[0001] 本发明涉及一种 3D打印技术； 特别设计一种全彩色 3D打印装置和全彩色 3D打 印方法。

背景技术

[0002] 熔融沉积制造又叫熔线沉积制造， 是一种不使用激光器的加工方法。 FDM工艺 最初由美国学者 Scott Cmmp博士于 1988年率先研制成功。 FDM成形系统主要包 括： 挤出头、 送线机构、 运动机构、 加热工作室、 工作台面 5个部分。 喷头在计 算机控制下作 XY联动扫描， 线材在喷头中被加热至略高于其熔点。 喷头在扫描 运动中喷出熔融的材料， 快速冷却形成一个加工层并与上一层牢牢连接 在一起 。 这样层层扫描迭加便形成一个空间实体。

[0003] 目前， 市面上的 FDM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。 要想获得彩色的模型， 大都是在打印完成后在模型表面上进行 上色。

[0004] 还有一种方式是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。 技术问题

[0005] 本公幵解决的主要问题： 提供一种全彩色 3D打印装置和打印方法， 用于实现更 高品质的彩色 3D打印， 尤其适用于结构复杂、 颜色多样的 3D模型。

问题的解决方案

技术解决方案

[0006] 一种全彩色 3D打印装置， 包括彩色切片模块、 控制主板、 运动机构、 线材挤出 头、 工作平台、 彩色喷墨头；

[0007] 彩色切片模块用于对彩色三维模型进行切片处 理， 包括对三维模型的分层切片 和模型彩色信息提取， 生成彩色切片文件；

[0008] 控制主板用于读取彩色切片文件， 自动识别切片模型或彩色喷墨指令， 并按设 定的程序驱动运动机构， 进行三维模型打印和彩色喷墨；

[0009] 工作平台用于放置打印出的三维模型， 当进行三维成型吋， 工作平台运动到三 维成型工作区域， 当进行喷墨吋， 工作平台将运动至彩色喷墨工作区域；

[0010] 彩色喷墨头可使用一体式喷墨头， 这种喷墨头的喷嘴与墨盒集成在一起， 另外 也可使用墨盒外置的喷墨头， 这种喷墨头可使用外置的墨盒进行供墨。 彩色喷 墨头可根据像素点颜色信息， 将彩色墨水喷射在材料上表面。

[0011] 优选的， 彩色切片模块首先设置分层厚度， 根据模型的三维尺寸进行分层切片

， 得到各个不同高度位置的模型截面， 并计算线材挤出头的运动路径； 其次， 根据各个不同高度位置的模型截面的轮廓， 生成彩色图形并将颜色分解， 根据 打印所使用的材料对墨水的渗透性和切片厚度 信息， 计算色彩饱和度， 进行彩 色切片， 得到彩色喷墨指令文件； 挤出头的运动路径和彩色喷墨指令构成彩色 切片文件。

[0012] 优选的， 彩色切片文件还包括对模型各层设置标志信息 ， 所述标志信息包括每 一层模型切片幵始打印位置的标志信息和每一 层彩色喷墨指令幵始位置加入的 标志信息。

[0013] 优选的， 彩色切片模块生成的彩色图形是与切片模型相 对应的外表面轮廓， 并 且轮廓的线条具的最小宽度取值为 h(i _+co tiei)， 其中 h为分层厚度， Θ为模型外表 面法向量与水平面的夹角。

[0014] 优选的， 彩色喷墨头有不少于 48个的独立喷嘴， 每个喷嘴喷出三种或三种以上 不同的颜色。

[0015] 优选的， 彩色喷墨头在对每一层上色吋， 根据每层的成型数据中的颜色信息， 控制不同的喷嘴喷射出不同颜色的墨水， 喷出的小墨滴落于模型的同一点上形 成所需要的复色。

[0016] 优选的， 彩色喷墨头的墨水采用 CMYK印刷四色模式， 所使用的墨水颜色分别 是青色、 品红色、 黄色和黑色； 或彩色墨盒使用 CMYK印刷六色模式， 所使用 的墨水颜色分别是青色、 品红色、 黄色、 黑色、 暗青色和暗品红色。

[0017] 优选的， 全彩色 3D打印装置还包括墨水固化装置， 所述墨水固化装置是红外光 源或紫外光源。

[0018] 优选的， 计算机系统包含至少一个处理器以及存储器， 其可以被配置成安装彩 色切片模块， 处理器可根据彩色加工需要执行相应的功能以 构建彩色切片文件 或指令， 此外计算机系统可以连接 PCI插槽或其它接口， 用于连接诸如网卡、 U 盘、 键盘、 鼠标等外部设备。

[0019] 优选的， 切片后得到附带彩色信息的彩色切片文件， 该文件可以是 GCODE格 式或者是其它数控 （NC) 编程语言格式， GCODE格式的示例包括符合诸如 RS-2 74-D、 ISO 6983和 DIN 66025之类的标准格式。

[0020] 优选的， 控制主板至少包含一个处理器、 用于储存固件代码的存储器、 用于驱 动执行机构运动的接口以及用于接收传感器信 息的 I/O口。

[0021] 优选的， 运动机构用于驱动线材挤出头、 工作平台以及彩色喷墨头的运动， 通 过配合运动， 完成彩色模型的打印； 线材挤出头用于加热线材并挤出熔融材料 ， 将材料打印在工作平台上； 工作平台用于放置打印出的三维模型， 当进行三 维成型吋， 工作平台将运动至三维成型工作区域， 当进行喷墨吋， 工作平台将 运动至彩色喷墨工作区域； 彩色喷墨头根据颜色信息， 将彩色墨水喷射在材料 外表面。

[0022] 优选的， 彩色墨水可以储存在彩色喷墨头中， 也可以储存在彩色墨盒中。

[0023] 采用全彩色 3D打印装置用于彩色 3D打印的方法， 包括如下步骤：

[0024] A.在计算机上建立三维实体模型， 并进行色彩的添加；

[0025] B.在计算机系统中安装彩色切片模块， 将彩色三维模型输入彩色切片模块中； [0026] C.使用彩色切片模块对三维模型进行切片处理� �� 得到彩色切片文件。 首先设置 分层厚度， 根据模型三维尺寸， 进行分层切片， 得到各个不同高度位置的模型 截面， 并计算线材挤出头的运动路径； 接着根据各个不同高度位置的模型截面 的轮廓， 生成彩色图形， 并将颜色分解， 得到彩色喷墨指令文件； 挤出头的运 动路径和彩色喷墨指令构成彩色切片文件。 [0027] 优选的， 模型仅在表面进行着色， 在进行彩色切片吋， 模块生成的彩色图形是 与切片模型相对应的外表面轮廓， 并且轮廓的线条具有一定的宽度， 宽度的大 小与模型的三维形态有关， 使用模型表面外法线与水平面的夹角大小来表 征， 夹角越小， 彩色图形线条的宽度越大， 反之亦然。

[0028] 优选的， 根据所使用材料对于墨水的渗透特性以及切片 的厚度， 计算色彩的饱 和度， 进行彩色切片， 可以补偿由于墨水渗透特性而导致成型后模型 的色彩饱 和度的不足。

[0029] D.将彩色切片文件输入到彩色 3D打印机， 幵始三维模型打印。 数据传输方式包 括以太网、 无线 WIFI网络、 蜂窝网、 USB电缆以及移动存储设备 （如 U盘、 TF 卡、 移动硬盘） 等， 控制主板将自动识别文件中的切片模型并按设 定的程序驱 动运动机构， 进行三维模型打印；

[0030] E.打印一层之后， 工作平台将运动至彩色喷墨工作区域， 控制主板识别和彩色 喷墨指令并按设定的程序驱动运动机构， 进行三维模型喷墨；

[0031] F.—层喷墨完成后， 进行墨水固化； 可根据使用墨水的不同选择不同的固化方 式， 墨水固化方式可以是自然固化， 也可以采用固化装置固化。 固化装置用于 快速固化墨水， 强化着色效果， 根据所使用的墨水类型， 选择合适的固化装置 ， 若使用水性墨水， 可使用红外光源对墨水加热， 使其快速固化， 若使用 UV墨 水， 则使用紫外光源来加速墨水固化。

[0032] G.控制主板驱动运动机构进行下一层的打印和� ��墨。

[0033] 优选的， 所述打印一层的切片厚度为 0.05-0.2mm。

[0034] 优选的， 3D打印使用白色或透明色热塑性材料， 如 PLA、 ABS、 尼龙等。

[0035] 优选的， 为了优化模型的着色效果， 使用渗透性较好的材料， 或者使用渗透剂 对材料处理后再上色， 墨水可以渗透入材料内部， 使模型不易褪色。

发明的有益效果

有益效果

[0036] 本公幵可以在计算机上建立三维实体模型， 并进行色彩的添加； 彩色切片模块 对模型进行切片处理， 获得带有彩色信息的彩色切片文件； 将该文件输入彩色 3 D打印机， 由打印机逐层打印， 再在该层表面相应区域添加色彩； 然后进行墨水 固化； 重复整个过程直至模型打印完成。 采用这种逐层 3D打印的方法可以实现 复杂三维结构的彩色打印； 同吋采用喷墨印刷模式上色， 色域广， 可实现全彩 色打印； 此外， 该装置的彩色打印仅根据模型外轮廓形状进行 选择性喷墨， 因 此墨水的使用量少， 效率高， 成本低。

对附图的简要说明

附图说明

[0037] 图 1是本发明实施例彩色 3D打印装置 1。

[0038] 图 2是本发明实施例彩色 3D打印装置 2。

[0039] 图 3是本发明实施例彩色三维模型。

[0040] 图 4是本发明实施例切片模型。

[0041] 图 5是本发明实施例彩色喷墨指令文件。

[0042] 图 6是本发明实施例彩色 3D打印系统原理图。

本发明的实施方式

[0043] 本发明提供一种全彩色 3D打印的装置和方法， 实现高品质的彩色 3D打印， 通 过彩色切片模块将彩色三维模型进行切片处理 ， 将彩色切片文件输入到彩色 3D 打印机的控制主板， 控制主板将自动识别文件中的切片模型和彩色 喷墨指令， 驱动 3D打印机交替式的进行 3D打印和上色。 按照这种成型和上色方式， 通过层 层叠加， 完成整个模型的彩色打印。 下面结合实施例和说明书附图对本发明做 进一步说明， 但不限于此。

[0044] 实施例 1

[0045] 如图 1所示， 一种彩色 3D打印装置主要包含： 计算机系统 100、 处理器 101、 彩 色切片模块 102、 控制主板 （未画出） 、 工作平台 211、 工作平台传动机构 212、 线材挤出头 221、 线材挤出头传动机构 222、 彩色喷墨头 231、 喷墨头传动机构 23 2、 彩色墨盒 （未画出） 。

[0046] 在计算机系统 100中包含一个处理器 （即 CPU) 101、 一个存储器 （未画出） 、

USB接口 （未画出） 、 键盘及鼠标 （未画出） ， 在计算机系统中安装彩色切片模 块 102， 处理器 101通过执行彩色切片模块 102中的功能或指令完成彩色模型的切 片。

[0047] 将彩色模型输入彩色切片模块 102中， 软件可根据分层厚度以及模型的三维尺 寸， 对模型进行分层处理， 获得模型在各个高度处的截面， 并完成挤出头的运 动规划； 接着， 模块 102根据各个高度处的截面轮廓， 提取模型的色彩信息， 并 根据所采用的喷墨印刷方式， 对模型色彩进行计算， 并分解到颜色空间。 处理 后得到附带彩色信息的彩色切片文件， 该彩色切片文件包含了模型的各层数据 ， 并且在分层的位置设置一个标志信息， 在每一层模型切片的幵始位置加入标 志信息 Object num, 在每一层彩色喷墨指令的幵始位置加入标志信 息 Color num ， 其中 _num 表示层数， 后续彩色 3D打印机可以根据这些信息进行交替式打印。

[0048] 彩色 3D打印机 200由控制主板 201、 工作平台 211、 工作平台传动机构 212、 线材 挤出头 221、 线材挤出头传动机构 222、 彩色喷墨头 231、 喷墨头传动机构 232等 组成。

[0049] 控制主板 201使用 ARM作为 CPU的 STM32系列主板， 可以通过 USB电缆、 SD卡 等传输数据。 配置电机驱动接口、 其它外部设备接口以及传感器信息的 I/O口。 控制主板 201读取彩色切片文件， 可以自动识别彩色切片文件中的切片模型和彩 色喷墨指令， 并通过吋序控制， 交替进行三维实体成型和彩色喷墨。

[0050] 工作平台 211、 线材挤出头 221和彩色喷墨头 231分别由传动机构 212、 222和 232 进行驱动， 这些机构采用线性导向机构以及同步带传动， Z方向传动机构 （未画 出） 采用线性导向机构和丝杠传动。 线材挤出头 221与彩色喷墨头 231在 X方向的 运动是相互独立的， 而 Z方向的运动是同步的。 彩色喷墨头 231为一体式喷墨头 ， 墨盒与喷嘴集成在一起， 采用 CMYK印刷四色喷墨方式， 使用普通水性墨水 。 彩色打印过程中， 首先由线性挤出头 211配合工作平台 212之间的运动， 完成 一层实体模型的打印； 然后线性挤出头 211停止出料， 工作平台 212移动至喷墨 打印工作区间， 并配合彩色喷墨头 231的运动， 完成模型的喷墨打印； 再接着停 止彩色喷墨头 231运动和喷墨， 线性挤出头 221和喷墨头 231上升一层高度 （由 Z 方向传动机构驱动） ， 工作平台 211移动至 3D打印工作区间， 再完成接下来一层 的 3D打印， 最后完成整个彩色模型的打印。

[0051] 实施例 2 [0052] 如图 2所示， 在实施例 1的基础上， 进一步装入彩色墨水固化装置 240， 该固化 装置 240采用红外光源， 在完成每一层材料表面上色后进行墨水固化， 强化着色 效果。

[0053] 实施例 3

[0054] 在实施例 1的基础上， 加入状态反馈机制， 如图 6所示。 控制主板根据状态信息 进行实体打印与上色之间的切换， 完成交替式 3D打印和喷墨上色。

[0055] 实施例 4

[0056] 本实施例基于实施例 1的装置， 采用的彩色 3D打印方法如下：

[0057] 1、 在计算机系统 100中安装彩色切片模块 102;

[0058] 2、 将彩色三维模型 250输入彩色切片模块 102中， 彩色三维模型 250如图 3所示 ， 在彩色切片模块 102中将分层厚度设置为 0.1mm， 软件将根据分层厚度的模型 的三维尺寸进行分层， 获得各个高度处的模型截面， 并进行运动规划， 获得切 片模型 251 ; 接着软件根据分层厚度， 截取彩色模型 250在各个高度处的截面轮 廓的色彩信息， 并生成与截面轮廓相对应的具有一定宽度的彩 色线条图形， 软 件还将根据材料的渗透系数 k， 对饱和度进行补偿， 并将色彩分解到 CYMK颜色 空间， 得到一系列彩色喷墨指令 252。 分别如图 4、 5所示， 切片模型 251用于三 维成型， 彩色喷墨指令 252用于喷墨印刷， 这两个文件构成彩色切片文件， 文件 格式为 GCODE格式。

[0059] 3、 使用白色 PLA材料进行打印。

[0060] 4、 将彩色切片文件输入彩色 3D打印机 200的控制主板 201， 控制主板 201将自动 识别文件中的切片模型 251和彩色喷墨指令文件 252， 控制主板 201首先执行切片 模型 251的第一层切片模型的指令， 驱动挤出头在 X、 Y方向上的运动， 并挤出熔 融的线材进行实体成型； 完成一层模型的成型后， 平台移动至喷墨打印区域， 接着执行彩色喷墨指令文件 252第一层彩色喷墨指令， 驱动彩色喷墨头对模型的 上表面进行喷墨， 直到完成该层的上色， 控制主板 201再驱动平台传动机构将平 台移动至三维实体成型区域， 进行下一层实体成型。 通过逐层三维成型和上色 ， 最终完成整个模型 250的彩色三维成型。

[0061] 实施例 5 基于实施例 4, 采用渗透性较好的热塑性材料， 使墨水可以更好的渗透入材料 内部， 强化着色效果。