TWI226009B - Methods and systems for producing a desired apparent coloring in an object produced through rapid prototyping - Google Patents

Description

1226009 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明係有關於快速成型法。具言之，本發明係有關 5 以快速成型法所製成之物體的著色技術。 【先前技術3 發明背景 快速成型法(rapid prototyping)正很快地變成用來製造 包括原型構件和工作工具之三維物體的流行方法。快速成 10型法係為一種原型製法，其中一由電子資料所描述的物體 會被自動地由基礎材料來構成。該快速成型法的主要形式 包含一列印製程。 當快速成型法使用一列印製程時，有許多印成的平面 層會被組合在一起來形成一非平面的三維物體。各部件可 15藉在一粉末平床上列印或喷射一黏劑而來製成。在喷塗黏 劑之處，該粉末會固化成所要形成的物體之一截面。此印 製步驟會一層一層地來進行，而每一層皆代表最後所要成 品的另一截面。相鄰的印製層會以預定圖案來互相黏接而 疊成所要的製品。 20 除了在製造腔室中由粉末來選擇性地形成所要物體之 各層外，該糸統亦能在該物體的每一層上印出一種顏色或 色圖案。例如’喷墨列印技術亦可被利用’其中有許多 不同顏色的墨汁會由一列印頭的噴嘴喷出而摻混於該印刷 媒體上，來提供全頻譜的色彩。在每一層上，傳統的二維 1226009 多次列印技術及半色調法亦可被用來隱藏列印瑕疫，並達 到一較大範圍的所需色彩。 但是，以該等二維印刷技術來擴展至三維的快速成型 法並非絕佳，因為其並未將第三維向納入考量。尤其是， 5 一維的多次列印技術會在一快速成型系統中增加完成一製 品所需的時間。而且，二維的半色調技術會在三維情況下 產生不必要的色紋。 在以往使用噴墨技術來將色彩加諸於所要製成物品的 快速成型系統中，色彩係藉將一所需顏色列印於待製物品 10 的每一層而來加入。

C ^^明内 J 發明概要 在許多可能實施例中，本發明乃提供一種可在由快速 成型法製成的物體上來形成一所需外觀顏色的方法，其係 15 藉改變由該物體之表面向内疊合之各連續層的顏色而來達 成。 圖式簡單說明 所附圖式乃示出本發明的不同實施例，並構成本說明 書的一部份。該等圖式會與如後說明一起來示範並解釋本 發明的原理。所示出的實施例僅為本發明的範例，而並# 用來限制本發明的範圍。 第1圖示出一快速成型系統，其係使用列印製法來形成 所需的產品。本發明之實施例可在第1圖所示的系統中來實 1226009 第2a圖示出在一被製造物中之可能不同顏色的多層疊 殼，依據本發明的原理來達到一所需的外觀顏色。 第2b圖示第2a圖中的物體有部份被截除，而示出該物 體内部依本發明之原理所製成的彩色殼層。 5 第3圖為第2圖中之各疊殼的放大圖，乃用來表示該各 殼層可具有不同的寬度或深度。 在各圖式中，相同的標號係代表類似，方但不一定是 相同的元件。 C貧施冷式】 10較佳實施例之詳細說明 本發明乃包括可將全頻譜的色彩，以及一大範圍的飽 和度和亮度，加諸於以一最好使用列印技術之快速成型系 統所製成的物體之技術。本發明係可依據該物體材料的透 光度’使其顏色由該物體表面或底下的著色劑反射或吸收 15而來造成。纟發明亦能使該外觀彥員色可藉靠近該物體表面 之不同顏色的疊層來細調。 在本文及所附申請專利範圍中，所用的“外觀顏色，， 物體呈顯於觀察者時的色彩。依據本發明的原 2〇理i用來形成該“外觀顏色，，的著色劑係可存在於該物體 #實際表面上’或在該物體内部而不在其表面上。此外， 該待製物體係可為部份半透明或透明的 ’而具有一著色區 體内部’其乃具有該外觀顏色。故，外觀顏色係 W物體m於1看者時的色彩，而不管該色彩是出現 在《亥物體的表面或其内部。該“外觀顏色，，係取決於，但 1226009 亦可能無干於，形成該外觀顏色的特定著色劑，及該等著 色劑位於何處，和該等著色劑如何配佈。會被本發明之實 知例所控制的物體外觀顏色”乃包括色調方面：色彩、 色度、亮度，及幾何方面：鮮明、模糊等。 5 第1圖示出一使用列印技術的快速成型系統。在第丄圖 的快速成型系統100中，一粉狀材料會被用來製成該所需^ 品的各層。為達成此目的，一測定量的粉末會首先由〜供 料室供入。一滚輪，最好係併設於一移動枱103中，會將在 一製造腔室102頂部的粉末散佈並壓縮成一所需厚度。鲷， 10該列印頭103會以一二維圖案來將黏劑沈積於該製造腔室 102中的粉末上。此二維圖案即為該所需成品之一截面。讀 列印頭103亦可將墨汁、調色劑或色彩活化劑噴入該粉束属 中，來提供該所製物品之此特定截面需要的顏色或色彩圖案。 該粉末會在沈積黏劑的區域内黏合，而形成該製品之 15 一層截面。此製程將會重複進行，而在該製造腔室102内將 一新的粉末層鋪設在前一層的頂面上。該製品的下一栽面 嗣會被以黏劑印入該新粉末層中。該黏劑亦會將該製品之 相鄰各層接合在一起。 此過程將會持續進行，直到該整個物品在製造腔室 20内的粉末床上被形成為止。嗣未被黏劑黏合的過多粉束將 會被刷掉，而留下基本或“粗胚”物品。一使用者介面或 控制面板104會提供來供使用者控制該製程。 該列印製法會具有製造快速及低材料成本的優點。其 乃被認為是最快的快速成型法之一，並可使用各種顏色來 1226009 進行。 在该快速成型系統100中的列印頭通常包含喷墨技 術可將色彩印入該物體的各層内。於噴墨技術中，該列印 頭會將墨滴喷在一所擇圖案中來造成所要列印方影像，或 5若在快速成型法中。則會用來著色所製造的物體。在本文 及所附申請專利範圍中所述之“墨汁，，乙詞，係廣義地泛 指任何被一列印頭喷出用來著色所製成物體的物質。因 此’該墨汁”乃包括，但不限於如墨水、印刷液、調色 劑、著色劑等。 10 在使用噴墨技術來將色彩加諸於所製物體的快速成型 系統中’可在任何指定時間將色彩僅施加於正被列印的截 面部份而來賦予顏色，該部份可相鄰於最後成品的表面或 在其上。此著色操作最好能喷入該物體表面有些許深度， 俾最佳地著色該物體。 15 因為色彩基本上會有一些滲面性質，故其喷塗不需要 深入該物體的内部非常遠。該著色的需要深度乃取決於用 來製造該物體的基材。較不透明的材料可能需要將色料更 深地射入該物體内。 在本發明的原理下，並非將一物體視為具有一特定顏 2〇色的單一殼體，而是該物體在概念上可被視為一系列不同 顏色的疊合殼層。殼〇可為最外層殼，或包含該物體實際表 面的殼層。殼1即為緊鄰該殼0内側的次一殼層。此排序將 朝該物體的中心向内推進。 視感上’該物體的實際顏色將會是各疊殼顏色的組 1226009 合。舉例而言，該物體的實際顏色將會是殼G的顏色加上具 有-些衰減之謂顏色，再加上具有更多衰減之殼2的顏 色’……一直加到具有最大衰減之殼n的顏色。殼n即為最 内層的殼，其顏色可在該外觀顏色上具有任何的作用。 各殼層的視感衰變係依所使用的構建材料而定。一物 體在殼η之前可具有的•，則取決於用來製造該物體之基 材的半透明度。該材料越不透光，則將僅 對該外觀顏色發生作用。 10 〜藉者使各设層上的顏色互不相同，將可達成微妙的色 ^的變化。此外，如下所述，列印瑕疵亦可減至最少或隱 藏起來。 "" I在本發明的原理下，於傳統二維列印中以半調圖案來 ^成的色形變化’在使用列印技術的快速成型法中將能利 用可變的殼層顏色來產生。藉著在不同的殼層中使用均勻 的顏色’則色彩變化將能被造成而不會有不必要的色紋。 貫際上選擇適當的殼層顏色係高度取決於其構建材 料°，對半透明的材料可使用較多的著色殼層。若該構建材 料係不透明的，則僅有少數殼層可被用來形成實際的外觀 顏色。此外’各彀層的寬度或深度亦可改變來達到更多的 20外觀顏色變化。 ^ 進一步的說明，將考量在一粉末層平面上的一點。在 平面中之點的顏色係由該點的顏色，及在同一粉末層 中相鄰於該點之各點的顏色等來決定(半色調）。該點的顏色 亦會X上下鄰接層中之同點處的顏色所影響。在任何指定 1226009 點的顏色會被所有周圍各點之顏色來影響的事實，係為快 速成型法的三維特性。 亦請注意，該被製成物體的最後表面可能為曲面。因 此，該物體内的彩色殼層會隨著該表面彎曲，一垂線可被 5 晝出穿入該表面，其亦會垂直地相交所有的影像形成層或 殼層，它們係互相平行並平行於該表面。 本發明的殼層概念會較佳，因為其能實施於下表面而 不論該可見表面與各粉末層所形成的角度；即，可有一系 列的下殼層設在任何表面之後，而該表面是在該物體的實 10 際表面中或其上。此在三維中的半色調概念亦可稱為“次 色調法’’（sub-toning)。該等疊合層殼並不一定要在該粉末 的連續構建層平面中。且該等層殼亦能被製成與該物體表 面呈一角度，而非與之平行。 又’應請注意依一個人看該製成物體中或其上一點的 15角度而定，將會有許多不同之點位於該所看之點的後方或 底下。故，要獲得來自不同透視角的色光，則必須與該等 下層的著色折衷妥協，因為在該等疊接下層中的畫素亦會 參入來構成不止一個表面的透視顏色。 於本說明書中，控制“外觀顏色”意即隱含著控制色 20调因素·色彩、色度、亮度，及幾何因素：鮮明、模糊等。 在该粉末式快速成型系統中，該粉末並非完全透明，而會 有些混濁或半透明’或為不透明。該等粉末的散光量及不 透明度愈尚，則内部各層決定外觀顏色的效果愈低。 本發明係提供一種由表面層轉換成切片的著色劑沈積 11 1226009 法。三維的半色調法能使在各層中之著色劑的數量和位置 最佳化，因已得知在其它各層中的著色劑和透光度，及著 色劑的混濁度與媒體基質。此將包括K M混濁度理論以及 簡單的Neugebauer式吸收。具體的最佳化則有關於混濁 5度、透光度和空間定位。若該粉末或著色劑含有金屬微粒 或珠光材料’則其它的表面效果亦可被提供。 即，本發明係藉考量在三維中之著色劑色彩和分佈， 而來控制該三_義顏色。更詳言之，本發_使用傳 輸^分層三維半色調法中的多層及二元著色劑，並控制角 10度者色效果。例如，吾人必須控制各著色層來達到與角度 有關的效果，譬如彩虹、金屬或珠光。因為著色層會造成 :良的移轉’故其角度會攸關於相對統譜反射率。本發明 月匕將所有此等因素皆納入考量。 、第2a圖示出一使用列印技術之快速成型法所製成之物 15 的哉面圖。在第2a圖中的截面圖係可為一圓筒，一環或 一* ί泉S* 成上 ' ΜΜ瞭解，此所示截面僅供說明本發明的原理之 用。而本發明係可應用於一具有任何截面形狀的物體。 在典型的噴墨列印系統中，三種顏色會被使用並以各 匕例恳合來製成全頻譜色彩。所用的三種顏色係為黃色 20 (Υ)、青梦名^ 减色(C)'及紫紅色(Μ)。有時一黑色(Κ)墨汁亦會被 — §该等色彩以不同比例來摻合在列印媒體上時，事 實t住何所需的顏色皆可被製成。此混合基本顏色來製成 八匕顏色的方法有時亦被稱為半色調法(half-toning)。類似 的原理亦可被用來經由快速成型法在一所製物體上印出全 12 1226009 頻譜色彩。 除 層 第2b圖示出在第2a圖中被製造的物體有_部份被截 而示出該物體内部依本發明的原理所形成之各著色# 在一第一例中，該待製物品係具有淡紫紅的外觀顏 色。此乃可藉半色調法來達成，即以一紫紅色和一透明或 白色著色劑來列印最外殼201，或僅在—白色基材之間隔位 置處來沈積紫紅色墨汁。 或者’該所需的淡兔紅外觀顏色亦可藉疊洽—紫紅色 1〇殼與—白色殼來達成。此係可藉將—均勻的紫紅色印入該 物體截面2〇〇的最外層殼，即殼0(201)而來完成。換言之， 僅有紫紅墨汁被用來著色或列印該最外殼2〇1，且該紫紅墨 汁最好係沈積在所有可能的列印位置。嗣，若欲製成更淡 的紫紅色，則第二層殼，即殼1(202)，會被製成1〇〇%的白 15 色。此乃可使用一透明黏劑來使構成該物體的白色粉末保 留未著色狀態而來簡單地達成。或其亦得以一白色墨汁來 列印。 結果該物體截面之一淡紫紅的外觀顏色即可被製成。 若需要較深的紫紅色，則殼1(202)亦可被以紫紅墨汁來列印 2〇 或著色。結果將會形成比該殼1(202)被留白或製成白色之狀 ’兄更深紫紅色的外觀顏色。 應請注意，製成二相同顏色之疊殼在功效上係等同於 單純地延伸第一殼，即如殼0(201)的寬度或深度。如上所 述’藉著改變該等殼層（如201〜204)的寬度或深度（如第3 13 1226009 圖中的W)，則將可達到外觀顏色的細調。此乃示於第3圖 中。 在一第二例中，所製物品的外觀顏色係為具有淡藍色 調的黑色。此係可藉以黑色墨汁來列印最外殼’即殼 5 0(201)，而來達成，即該殼〇(2〇1)為1〇〇%黑色。 殼1(202)，即最外殼的内一層，係用藍色墨汁來製成或 列印，即該殼1(202)為100%藍色。在所製成的物品中，該 截面200將會具有主要為黑色的外觀顏色。但是，該下層的 藍殼202將會稍微可見，而會形成所需的表面顏色，即具有 10 淺藍色調的黑色。 在上述各例中，僅有二最外層殼201，202被用來形成 一所需的外觀顏色。但是，任何數目的殼層201〜204皆可 被用來細調所需的外觀顏色。最好有五個殼層被用來細調 該外觀顏色的所需色彩。 15 例如，一深藍色可用以下組構來形成：殼0(201)為藍 色，殼1(202)為藍色，殼2(203)為藍色，殼3(204)為白色。 一較淡的藍色可用以下組構來形成··殼0(201)為藍色，殼 1(202)為藍色，殼2(203)為白色，殼3(204)為白色。又一更 淡的藍色可用如下組構來形成：殼0(201)為藍色，殼1(202) 2〇 為白色，殼2(2〇3)為白色，殼3(2〇4)為白色。 於本發明的另一態樣中，在列印頭（103,見第1圖）上之 一失誤喷嘴乃可藉在表面殼層上之一不同顏色的替代喷嘴 來補償，嗣藉調整該表面殼上包圍該失誤喷嘴附近之疊層 内殼的顏色而來彌補色彩變異。 14 1226009 在一典型的喷墨印表機中係列印在平面媒體上，例如 紙等，而當一墨滴未喷著在其預期位置時，即會產生一列 印瑕疵。該墨滴可能是漏失或只是移位。許多既有的解決 方式係加以隱藏或補償這些列印瑕疵。許多該等方式係利 5 用多次列印，即以該列印頭來通過列印區數次，而企圖將 一墨滴正確地定位於各所需位置。 此外，在彩色喷墨列印中，通常是以該列印頭的多次 通過來沈積不同顏色的墨滴。當該等不同顏色的墨滴組合 在列印媒體上時，將會形成全頻譜色彩。在列印媒體上之 10 任何特定點的顏色，乃取決於沈積在該點上之不同顏色的 墨汁比例。又，此技術有時亦稱為半色調法。 如上所述，典型會有三或更多種顏色被使用並混合來 形成一所需色彩。在該列印頭103中，當該列印頭在一指定 時間列印時，會有成群的喷嘴來對應該列印媒體上的每一 15 點。於此情況下，該列印媒體最好為一粉末床。帶該喷嘴 群中，各會有一喷嘴來對應於所使用的每一種不同墨汁顏 色。若任何該等喷嘴之一者“失誤”，即指其可能未喷出 一墨滴或方向錯誤而故障，則該列印頭將不能在該“失 誤”喷嘴所覆蓋的位置來沈積該墨汁顏色。 20 於本發明的原理下，一失誤喷嘴將可藉使用一不同的 喷嘴在該失誤喷嘴未能列印正確顏色之處沈積一不同的顏 色而來補償。嗣，在該未被正確列印之點底下及周圍的接 續殼層中，色彩將會被印出，而使該未正確列印之點轉變 成較接近於該點原所需的色彩。 15 1226009 該失誤噴嘴的替代操作對某些顏色而言會比對其它顏 色更為有效。且，其亦假設該列印頭會在後續殼層的行程 之間偏移或位移。故，一失誤喷嘴相對二相鄰殼層將會被 定位於不同的位置。 5 一類似的技術會被用來在二維多次列印中修正失誤的 喷嘴。而主要差異係在三維列印時，一實際材料層可能會 使一列印行程與其它行程分開。假使一材料層分開該等多 次列印行程，則其内層可能需要有額外的著色劑來在表面 上補償該失誤喷嘴。此添加的著色劑之量將取決於該構建 10 材料的視感衰減性而定。 例如，在該表面上需要一淡紫紅色圖案，則其可藉如 前所述，製成一 100%紫紅色的外殼及一内層的白殼而來達 成。惟若在該列印頭上有一紫紅色的噴嘴失誤，則能以一 透明喷嘴一即可喷發透明流體或白色墨汁者來替代，其係 15位在殻0(201)上原該失誤喷嘴應已噴上紫紅色的位置處。 嗣，在下一層设即设1(202)中，一不同的有效紫紅喷嘴。將 會被定位於該殼0(201)上未被正確列印紫紅色的位置處。此 不同的篡紅f嘴嗣會沈積紫紅墨汁於該殼1202上位於外 殻，即殼0(201)上未正碟列印之點的正下方之點處，且可能 20 及其周圍，來補償在殼〇上的漏失色彩。 在另-例中，若有-紅色應被沈積在表面上，而有一 紫紅色喷嘴失誤，則-黃色喷嘴將可替代該失誤的紫紅色 喷嘴。紫紅色將會在該黃色點底下來被使用在一或更多的 内殻中以作補償。 16 1226009 在本發明的又另一態樣中，著色瑕疵可藉將色彩散佈 多數殼層而來隨機地隱藏。例如，若一淡紫紅色應被沈積 在該表面上，則其能以如前所述的半色調圖案來產生，或 以分別具有均勻紫紅色和白色的疊合殼層來組成，此亦如 5 前所述。此外，該淡紫紅色亦能藉在殼0(201)上列印一半色 調圖案及在殼1(202)上列印一不同的半調圖案而來產生。 可變的殼著色法對造成色彩變化而不必使用低密度的 半色調圖案方式亦是一種可用的技術。故，其係為一種有 用的技術，而可造成外觀顏色並儘量減少半調色紋及喷嘴 10 瑕疵。又，當需要輕淡的外觀顏色時，可變的殼著色法最 為有效。因對淡外觀顏色而言，喷嘴瑕疵和半調色紋最為 顯著而可能會被注意和排斥。 以上描述僅為說明本發明。而非欲以如上所揭之任何 細節來統括或限制本發明。許多修正變化係可參照以上揭 15 露而來完成。 舉例而言，在本發明的上述揭露係以粉末式快速成型 系統來實施。但，本發明的原理亦可應用於不止粉末式快 速成型系統以外的許多系統。尤其是，有些快速成型系統 係使用喷墨頭來喷塗光聚合物。故，該等噴墨系統會喷出 20 100%用來造成該原型或所需製品的材料，而非僅是黏劑。 但，即使是如此系統亦會沈積該製品的材料以及色彩，該 物體的著色可用與上述粉末和黏劑系統完全相同的方式來 完成。事實上，該喷塗聚合物的快速成型系統時常使用非 常透明的構建材料，而數百層彩色殼可被用來達成一所需 25 的外觀顏色。 除了喷塗聚合物快速成型系統外，本發明的原理在當 17 1226009 透光聚合物被用來作為構建材料時，亦可被實施於一熔化 沈積快速成型系統中。 該較佳實施例係被選出來描述以最佳地說明本發明的 原理及其實務應用。上述說明係欲使專業人士能將本發明 5最佳地利用於各種實施例中，並使各種修正得能適合可能 的特殊用途。本發明的範圍係由以下申請專利範圍來界定。 【圖式簡單說明】 第1圖示出一快速成型系統，其係使用列印製法來形成 所需的產品。本發明之實施例可在第i圖所示的系統中來實 10 施。 第2a圖示出在一被製造物中之可能不同顏色的多層疊 殼，依據本發明的原理來達到一所需的外觀顏色。 第2b圖示第2a圖中的物體有部份被截除，而示出該物 體内部依本發明之原理所製成的彩色殼層。 第3圖為第2圖中之各疊殼的放大圖，乃用來表示該各 殼層可具有不同的寬度或深度。 【圖式之主要元件代表符號表】 100…快速成型系統 104…控制面板 102…製造腔室 200…物體截面 103···列印頭 201〜204…殼層 18

Claims (1)

1226009 拾、申請專利範圍： 1. 一種在一由快速成型法製成的物體上來造成所需外觀 顏色的方法，該方法包含： 改變由該物體的表面向内疊合之各接續層的顏色。 5 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該快速成型法包含 列印技術，而該方法更包括： 在該物體截面之一第一最外層列印一第一顏色；及 在該物體截面之一第二層列印一第二顏色，而該第 二層係在第一最外層的内側。 10 3·如申請專利範圍第2項之方法，其中該第一顏色和第二 顏色係為相同顏色。 4·如申請專利範圍第2項之方法，更包含： 在該物體截面之一第三層列印一第三顏色； 在該物體截面之一第四層列印一第四顏色；及 5 在該物體截面之一第五層列印一第五顏色。 5·如申請專利範圍第2項之方法，其中該第一和第二顏色 係為不同顏色，且其各係被使用二或更多種不同顏色的 墨汁以半色調法來印成。 6·如申請專利範圍第1項之方法，更包含改變該各 20 之一或多層的深度W。 7·如申請專利範圍第1項之方法，其中該快速成型系統係 為一噴塗聚合物系統或一熔化沈積快速成型系統。 8· ~種用來補償在一快速成型系統中之列印頭的失效噴 為之方法，該系統會用一列印程序來列印一所製物體之 19 1226009 各接續截面，而該方法包含： 在一構建材料上之該失效喷嘴原應沈積一墨滴的 一點處，喷發一第二有效喷嘴來沈積一墨滴，而其顏色 與上述失效喷嘴原應沈積的墨滴顏色不同； 5 移位該列印頭；及 在該所製物體表面内部更深之一點處，列印一顏色 於該點底下，其會補償前述被沈積而不同於該失效喷嘴 原應沈積顏色的墨滴。 9. 一種可由電子資料來製成一所需物體之快速成型系 10 統，包含： 一製造腔室可容裝一粉末材料床；及 一列印頭可在該製造腔室中來佈建各粉末連續 層，並選擇地喷射黏劑和不同顏色的墨汁於各粉末層 中； 15 其中該列印頭會改變由該物體在單一粉末層中的 表面往内疊合之各接續殼層的顏色，而來造成該物體所 需的外觀顏色。 10. —種可由電子資料來製成一所需物體之快速成型系 統，包含： 20 一製造腔室可容裝一粉末材料床；及 一列印頭可在該製造腔室中來佈建各粉末連續 層，並選擇地喷射黏劑和不同顏色的墨汁於各粉末層 中，該列印頭具有多數喷嘴可以喷出該等著色墨汁； 其中該列印頭會改變由該物體在單一粉末層中的 20 1226009 表面往内疊合之各接續殼層的顏色，而來造成該物體所 需的外觀顏色； 且該列印頭會在一粉末層上之一失效喷嘴原應沈 積一墨滴的一點處，來喷發一第二的有效喷嘴，而沈積 5 一顏色不同於該失效喷嘴原應沈積之顏色的墨滴；並 在該所製物體表面更深之一點處，列印一顏色於該 點底下，其會補償前述被沈積而不同於該失效喷嘴原應 沈積顏色的墨滴。 21