及喷嘴进行圆周转动，使得在喷嘴的随后的运行到该位置时，胶液预先涂在上一切层上；或是在转盘上再安装上支撑物料喷口是专门用来铺设支撑构造的，使用容易去除的或可溶性材料；详细而言：将被一维着色的料丝粘接在已铺设的料丝上是通过热敏胶粘结法、压敏胶粘结法及光敏粘结法：其粘接胶体的喷涂方法包括：利用在支架体固定安装着喷墨喷头、电机、导向片，喷墨喷头向穿过导向片的抗拉伸线材喷射喷出墨滴；当打印机的机械驱动装置驱动支架体水平运动时，由于抗拉伸线材的粘接力，抗拉伸线材被受激光器所发出的激光束固化了的粘接点的牵引下，抗拉伸线材不断地被从料丝出口拉出；点胶头的喷嘴向已铺设的料丝上喷射胶液，转盘被电机驱动下沿着回转方向左右旋转，使用2个相对安装的激光器总是可以克服料丝的阻挡而始终至少有1台激光器能照射到胶层上，完成固化，每完成一层的铺设，打印平台下降一层高度。
4.根据权利要求1三维打印机专用增维式彩色成型方法，其特征就在于：所述的FDM支撑复合增维式壳层彩色成型方法指的是：除了使用抗拉伸线材与喷胶成型壳层3D构件外，还需要另外的挤出喷头进行热熔逐层堆积构建3D成型物件实体部分及支撑部分。
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