CN1810492A - 彩色三维物体的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种彩色三维物体的制作方法。首先建立三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型信息；计算机控制打印喷头把彩色水溶性液体喷射到铺平的粉末层上，形成彩色层片；在第一层的上面再铺设第二层粉末；计算机控制打印喷头把彩色水溶性液体喷射到粉末层上，形成第二层彩色层片，并将第二层与第一层粘结成一个整体；依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时粘结上一层，层层粘结叠加，最终制作出在计算机中设计的三维物体。本发明可以快速、可靠、安全、低成本地制作形状复杂的彩色三维物体。由于使用的成型材料(包括石膏粉末、淀粉粉末、水溶性液体等)均是无毒的，因此可以在办公环境中使用本发明制作三维物体。

Description

彩色三维物体的制作方法

                       技术领域

本发明涉及采用打印方式快速制作彩色三维物体的成型方法，具体说是一种彩色三维物体的制作方法。

                       背景技术

快速成型技术是从计算机三维实体到物理实体的一种快速制作工具，它适合制作原型件和小批量的功能件，制作的零件的材料可以是陶瓷材料、金属材料、纸、光敏树脂等材料。快速成型技术比较常用的工艺有光固化工艺、选择性激光烧结、熔丝沉积制作、叠层实体制作和三维打印等。

以上几种工艺都能制作复杂的三维物体，但制作的三维实体都是单色的。如有的公司开发了能用于熔丝沉积制作的几种不同颜色的成型材料，但也只能是每个三维物体是单色的，无法制作出彩色的三维物体。这样对于产品的概念设计和外观设计等方面，产品就缺乏了色彩表现力。

另外，目前的光固化工艺、选择性激光烧结、熔丝沉积制作、叠层实体制作和三维打印等工艺制作的速度都较慢、制作的成本都较高，不利于产品开发成本的降低。

                       发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种能够快速、可靠、安全、低成本制作彩色三维物体的制作方法。

本发明是运用如下技术方案来实现彩色三维物体的制作的：

在制作三维物体的过程中，首先建立三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型信息；计算机控制打印喷头按照第一层的成型信息做设定的打印运动，打印喷头根据该层的色彩信息有选择性地把彩色水溶性液体喷射到铺平的粉末层上，该水溶性液体迅速与粉末进行反应，形成与第一层成型信息形状一样的、有一定强度的彩色层片，未被喷射的粉末作为下一层片的支撑；在第一层的上面再铺设第二层粉末，并使其铺平；计算机控制打印喷头按照第二层的成型信息做设定的打印运动，打印喷头根据该层的色彩信息有选择性地把彩色水溶性液体喷射到铺平的粉末层上，同样，该水溶性液体迅速与粉末进行反应，形成与第二层成型信息形状一样的、有一定强度的彩色层片，并将第二层与第一层粘结成一个整体；依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时粘结上一层，层层粘结叠加，最终制作出在计算机中设计的三维物体；去除多余的、未被粘结的粉末，取出制作的三维物体；制作出的三维物体经后处理工序后，即可成为具有一定功能的成型件。

应用本发明制作的三维物体是由粉末材料和水溶性液体材料进行反应而形成的一层层薄片，同时粘结叠加而成的。该类三维物体可作为产品的外观设计用，也可作为产品的功能件用。

制作三维物体的粉末材料可以是以石膏为主要成分的粉末，也可以是以淀粉为主要成分的粉末，粉末的颗粒度为5～300μm；所述水溶性液体包括水、色料及其它助剂。根据制作三维物体的需要，可以在粉末中添加细纤维，以增强制作的三维物体的强度以及添加其它材料以改善制作的三维物体的性能。所述细纤维的长度为30～200μm。

打印喷头在喷射水溶性液体时的渗透深度大于该层粉末的厚度，使得该层与前一层粘结。打印喷头在喷射水溶性液体时的渗透深度以该层粉末厚度的105～180％为最佳。

所铺设的每层粉末的厚度在0.02～0.5mm尤为最佳。

在水溶性液体中分别加入洋红、青色、黄色三种颜料，制成四种具有不同颜色的水溶性液体，即不加入颜料的无色液体、加入洋红色颜料的液体、加入青色颜料的液体、加入黄色颜料的液体；在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制打印喷头喷射不同颜色的液体，从而喷射出该层的彩色图形。

也可在水溶性液体中分别加入洋红、青色、黄色、红色、蓝色、绿色六种颜料，制成六种具有不同颜色的水溶性液体；在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制打印喷头喷射不同颜色的液体，从而喷射出该层的彩色图形。

制作好的三维物体需要用除粉设备去除其表面及内部多余的、未被粘结的粉末。

制作的三维物体经过不同的渗透剂处理后，可具有不同的特性。如经过强度渗透剂处理后，可有较高的强度；经过弹性渗透剂处理后，可有较高的弹性；经过柔性渗透剂处理后，可有较好的柔性。

根据制作三维物体的需要，在后处理时可把其放入烘烤箱进行烘烤，以增强其强度；也可对其表面涂蜡，以增强表面的色泽感；也可对其表面打磨、喷漆，以获得较高的表面质量。

本发明制作三维物体的速度大大高于普通的光固化工艺、熔丝沉积制作、叠层实体制作等快速成型工艺；本发明采用的石膏粉和淀粉成本也大大低于其他几种快速成型工艺使用的成型材料。

因此，本发明可以快速、可靠、安全、低成本地制作形状极其复杂的彩色三维物体；在制作单色的三维物体时，制作的速度更快，成本更低。

由于使用的成型材料(包括石膏粉末、淀粉粉末、水溶性液体、渗透剂等)均是无毒的，因此，也可以在办公环境中使用本发明制作三维物体。

                       附图说明

图1所示的是制作彩色三维物体的成型流程。

图2所示的是制作彩色三维物体的框架示意图。

图3为成型槽运动示意图。

图4为储料槽运动示意图。

以上的图中包括储料槽1，成型槽2，旋转滑辊3，打印喷头托架4，打印喷头5，打印喷头托架导轨6，打印喷头清洗槽7，计算机8，回收槽9，成型槽导轨10，成型粉末11，推料板12，推料板13，喷头控制电路14，喷头X-Y位置控制电路15，储料槽控制器16，成型槽控制器17，滑辊控制器18，储料槽导轨19。

                      具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1、彩色三维物体的制作方法，其步骤如下：

a.建立三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型信息；

b.在水中分别加入洋红、青色、黄色三种颜料，制成四种具有不同颜色的水溶性液体，即不加入颜料的无色液体、加入洋红色颜料的液体、加入青色颜料的液体、加入黄色颜料的液体；计算机控制打印喷头按照第一层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息要求有选择性地把水溶性液体喷射到铺平的石膏粉末层上，粉末的颗粒度为5μm，粉末的厚度在0.02mm，在喷射水溶性液体时的渗透深度为该层厚度的105％，水溶性液体迅速与粉末进行水化反应，形成与第一层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；未被喷射的粉末作为下一层片的支撑；

c.在第一层的上面再铺设相同的第二层石膏粉末层，并使其铺平；

d.计算机控制打印喷头按照第二层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息要求有选择性地把水溶性液体喷射到铺平的粉末层上，喷射的水溶性液体及其渗透深度与第一层时相同，该水溶性液体迅速与粉末反应，形成与第二层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；同时，通过反应将第二层与第一层粘结成一个整体；

e.依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时与上一层粘结成一个整体，这样，层层粘结叠加，最终制造出在计算机中设计的三维物体；

f.去除多余的、未被粘结的粉末，取出制作的三维物体。

实施例2、与实施例1基本相同，所不同的是，水溶性液体为在水中分别加入洋红、青色、黄色、红色、蓝色、绿色六种颜料，所制成的六种具有不同颜色的水溶性液体；采用淀粉粉末，粉末的颗粒度为100μm，在粉末中掺入长度为30μm的细纤维，每层粉末的厚度在0.1mm，在喷射水溶性液体时的渗透深度为该层厚度的140％。

实施例3、与实施例2基本相同所不同的是，粉末的颗粒度为300μm，在粉末中掺入长度为60μm的细纤维，每层粉末的厚度在0.5mm，在喷射水溶性液体时的渗透深度为该层厚度的180％。

实施例4、与实施例3基本相同所不同的是，在粉末中掺入长度为200μm的细纤维。

上述实施例均采用如下所述的设备和过程完成：

图1所示的是制作彩色三维物体的成型流程。在计算机8中建立三维物体的计算机三维实体模型，对其进行切片分层，得到一系列的二维切片，取出每层的成型信息；计算机8根据每一层的成型信息分别控制各机构做协调运动。具体而言，制作开始时，计算机8通过储料槽控制器16控制储料槽导轨19，使得储料槽1中的推料板12上升一段距离，推出一部分成型粉末11；同时，计算机8通过成型槽控制器17控制成型槽导轨10，使得成型槽2中的推料板13下降一段距离；接着计算机8通过滑辊控制器18控制旋转滑辊3把推料板12上升一段距离而推出的成型粉末11铺在成型槽2的上方，在铺粉末11的时候，旋转滑辊3做逆时针运动把粉末11铺平；之后，计算机8通过喷头X-Y位置控制电路15控制喷头托架4做X-Y平面运动；与此同时，计算机8通过喷头控制电路14控制打印喷头5做喷射动作，打印出该层图形；如此反复，一层层的打印并粘结，从而快速制作出三维物体。

图2所示的是制作彩色三维物体的装置结构框架示意图。应用本发明制作彩色三维物体的成型装置(除计算机外)的结构包括：储料槽1、成型槽2、回收槽9、旋转滑辊3、打印喷头托架4、打印喷头5、打印喷头托架导轨6、打印喷头清洗槽7、成型槽导轨10、推料板12、推料板13、喷头控制电路14、喷头X-Y位置控制电路15、储料槽控制器16、成型槽控制器17、滑辊控制器18、储料槽导轨19等。旋转滑辊3和打印喷头托架4沿着X方向做双向直线运动；打印喷头在X-Y平面内沿着打印喷头托架导轨6、打印喷头托架4做平面运动；推料板12、13做垂直方向的上下运动；旋转滑辊3做旋转运动。旋转滑辊3在把粉末11在成型槽2上方铺平时，多余的粉末被推入回收槽9中，待累积到一定量时，把回收槽9中的粉末再倒入储料槽1中。每打印一段时间，打印喷头5在打印喷头托架4的带动下，在打印喷头清洗槽7中进行清洗，以确保喷头不被堵塞。

图3是成型槽运动示意图。每层加工前，成型槽导轨10在成型槽控制器17的驱动下，带动推料板13向下移动一段距离，成型的三维物体放置在推料板13上，待旋转滑辊3把新的粉末铺平后，已成型的部分被完全掩在粉末中，未被粘结的粉末起着支撑作用。

图4是储料槽运动示意图。每层加工前，旋转滑辊3运动到储料槽1的左边，之后成型槽导轨19在储料槽控制器16的驱动下，带动推料板12向上移动一段距离，旋转滑辊3把新的粉末在成型槽2上方铺平。

Claims (9)

1、一种彩色三维物体的制作方法，其步骤如下：

a.建立三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型信息；

b.计算机控制打印喷头按照第一层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息有选择性地把水溶性液体喷射到铺平的粉末层上，该水溶性液体迅速与粉末进行水化反应，形成与第一层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；未被喷射的粉末作为下一层片的支撑；

c.在第一层的上面再铺设第二层粉末，并使其铺平；

d.计算机控制打印喷头按照第二层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息有选择性地把水溶性液体喷射到铺平的粉末层上，该水溶性液体迅速与粉末反应，形成与第二层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；同时，通过反应将第二层与第一层粘结成一个整体；

e.依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时与上一层粘结成一个整体，这样，层层粘结叠加，最终制造出在计算机中设计的三维物体；

f.去除多余的、未被粘结的粉末，取出制作的三维物体。

2、根据权利要求1所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：所述粉末是石膏粉或淀粉，粉末的颗粒度为5～300μm；所述水溶性液体包括水、色料。

3、根据权利要求1或2所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：打印喷头在喷射水溶性液体时的渗透深度大于该层的厚度。

4、根据权利要求3所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：打印喷头在喷射水溶性液体时的渗透深度为铺设的粉末层厚度的105～180％。

5、根据权利要求1或2所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：所铺设的每层粉末的厚度在0.02～0.5mm。

6、根据权利要求1或2所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：在水中分别加入洋红、青色、黄色三种颜料，制成四种具有不同颜色的水溶性液体，即不加入颜料的无色液体、加入洋红色颜料的液体、加入青色颜料的液体、加入黄色颜料的液体；在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制打印喷头喷射不同颜色的液体，从而喷射出该层的彩色图形。

7、权利要求1或2所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：在水溶性液体中分别加入洋红、青色、黄色、红色、蓝色、绿色六种颜料，制成六种具有不同颜色的水溶性液体；在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制打印喷头喷射不同颜色的液体，从而喷射出该层的彩色图形。

8、根据权利要求1或2所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：在粉末中掺入细纤维。

9、根据权利要求8所述的彩色三维物体的制作方法，其特征在于：所述细纤维的长度为30～200μm。

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