CN104275799A - 一种彩色3d打印装置和打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种彩色3D打印装置及打印方法，包括熔丝堆叠式3D打印***其特征在于：还包括上色***；上色***包括喷色头、颜料固化单元、喷色头定位驱动单元、颜色控制单元和多个颜料供应单元；所述喷色头包括多个喷口，喷口与颜料供应单元一一对应地相连；喷色头定位驱动单元用于驱动喷色头沿层结构的外观面移动；颜色控制单元用于接收各层层结构的外观面颜色数据，并根据外观面颜色数据控制颜料供应单元，以控制每个喷口的在层结构的外观面的各个像素点的颜料喷涂量；喷色头用于通过多个喷口颜料喷涂于层结构的外观面；颜料固化单元用于固化所述颜料。本发明具有上色效果好，产品一致性高的优点，另外可以产品表面形成一定厚度的硬化层。

Description

一种彩色3D打印装置和打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术，尤其是涉及一种彩色3D打印装置和打印方法。
背景技术
现在市面上的3D打印机打印出来的物体只有一种颜色，或者是几种不同颜色材料的组合，打印完成后再通过后期的表面涂色处理实现最终要的物体，大部分采用手工上色的做法，在批量生产时表面的上色处理会存在不一致的问题。
公开号为CN103434135A中国发明专利申请《一种彩色3D打印机及其制备三维制品的方法》公开了一种彩色3D打印机，根据需要打印的颜色，利用预混器对红、黄、蓝三色树脂进行混合形成所需要的颜色，然后将混合后的树脂进行打印，最终获得彩色的3D产品。但是，该方案存在以下问题：需要打印的产品每个像素点的颜色均可能不同，因此，整个打印过程需要不断的变换颜色，而且单个像素点所需要的胶量非常小，采用预混合的方式打印难于实现在不同的颜色间进行切换，而且难于保证前一次颜色的胶水在预混合器内不会有残留而影响后一次颜色的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种彩色3D打印装置和打印方法，用于实现更高质量的3D打印。
本发明的技术问题通过下述手段予以解决：
一种彩色3D打印装置，包括熔丝堆叠式3D打印***，用于逐层打印以形成3D产品；
还包括上色***，所述上色***用于在所述熔丝堆叠式3D打印***每打印完一层层结构后，对所述层结构的外观面进行上色；
所述上色***包括喷色头、颜料固化单元、喷色头定位驱动单元、颜色控制单元和多个颜料供应单元；
所述喷色头包括与所述颜料供应单元数量相同的多个喷口，所述喷口与所述颜料供应单元一一对应地相连；
所述喷色头定位驱动单元用于驱动所述喷色头沿所述层结构的外观面进行移动；
所述颜色控制单元用于接收各层所述层结构的外观面颜色数据，并根据所述外观面颜色数据控制所述颜料供应单元，以控制每个所述喷口的在所述层结构的外观面的各个像素点的颜料喷涂量；
所述喷色头用于通过所述多个喷口将来自所述多个颜料供应单元的颜料喷涂于所述层结构的外观面；
所述颜料固化单元用于固化喷涂于所述层结构的外观面上的颜料。
与现有技术相比，本发明的彩色3D打印装置，通过熔丝堆叠成型产品的层结构，然后根据层结构的外观颜色数据，对每层层结构进行色彩涂料喷涂、固化从而最终形成产品完整的彩色外观。相对于现有技术采用打印完成后进行手工上色的技术，上色质量具有更好的一致性；而且由于是逐层上色，不会出现无法上色的死角；上色采用多喷口喷头，每次喷涂可形成一个像素点，无需对颜料进行预混合，因此，也存在预混合所存在的前一次喷色颜料残留影响后一次喷色效果的问题，能够准确实现色彩喷涂。
优选地：所述喷色头包括三个喷头，所述上色***包括三个颜料供应单元；或者所述喷色头包括四个喷头，所述上色***包括四个颜料供应单元，其中一个颜料供应单元用于供应黑色颜料。三喷头的方案可通过喷涂红、黄、蓝三种颜色的颜料形成全彩喷涂，而四喷头的方案可在三喷头的基础上增加黑色涂料，用于黑色部分的喷涂。
优选地：所述喷口的口径为25μm-35μm。喷口间的距离优选小于0.07mm。
优选地：所述颜色控制单元包括颜色分析模块和颜料供应单元控制模块，所述颜色分析模块用于接收所述层结构的外观面颜色数据，并对所述外观面颜色数据进行解析以获得形成该外观面颜色数据所对应的各个像素点所需要的颜料喷涂量数据；所述颜料供应单元控制模块用于根据所述各个像素点所需要的颜料喷涂量数据对各个所述颜料供应单元的开关阀进行控制。
优选地：所述熔丝堆叠式3D打印***包括Z轴方向移动的工作台及其驱动单元、X轴和Y轴方向移动的熔丝打印头及其驱动单元和用于向所述熔丝打印头供应丝料的丝盘。
优选地：所述喷色头与所述熔丝打印头固定连接；所述上色***以所述熔丝打印头的驱动单元作为所述喷色头定位驱动单元。本优选方案通过对打印头驱动单元的复用，能够降低结构的复杂程度，降低成本。
优选地：所述熔丝堆叠式3D打印***所采用的丝料中具有微孔结构以使喷涂于所述层结构的外观面上的颜料能够部分地渗入所述层结构内。本优选方案采用具有微孔结构的丝料，从而使得颜料能够部分渗透至层结构的内部，使得产品的颜色具有非常好的抗刮擦性能。
一种彩色3D打印方法，用于逐层打印3D产品的各个层结构以形成3D产品，包括以下步骤：
S1、读取当前层结构的层结构模型数据和外观面颜色数据；
S2、根据所述层结构模型数据进行熔丝打印形成当前的层结构；
S3、根据所述外观面颜色数据，获取当前层结构的外观面上各个像素点所需要的各个颜料的喷涂量，并将对应喷涂量的各个颜料喷涂于各个所述像素点；
S4、对所述层结构的外观面上喷涂的颜料进行固化；
S5、重复步骤S1-S3至打印完成。
优选地：所述步骤S2中熔丝打印所采用的丝料为具有微孔结构的丝料。
优选地：所述步骤S3中所采用的所述颜料为UV油墨。
与现有技术相比，本发明的方法采用的逐层上色方案，同样具有上色质量好，产品一致性的优点。优选方案采用微孔结构的丝料能够形成与层结构材料相互渗透的颜色层，能有效防止刮擦掉色；优选方案采用UV油墨，可借助高硬度的UV油墨形成具有提高产品硬度的颜色层，尤其是在于微孔结构丝料配合的情况下，能够够大幅提高产品的硬度。
附图说明
图1是本发明的彩色3D打印装置的上色***的结构示意图；
图2是本发明的三喷口喷色头的喷口结构示意图；
图3是本发明的四喷口喷色头的喷口结构示意图；
图4是本发明具体实施例1的彩色3D打印装置的结构示意图；
图5是本发明具体实施例2的彩色3D打印装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
一种彩色3D打印装置，包括熔丝堆叠式3D打印***和上色***。
熔丝堆叠式3D打印***，用于逐层打印产品的各层层结构，从而最终形成需要打印的3D产品。熔丝堆叠，又叫熔融沉积快速成型(FDM)或熔丝沉积，其是将丝状热熔性材料(后文称丝料)加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出，沉积在打印工作台面板或者前一层已固化的材料上形成3D产品的一层层结构，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。优选的方案中，熔丝堆叠式3D打印***包括Z轴方向移动的工作台及其驱动单元、X轴和Y轴方向移动的熔丝打印头及其驱动单元和用于向所述熔丝打印头供应丝料的丝盘。
本实施例在熔丝堆叠式3D打印***的基础上，增加了上色***，用于在所述熔丝堆叠式3D打印***每打印完一层层结构后，对所述层结构的外观面进行上色。
如图1所示，本实施例的上色***100包括：喷色头110、颜料固化单元120、喷色头定位驱动单元130、颜色控制单元140和多个颜料供应单元150。
喷色头110包括与颜料供应单元150数量相同的多个喷口111，喷口111与颜料供应单元150一一对应地相连，每个喷口111分别用于喷涂一个颜料供应单元150供应的颜料，每个颜料供应单元150用于向一个喷口111输送颜料；为了实现各种颜色，喷口111和颜料供应单元150可分别包含三个或四个，如果采用四个，则其中一个用于喷涂黑色颜料，另外三个分别用于喷涂红色、绿色和蓝色颜料，而采用三个时，则分别用于喷涂红色、绿色和蓝色颜料。图2所示为采用三喷口的喷色头的优选方案的结构示意图，三个喷口111两两外切排列成三角状，图3所示为采用四喷口的喷色头的优选方案的结构示意图，四个喷口111排列成四边形状，相邻的喷口相外切。为实现较好的上色效果，所述喷口的口径优选小于35μm，典型口径可采用25-35μm，喷口间距更优选小于0.07mm。
喷色头定位驱动单元130用于驱动喷色头110沿层结构001的外观面进行移动，从而定位喷色头110对层结构001的各个外观面进行喷色。本发明所说的外观面是指3D产品能够被看到的位置，一般而言是每层层结构的外周位置。喷色头定位驱动单元130可独立于打印头的驱动单元，但优选部分或全部复用打印头的驱动单元。
颜色控制单元140用于接收各层所述层结构的外观面颜色数据，并根据所述外观面颜色数据控制所述颜料供应单元，以控制每个所述喷口的在所述层结构的外观面的各个像素点的颜料喷涂量。优选的方案中，颜色控制单元140包括颜色分析模块和颜料供应单元控制模块，所述颜色分析模块用于接收所述层结构的外观面颜色数据，并对所述外观面颜色数据进行解析以获得形成该外观面颜色数据所对应的各个像素点所需要的颜料喷涂量数据；所述颜料供应单元控制模块用于根据所述各个像素点所需要的颜料喷涂量数据对各个所述颜料供应单元的开关阀进行控制。通过对外观面颜色数据的分析，可以提取出外观面每个像素点的颜色，然后根据该颜色分析得到获得喷涂该颜色需要的颜料种类和喷涂量，颜料单元供应单元控制模块根据分析结果在对各个像素点进行喷涂时，控制各个颜料的开关阀进而控制各个颜料的喷涂量。
所述颜料固化单元120用于固化喷涂于所述层结构的外观面上的颜料。颜料固化单元120可根据颜料的种类进行选择，例如：如果所用的颜料为UV光固漆，则可选择紫外灯作为颜料固化单元120；而如果所用的颜料为热固油墨，则可采用加热装置作为颜料固化单元，例如红外灯。
本实施例还提供前述彩色3D打印装置的打印方法，用于逐层打印3D产品的各个层结构以形成3D产品，其包括以下步骤：
S1、读取当前层结构的层结构模型数据和外观面颜色数据；层结构模型数据用于供熔丝3D打印***，逐层打印层结构。
S2、根据所述层结构模型数据进行熔丝打印形成当前的层结构。本步骤中熔丝打印所采用的丝料优选为具有微孔结构的丝料，该微孔结构可以但不限于通过向丝料的基体材料中加入具有微孔结构的其他材料而产生，例如：在ABS基材中参入石膏粉材料。
S3、根据所述外观面颜色数据，获取当前层结构的外观面上各个像素点所需要的各个颜料的喷涂量，并将对应喷涂量的各个颜料喷涂于各个所述像素点。本步骤中所采用的所述颜料为优选为UV油墨。
S4、对所述层结构的外观面上喷涂的颜料进行固化；
S5、重复步骤S1-S3至打印完成。
为进一步对本发明的方案进行阐述，以下结合更加优选的具体实施例进行说明：
实施例1
如图4所示，本实施例的彩色3D打印机，包括机架300、熔丝堆叠是3D打印***和上色***。
熔丝堆叠3D打印***包括Z向移动的工作台及其驱动单元、X轴和Y轴方向移动的熔丝打印头及其驱动单元、
Z向移动的工作台及其驱动单元包括加热工作台210、Z向移动的平台211、和Z向伺服电机212，加热工作台210安装在Z向移动的平台211上，Z向伺服电机212通过Z向传动单元213与Z向移动平台传动，用于驱动Z向移动的平台211沿机架上下移动。
X轴和Y轴方向移动的熔丝打印头及其驱动单元，其包括熔丝打印头220、X轴导向柱221、X向伺服电机222、Y轴导向柱223、Y向伺服电机224、X轴传动单元225和Y轴传动单元226，X轴导向柱221和Y轴导向柱223位于加热工作台210的上方，熔丝打印头220可滑动的安装在X轴导向柱221上、X轴导向柱221可滑动的安装在Y轴导向柱223上；X向伺服电机222通过X轴传动单元225与熔丝打印头220连接以通过X轴传动单元225驱动熔丝打印头220沿X轴导向柱移动；Y向伺服电机224通过Y轴传动单元226与X轴导向柱221连接以通过Y轴传动单元226驱动X轴导向柱221沿Y轴导向柱223移动，从而使得熔丝打印头220能够在X轴和Y轴方向上移动进行熔丝打印。
丝盘230用于向熔丝打印头220供应打印丝料。
本实施例的上色***采用图1所示实施例中的上色***，其具体说明可参考前文描述。如图4所示，本实施例的上色***的喷色头110通过一连接块113与打印头220连接在一起，喷色头110和打印头220均通过连接块113可滑动的安装在X轴导向柱221上。通过这样的设置，喷色头110可全部复用打印头220的驱动单元，在打印头220打印完成一层层结构后，利用打印头的驱动单元驱动连接块113移动以利用喷色头进行上色即可。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的区别仅在于喷色头定位驱动单元，本实施例的喷色头定位驱动单元与打印头220的驱动单元仅仅共用Y轴导向柱223，喷色头定位驱动单元采用独立于打印头220的驱动单元的X轴导向柱、X轴传动单元和Y轴传动单元，为免赘述，下文主要针对与实施例1的不同之处进行描述，与实施例1相同的结构部分可参见实施例1的描述。如图5所示，附图标记221、225、226分别为打印头的驱动单元的X轴导向柱、X轴传动单元和Y轴传动单元，而附图标记131、135、136分别为喷色头定位驱动单元的X轴导向柱、X轴传动单元和Y轴传动单元，喷色头X向伺服电机132通过X轴传动单元135与喷色头传动，喷色头Y向伺服电机134通过Y轴传动单元与X轴导向柱传动，从而通过两个喷色头的X向伺服电机138和Y向伺服电机139实现喷色头110在X、Y轴方向上的移动。
本实施例与实施例1相比，工作时能够使喷色头与打印头分开，有单独的驱动单元驱动，从而能够减少打印头高温对喷色头的影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种彩色3D打印装置，包括熔丝堆叠式3D打印***，用于逐层打印以形成3D产品，其特征在于：
还包括上色***，所述上色***用于在所述熔丝堆叠式3D打印***每打印完一层层结构后，对所述层结构的外观面进行上色；
所述上色***包括喷色头、颜料固化单元、喷色头定位驱动单元、颜色控制单元和多个颜料供应单元；
所述喷色头包括与所述颜料供应单元数量相同的多个喷口，所述喷口与所述颜料供应单元一一对应地相连；
所述喷色头定位驱动单元用于驱动所述喷色头沿所述层结构的外观面进行移动；
所述颜色控制单元用于接收各层所述层结构的外观面颜色数据，并根据所述外观面颜色数据控制所述颜料供应单元，以控制每个所述喷口的在所述层结构的外观面的各个像素点的颜料喷涂量；
所述喷色头用于通过所述多个喷口将来自所述多个颜料供应单元的颜料喷涂于所述层结构的外观面；
所述颜料固化单元用于固化喷涂于所述层结构的外观面上的颜料。
2.根据权利要求1所述的彩色3D打印装置，其特征在于：所述喷色头包括三个喷头，所述上色***包括三个颜料供应单元；或者
所述喷色头包括四个喷头，所述上色***包括四个颜料供应单元，其中一个颜料供应单元用于供应黑色颜料。
3.根据权利要求1所述的彩色3D打印装置，其特征在于：所述喷口的口径为25μm-35μm。
4.根据权利要求1所述的彩色3D打印装置，其特征在于：所述颜色控制单元包括颜色分析模块和颜料供应单元控制模块，所述颜色分析模块用于接收所述层结构的外观面颜色数据，并对所述外观面颜色数据进行解析以获得形成该外观面颜色数据所对应的各个像素点所需要的颜料喷涂量数据；所述颜料供应单元控制模块用于根据所述各个像素点所需要的颜料喷涂量数据对各个所述颜料供应单元的开关阀进行控制。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的彩色3D打印装置，其特征在于：所述熔丝堆叠式3D打印***包括Z轴方向移动的工作台及其驱动单元、X轴和Y轴方向移动的熔丝打印头及其驱动单元和用于向所述熔丝打印头供应丝料的丝盘。
6.根据权利要求5所述的彩色3D打印装置，其特征在于：所述喷色头与所述熔丝打印头固定连接；所述上色***以所述熔丝打印头的驱动单元作为所述喷色头定位驱动单元。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的彩色3D打印装置，其特征在于：所述熔丝堆叠式3D打印***所采用的原材料中具有微孔结构，以使喷涂于所述层结构的外观面上的颜料能够部分地渗入所述层结构内。
8.一种彩色3D打印方法，用于逐层打印3D产品的各个层结构以形成3D产品，其特征在于，包括以下步骤：
S1、读取当前层结构的层结构模型数据和外观面颜色数据；
S2、根据所述层结构模型数据进行熔丝打印形成当前的层结构；
S3、根据所述外观面颜色数据，获取当前层结构的外观面上各个像素点所需要的各个颜料的喷涂量，并将对应喷涂量的各个颜料喷涂于各个所述像素点；
S4、对所述层结构的外观面上喷涂的颜料进行固化；
S5、重复步骤S1-S3至打印完成。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中熔丝打印所采用的丝料为具有微孔结构的丝料。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中所采用的所述颜料为UV油墨。
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