CN113352599A - 一种同轴结构的彩色3d打印方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴结构的彩色3D打印方法及装置，属于增材制造技术领域，包括喷头主体、同轴液槽、螺纹插管和出料口；所述喷头主体出口处安装有喷嘴；所述喷嘴主体外壁上安装有同轴液槽，且同轴液槽上设置有出料口和螺纹插管，出料口设置在喷嘴的正下方，螺纹插管与色素通道相连通；所述喷嘴底部与同轴液槽之间存在间隙，同轴液槽中的色素通过间隙与喷嘴挤出材料接触，并经出料口输出。通过在喷头处安装的同轴液槽，完成挤出丝表面的上色处理。更换同轴液槽中色素的颜色，便能改变挤出丝的色彩，实现彩色3D打印。该方法控制简单，适用性强，能够提高彩色3D打印喷头的可靠性，降低彩色3D打印装置的成本。

Description

一种同轴结构的彩色3D打印方法及装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及到一种同轴结构的彩色3D打印方法及装置，特指一种基于同轴结构、单通道、色素混合实现彩色3D打印的方法及喷头装置。
背景技术
3D打印技术，又被称作增材制造技术或快速成型技术，是一种通过层层堆叠沉积构建新物体的制造方法。3D打印技术通常以数字模型为基础，利用切片软件对三维模型进行切分并生成打印机运动轨迹，制造出具有独特形状或者功能的物体。作为一种新兴的制造技术，3D打印技术能够减少材料的使用，提高产品的产量，制造出传统工艺难以加工的具有独特内部结构的实体，被《经济学人》认定为能够推动第三次工业革命发展的技术。因此，3D打印技术被广泛应用在航空航天、机械制造、汽车、生物医学、食品、艺术品等领域。
随着生活水平的提升，消费者在选购商品时，对产品的外观要求愈发严格。色彩作为食品外观的重要特征，鲜艳的颜色可以吸引消费者的眼球，满足消费者的购买需求，还能增强产品的市场竞争力。因此，3D打印逐渐关注如何赋予打印产品丰富的色彩。当前，彩色3D打印主要通过两种方式实现：第一种是使用多材料或者多色的打印方法，利用多通道挤出不同颜色打印材料，完成有限的色彩。这种方式能够实现的颜色种类严重依赖打印机装配的喷头或挤出装置的数量，不能够实现任意色的打印，是一种伪彩色打印；第二种是利用调色板原理，利用三基色混合的方式，将三原色材料进行混合得到所需的额外色彩。这种方式机械结构复杂，控制难度大，对原材料混合时的流动性要求高，不具有普适性。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于同轴结构、单通道、色素混合实现彩色3D打印的方法及喷头装置。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，包括喷头主体、同轴液槽、螺纹插管和出料口；所述喷头主体出口处安装有喷嘴；所述喷嘴主体外壁上安装有同轴液槽，且同轴液槽上设置有出料口和螺纹插管，出料口设置在喷嘴的正下方，螺纹插管与色素通道相连通；所述喷嘴底部与同轴液槽之间存在间隙，同轴液槽中的色素通过间隙与喷嘴挤出材料接触，并经出料口输出。
进一步的，所述喷头主体输入端连接有螺纹连接件；所述螺纹连接件与3D打印挤出装置连接，从而将打印材料挤压进入喷头主体内。
进一步的，所述同轴液槽上还开设有废料通道。
进一步的，所述色素通道输入端连接有色素混合器，所述色素混合器中心设置有搅拌器；所述色素混合器为N边形结构，其中，一边与色素通道相通，N-1边与色素胶囊相通，色素胶囊内的色素通过微量泵输送到搅拌器搅拌后，经色素通道进入同轴液槽。
进一步的，所述色素混合器为五边形，色素混合器中心设置有搅拌器，一边连接有色素通道，其余4边连接四个不同的色素胶囊；所述色素胶囊固定在微量泵上，用以实现色素的输送。
进一步的，所述微量泵由运动控制卡控制，并通过串口与3D打印上位机连接。
进一步的，所述色素通道选用聚丙烯材质，管内径为1mm；所述废料通道选用聚丙烯材质，管内径为2mm。
进一步的，所述喷嘴与同轴液槽之间的孔隙长度为0.1mm，用以对通过喷嘴的材料进行上色。
进一步的，所述色素胶囊容量为50mL；所述搅拌器转速为5r/s。
一种用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置的打印方法包括以下步骤：
S1.在彩色3D打印进行前，根据所打印材料的性能，基于CMYK印刷色彩模式，选择合适青、品红、黄、黑四种色彩的色素，使用水凝胶材料对色素进行增稠处理，并将色素储存在色素胶囊中；
S2.控制四个微量泵的流速，将色素胶囊中的色素以不同比例输送进入色素混合器中，在搅拌器的作用下，形成新的色彩；采集不同流速比例下的新色彩的颜色特征，制作色彩数据库；
S3.打印开始后，原材料在常规挤出装置的挤压下，进入喷头主体，并通过喷嘴形成挤出丝；色素胶囊在微量泵的推动下，使其中的色素通过色素通道进入同轴液槽中；
S4.随着挤出的进行，挤出丝被挤出喷嘴，其表面与同轴液槽中的色素接触，使挤出丝表面变色，形成上色后的挤出丝，最终通过出料口；
S5.在彩色打印过程中，软件系统根据模型所需实现的色彩信息，匹配色彩数据库中的流速比例，通过微量泵使色素通道与同轴液槽中色素的发生更换，进而完成挤出丝表面的颜色发生改变，实现彩色3D打印过程；
S6.在更换新的打印色彩时，废料通道将会打开，使同轴液槽中的色素排出；同时，微量泵流速增大，加快色素更换的速度。
基本工作原理是当打印原材料经过喷头形成挤出丝后，同轴液槽中的色素能使挤出丝上色。通过更换同轴液槽中色素的颜色，使挤出丝的色彩发生改变。因此，只需控制对色素通道中输送的色素的颜色，即可改变挤出丝的颜色，实现3D彩色打印。
本发明的优点和技术效果是：
1.本发明提供一种基于同轴结构、单通道、色素混合实现3D彩色打印的方法及喷头装置，解决目前彩色3D打印机械结构复杂，成本高，对原材料要求高，普适性差的缺点。
2.本发明基于同轴结构、单通道、色素混合设计彩色3D打印喷头装置，可极大降低彩色打印头零部件的复杂度，从而提高打印头的可靠性，降低其成本。
3.本发明基于挤出丝表面着色实现彩色打印，降低了对原材料的要求，具有更好地普适性。
4.本发明通过改变彩色打印过程中的用于打印线条着色的色素种类实现颜色改变，敏捷度高、灵活性强。
5.通过在喷头处安装的同轴液槽，完成挤出丝表面的上色处理。更换同轴液槽中色素的颜色，便能改变挤出丝的色彩，实现彩色3D打印。该方法控制简单，适用性强，能够提高彩色3D打印喷头的可靠性，降低彩色3D打印装置的成本。通过设置同轴液槽和喷嘴的位置设置关系和设置色素通道使得3D打印物和色素可同轴喷出。
附图说明
图1为根据本发明实施例的挤出装置整体结构示意图。
附图标记为：
1-螺纹联接件；2-喷头主体；3-同轴液槽；4-喷嘴；5-螺纹插管；6-色素通道；7-出料口；8-废料通道；9-色素混合器；10-色素胶囊；11-微量泵；12-搅拌器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，包括喷头主体2、螺纹连接部件1、同轴液槽3、喷嘴4、螺纹插管5、色素通道6、出料口7、废料通道8、色素混合器9、色素胶囊10、微量泵11和搅拌器12；所述喷头主体2上部连接有螺纹连接件1；所述的螺纹连接件1与3D打印挤出装置连接，从而将打印材料挤压进入喷头主体2内；所述的喷头主体2下部固定有喷嘴4；所述的喷头主体2下部与同轴液槽3连接；所述的同轴液槽3侧边布置有螺纹插管5，用以与色素通道6连接，使色素通过色素通道6输送进入同轴液槽3；所述的喷嘴4位于同轴液槽3内部，喷嘴4底部与同轴液槽3之间存在间隙，使同轴液槽3中的色素通过间隙与喷嘴4挤出材料接触；所述的同轴液槽3靠近底部处布置有废料通道8；所述的出料口7位于同轴液槽3底部；所述的色素混合器9为五边形，中心设置有搅拌器12，一边连接有色素通道6，其余边连接四个不同的色素胶囊10；所述的色素胶囊10固定在微量泵11上，用以实现色素的输送。
其中，所述的色素通道6选用聚丙烯材质，管内径为1mm；所述的废料通道8选用聚丙烯材质，管内径为2mm；所述的喷嘴4与同轴液槽3之间的孔隙长度为0.1mm，用以对通过喷嘴4的材料进行上色处理；所述的色素胶囊10容量为50mL；所述的搅拌器12转速为5r/s。
本发明还提供一种基于同轴结构、单通道实现彩色3D彩色打印的方法，包括以下步骤：
S1.在彩色3D打印进行前，根据所打印材料的性能，基于CMYK印刷色彩模式，选择合适青、品红、黄、黑四种色彩的色素，使用水凝胶材料对色素进行增稠处理，并将色素储存在色素胶囊10中；
S2.控制四个微量泵11的流速，将色素胶囊10中的色素以不同比例输送进入色素混合器9中，在搅拌器12的作用下，形成新的色彩。采集不同流速比例下的新色彩的颜色特征，制作色彩数据库。
S3打印开始后，原材料在常规挤出装置的挤压下，进入喷头主体2，并通过喷嘴4形成挤出丝；色素胶囊10在微量泵11的推动下，使其中的色素通过色素通道6进入同轴液槽3中。
S4.随着挤出的进行，挤出丝被挤出喷嘴4，其表面与同轴液槽3中的色素接触，使挤出丝表面变色，形成上色后的挤出丝，最终通过出料口7。
S5.在彩色打印过程中，软件系统根据模型所需实现的色彩信息，匹配色彩数据库中的流速比例，通过微量泵11使色素通道6与同轴液槽3中色素的发生更换，进而完成挤出丝表面的颜色发生改变，实现彩色3D打印过程。
S6.在更换新的打印色彩时，废料通道将会打开，使同轴液槽3中的色素排出。同时，微量泵11流速增大，加快色素更换的速度。
实施例1
本实施例以米饭彩色打印为例，对本发明实施过程进行说明，具体包括以下步骤：
色素材料的制备。分别取赤藓红色素、柠檬黄色素、亮蓝色素、植物炭黑色素2g，溶于500mL蒸馏水中，再加入1.5g黄原胶，并将四种色素分别置于磁力搅拌器中搅拌30min，获得黏度增强后的赤藓红、柠檬黄、亮蓝、植物炭黑色素水溶液。
色彩数据库的构建。将4种色素水溶液分别置于色素胶囊中，使用微量泵对其进行挤出，并将四种色素在色素混合器中进行混合，通过调色原理，获得混合后的色彩。记录微量泵不同流速比例下色素溶液混合后的颜色表，建立颜色混合的色彩数据库。
打印材料的制备。取蒸制过的米粒500g，置于干燥箱中30min，使米粒表面水分散失，易于与色素溶液结合。之后，使用搅拌器将米粒挤压成团，便于通过3D打印机挤出装置进行挤压出料。
打印材料的上色。在打印过程中，打印机运动机构根据模型的几何关系进行运动，同时挤出装置将米饭饭团输送进入喷头主体内。饭团材料被挤压形成挤出丝后，在同轴液槽与喷嘴的间隙处被调制的色素着色，完成材料的上色过程。
彩色打印的实施。在打印不同色彩的模型部位时，根据彩色模型待打印部位的颜色信息，查找色彩数据库，得到四种色素混合流速比例，控制微量泵调制出合适的色彩。在更换同轴液槽中的色素时，提升微量泵的整体流速，同时打开废料通道，使同轴液槽中的色素能够迅速排出并更换待打印色素。完成色素更换后，挤出丝表面的色彩发生改变，实现彩色3D打印。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，包括喷头主体(2)、同轴液槽(3)、螺纹插管(5)和出料口(7)；所述喷头主体(2)出口处安装有喷嘴(4)；所述喷嘴主体(2)外壁上安装有同轴液槽(3)，且同轴液槽(3)上设置有出料口(7)和螺纹插管(5)，出料口(7)设置在喷嘴(4)的正下方，螺纹插管(5)与色素通道(6)相连通；所述喷嘴(4)底部与同轴液槽(3)之间存在间隙，同轴液槽(3)中的色素通过间隙与喷嘴(4)挤出材料接触，并经出料口(7)输出。
2.根据权利要求1所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述喷头主体(2)输入端连接有螺纹连接件(1)；所述螺纹连接件(1)与3D打印挤出装置连接，从而将打印材料挤压进入喷头主体(2)内。
3.根据权利要求1所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述同轴液槽(3)上还开设有废料通道(8)。
4.根据权利要求1所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述色素通道(6)输入端连接有色素混合器(9)，所述色素混合器(9)中心设置有搅拌器(12)；所述色素混合器(9)为N边形结构，其中，一边与色素通道相通，N-1边与色素胶囊(10)相通，色素胶囊(10)内的色素通过微量泵(11)输送到搅拌器(12)搅拌后，经色素通道(6)进入同轴液槽(3)。
5.根据权利要求4所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述色素混合器(9)为五边形，色素混合器(9)中心设置有搅拌器(12)，一边连接有色素通道(6)，其余4边连接四个不同的色素胶囊(10)；所述色素胶囊(10)固定在微量泵(11)上，用以实现色素的输送。
6.根据权利要求4或者5任一项所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述微量泵(11)由运动控制卡控制，并通过串口与3D打印上位机连接。
7.根据权利要求4或者5任一项所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述色素通道(6)选用聚丙烯材质，管内径为1mm；所述废料通道(8)选用聚丙烯材质，管内径为2mm。
8.根据权利要求1所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述喷嘴(4)与同轴液槽(3)之间的孔隙长度为0.1mm，用以对通过喷嘴(4)的材料进行上色。
9.根据权利要求4或者5任一项所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置，其特征在于，所述色素胶囊(10)容量为50mL；所述搅拌器(12)转速为5r/s。
10.根据权利要求1-5任一项所述的用于实现同轴单通道彩色3D打印功能的喷头装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在彩色3D打印进行前，根据所打印材料的性能，基于CMYK印刷色彩模式，选择合适青、品红、黄、黑四种色彩的色素，使用水凝胶材料对色素进行增稠处理，并将色素储存在色素胶囊(10)中；
S2.控制四个微量泵(11)的流速，将色素胶囊(10)中的色素以不同比例输送进入色素混合器(9)中，在搅拌器(12)的作用下，形成新的色彩；采集不同流速比例下的新色彩的颜色特征，制作色彩数据库；
S3.打印开始后，原材料在常规挤出装置的挤压下，进入喷头主体(2)，并通过喷嘴(4)形成挤出丝；色素胶囊(10)在微量泵(11)的推动下，使其中的色素通过色素通道(6)进入同轴液槽(3)中；
S4.随着挤出的进行，挤出丝被挤出喷嘴(4)，其表面与同轴液槽(3)中的色素接触，使挤出丝表面变色，形成上色后的挤出丝，最终通过出料口(7)；
S5.在彩色打印过程中，软件系统根据模型所需实现的色彩信息，匹配色彩数据库中的流速比例，通过微量泵(11)使色素通道(6)与同轴液槽(3)中色素的发生更换，进而完成挤出丝表面的颜色发生改变，实现彩色3D打印过程；
S6.在更换新的打印色彩时，废料通道将会打开，使同轴液槽(3)中的色素排出；同时，微量泵(11)流速增大，加快色素更换的速度。
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