本發(fā)明涉及一種3D打印技術(shù)；特別設(shè)計(jì)一種全彩色3D打印裝置和全彩色3D打印方法。

背景技術(shù)：

熔融沉積制造又叫熔線沉積制造，是一種不使用激光器的加工方法。FDM工藝最初由美國(guó)學(xué)者Scott Crump博士于1988年率先研制成功。FDM成形系統(tǒng)主要包括：擠出頭、送線機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作臺(tái)面5個(gè)部分。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下作XY聯(lián)動(dòng)掃描，線材在噴頭中被加熱至略高于其熔點(diǎn)。噴頭在掃描運(yùn)動(dòng)中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個(gè)加工層并與上一層牢牢連接在一起。這樣層層掃描迭加便形成一個(gè)空間實(shí)體。

目前，市面上的FDM打印機(jī)打印出來的物體只有一種顏色，或者是幾種不同顏色材料的組合。要想獲得彩色的模型，大都是在打印完成后在模型表面上進(jìn)行上色。

還有一種方式是根據(jù)需要打印的顏色，利用預(yù)混器對(duì)紅、黃、藍(lán)三色樹脂進(jìn)行混合形成所需要的顏色，然后將混合后的樹脂進(jìn)行打印，最終獲得彩色的3D產(chǎn)品。但是，該方案存在以下問題：需要打印的產(chǎn)品每個(gè)像素點(diǎn)的顏色均可能不同，因此，整個(gè)打印過程需要不斷的變換顏色，而且單個(gè)像素點(diǎn)所需要的膠量非常小，采用預(yù)混合的方式打印難于實(shí)現(xiàn)在不同的顏色間進(jìn)行切換，而且難于保證前一次顏色的膠水在預(yù)混合器內(nèi)不會(huì)有殘留而影響后一次顏色的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開解決的主要問題：提供一種全彩色3D打印裝置和打印方法，用于實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)的彩色3D打印，尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、顏色多樣的3D模型。

一種全彩色3D打印裝置，其特征在于，包括彩色切片模塊、控制主板、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、線材擠出頭、工作平臺(tái)、彩色噴墨頭；

彩色切片模塊用于對(duì)彩色三維模型進(jìn)行切片處理，包括對(duì)三維模型的分層切片和模型彩色信息提取，生成彩色切片文件；

控制主板用于讀取彩色切片文件，自動(dòng)識(shí)別切片模型或彩色噴墨指令，并按設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行三維模型打印和彩色噴墨；

工作平臺(tái)用于放置打印出的三維模型，當(dāng)進(jìn)行三維成型時(shí)，工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到三維成型工作區(qū)域，當(dāng)進(jìn)行噴墨時(shí)，工作平臺(tái)將運(yùn)動(dòng)至彩色噴墨工作區(qū)域；

彩色噴墨頭可使用一體式噴墨頭，這種噴墨頭的噴嘴與墨盒集成在一起，另外也可使用墨盒外置的噴墨頭，這種噴墨頭可使用外置的墨盒進(jìn)行供墨。彩色噴墨頭可根據(jù)像素點(diǎn)顏色信息，將彩色墨水噴射在材料上表面。

優(yōu)選的，彩色切片模塊首先設(shè)置分層厚度，根據(jù)模型的三維尺寸進(jìn)行分層切片，得到各個(gè)不同高度位置的模型截面，并計(jì)算線材擠出頭的運(yùn)動(dòng)路徑；其次，根據(jù)各個(gè)不同高度位置的模型截面的輪廓，生成彩色圖形并將顏色分解，根據(jù)打印所使用的材料對(duì)墨水的滲透性和切片厚度信息，計(jì)算色彩飽和度，進(jìn)行彩色切片，得到彩色噴墨指令文件；擠出頭的運(yùn)動(dòng)路徑和彩色噴墨指令構(gòu)成彩色切片文件。

優(yōu)選的，彩色切片文件還包括對(duì)模型各層設(shè)置標(biāo)志信息，所述標(biāo)志信息包括每一層模型切片開始打印位置的標(biāo)志信息和每一層彩色噴墨指令開始位置加入的標(biāo)志信息。

優(yōu)選的，彩色切片模塊生成的彩色圖形是與切片模型相對(duì)應(yīng)的外表面輪廓，并且輪廓的線條具的最小寬度取值為h(1+cot|θ|)，其中h為分層厚度，θ為模型外表面法向量與水平面的夾角。

優(yōu)選的，彩色噴墨頭有不少于48個(gè)的獨(dú)立噴嘴，每個(gè)噴嘴噴出三種或三種以上不同的顏色。

優(yōu)選的，彩色噴墨頭在對(duì)每一層上色時(shí)，根據(jù)每層的成型數(shù)據(jù)中的顏色信息，控制不同的噴嘴噴射出不同顏色的墨水，噴出的小墨滴落于模型的同一點(diǎn)上形成所需要的復(fù)色。

優(yōu)選的，彩色噴墨頭的墨水采用CMYK印刷四色模式，所使用的墨水顏色分別是青色、品紅色、黃色和黑色；或彩色墨盒使用CMYK印刷六色模式，所使用的墨水顏色分別是青色、品紅色、黃色、黑色、暗青色和暗品紅色。

優(yōu)選的，全彩色3D打印裝置還包括墨水固化裝置，所述墨水固化裝置是紅外光源或紫外光源。

優(yōu)選的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含至少一個(gè)處理器以及存儲(chǔ)器，其可以被配置成安裝彩色切片模塊，處理器可根據(jù)彩色加工需要執(zhí)行相應(yīng)的功能以構(gòu)建彩色切片文件或指令，此外計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以連接PCI插槽或其它接口，用于連接諸如網(wǎng)卡、U盤、鍵盤、鼠標(biāo)等外部設(shè)備。

優(yōu)選的，切片后得到附帶彩色信息的彩色切片文件，該文件可以是GCODE格式或者是其它數(shù)控(NC)編程語言格式，GCODE格式的示例包括符合諸如RS-274-D、ISO 6983和DIN 66025之類的標(biāo)準(zhǔn)格式。

優(yōu)選的，控制主板至少包含一個(gè)處理器、用于儲(chǔ)存固件代碼的存儲(chǔ)器、用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的接口以及用于接收傳感器信息的I/O口。

優(yōu)選的，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)線材擠出頭、工作平臺(tái)以及彩色噴墨頭的運(yùn)動(dòng)，通過配合運(yùn)動(dòng)，完成彩色模型的打??；線材擠出頭用于加熱線材并擠出熔融材料，將材料打印在工作平臺(tái)上；工作平臺(tái)用于放置打印出的三維模型，當(dāng)進(jìn)行三維成型時(shí)，工作平臺(tái)將運(yùn)動(dòng)至三維成型工作區(qū)域，當(dāng)進(jìn)行噴墨時(shí)，工作平臺(tái)將運(yùn)動(dòng)至彩色噴墨工作區(qū)域；彩色噴墨頭根據(jù)顏色信息，將彩色墨水噴射在材料外表面。

優(yōu)選的，彩色墨水可以儲(chǔ)存在彩色噴墨頭中，也可以儲(chǔ)存在彩色墨盒中。

采用全彩色3D打印裝置用于彩色3D打印的方法，包括如下步驟：

A,在計(jì)算機(jī)上建立三維實(shí)體模型，并進(jìn)行色彩的添加；

B.在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中安裝彩色切片模塊，將彩色三維模型輸入彩色切片模塊中；

C.使用彩色切片模塊對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，得到彩色切片文件。首先設(shè)置分層厚度，根據(jù)模型三維尺寸，進(jìn)行分層切片，得到各個(gè)不同高度位置的模型截面，并計(jì)算線材擠出頭的運(yùn)動(dòng)路徑；接著根據(jù)各個(gè)不同高度位置的模型截面的輪廓，生成彩色圖形，并將顏色分解，得到彩色噴墨指令文件；擠出頭的運(yùn)動(dòng)路徑和彩色噴墨指令構(gòu)成彩色切片文件。

優(yōu)選的，模型僅在表面進(jìn)行著色，在進(jìn)行彩色切片時(shí)，模塊生成的彩色圖形是與切片模型相對(duì)應(yīng)的外表面輪廓，并且輪廓的線條具有一定的寬度，寬度的大小與模型的三維形態(tài)有關(guān)，使用模型表面外法線與水平面的夾角大小來表征，夾角越小，彩色圖形線條的寬度越大，反之亦然。

優(yōu)選的，根據(jù)所使用材料對(duì)于墨水的滲透特性以及切片的厚度，計(jì)算色彩的飽和度，進(jìn)行彩色切片，可以補(bǔ)償由于墨水滲透特性而導(dǎo)致成型后模型的色彩飽和度的不足。

D.將彩色切片文件輸入到彩色3D打印機(jī)，開始三維模型打印。數(shù)據(jù)傳輸方式包括以太網(wǎng)、無線WIFI網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)、USB電纜以及移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備(如U盤、TF卡、移動(dòng)硬盤)等，控制主板將自動(dòng)識(shí)別文件中的切片模型并按設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行三維模型打??；

E.打印一層之后，工作平臺(tái)將運(yùn)動(dòng)至彩色噴墨工作區(qū)域，控制主板識(shí)別和彩色噴墨指令并按設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行三維模型噴墨；

F.一層噴墨完成后，進(jìn)行墨水固化；可根據(jù)使用墨水的不同選擇不同的固化方式，墨水固化方式可以是自然固化，也可以采用固化裝置固化。固化裝置用于快速固化墨水，強(qiáng)化著色效果，根據(jù)所使用的墨水類型，選擇合適的固化裝置，若使用水性墨水，可使用紅外光源對(duì)墨水加熱，使其快速固化，若使用UV墨水，則使用紫外光源來加速墨水固化。

G.控制主板驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一層的打印和噴墨。

優(yōu)選的，所述打印一層的切片厚度為0.05-0.2mm。

優(yōu)選的，3D打印使用白色或透明色熱塑性材料，如PLA、ABS、尼龍等。

優(yōu)選的，為了優(yōu)化模型的著色效果，使用滲透性較好的材料，或者使用滲透劑對(duì)材料處理后再上色，墨水可以滲透入材料內(nèi)部，使模型不易褪色。

優(yōu)選的，可以選用透明材料，這種材料的色彩的呈現(xiàn)效果更佳。

本公開可以在計(jì)算機(jī)上建立三維實(shí)體模型，并進(jìn)行色彩的添加；彩色切片模塊對(duì)模型進(jìn)行切片處理，獲得帶有彩色信息的彩色切片文件；將該文件輸入彩色3D打印機(jī)，由打印機(jī)逐層打印，再在該層表面相應(yīng)區(qū)域添加色彩；然后進(jìn)行墨水固化；重復(fù)整個(gè)過程直至模型打印完成。采用這種逐層3D打印的方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的彩色打??；同時(shí)采用噴墨印刷模式上色，色域廣，可實(shí)現(xiàn)全彩色打?。淮送?，該裝置的彩色打印僅根據(jù)模型外輪廓形狀進(jìn)行選擇性噴墨，因此墨水的使用量少，效率高，成本低。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明實(shí)施例彩色3D打印裝置1。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例彩色3D打印裝置2。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例彩色三維模型。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例切片模型。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例彩色噴墨指令文件。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例彩色3D打印系統(tǒng)原理圖。

【具體實(shí)施方式】

本發(fā)明提供一種全彩色3D打印的裝置和方法，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的彩色3D打印，通過彩色切片模塊將彩色三維模型進(jìn)行切片處理，將彩色切片文件輸入到彩色3D打印機(jī)的控制主板，控制主板將自動(dòng)識(shí)別文件中的切片模型和彩色噴墨指令，驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)交替式的進(jìn)行3D打印和上色。按照這種成型和上色方式，通過層層疊加，完成整個(gè)模型的彩色打印。下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種彩色3D打印裝置主要包含：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100、處理器101、彩色切片模塊102、控制主板(未畫出)、工作平臺(tái)211、工作平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)212、線材擠出頭221、線材擠出頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)222、彩色噴墨頭231、噴墨頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)232、彩色墨盒(未畫出)。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100中包含一個(gè)處理器(即CPU)101、一個(gè)存儲(chǔ)器(未畫出)、USB接口(未畫出)、鍵盤及鼠標(biāo)(未畫出)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中安裝彩色切片模塊102，處理器101通過執(zhí)行彩色切片模塊102中的功能或指令完成彩色模型的切片。

將彩色模型輸入彩色切片模塊102中，軟件可根據(jù)分層厚度以及模型的三維尺寸，對(duì)模型進(jìn)行分層處理，獲得模型在各個(gè)高度處的截面，并完成擠出頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；接著，模塊102根據(jù)各個(gè)高度處的截面輪廓，提取模型的色彩信息，并根據(jù)所采用的噴墨印刷方式，對(duì)模型色彩進(jìn)行計(jì)算，并分解到顏色空間。處理后得到附帶彩色信息的彩色切片文件，該彩色切片文件包含了模型的各層數(shù)據(jù)，并且在分層的位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)志信息，在每一層模型切片的開始位置加入標(biāo)志信息Object num，在每一層彩色噴墨指令的開始位置加入標(biāo)志信息Color num，其中num表示層數(shù)，后續(xù)彩色3D打印機(jī)可以根據(jù)這些信息進(jìn)行交替式打印。

彩色3D打印機(jī)200由控制主板201、工作平臺(tái)211、工作平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)212、線材擠出頭221、線材擠出頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)222、彩色噴墨頭231、噴墨頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)232等組成。

控制主板201使用ARM作為CPU的STM32系列主板，可以通過USB電纜、SD卡等傳輸數(shù)據(jù)。配置電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、其它外部設(shè)備接口以及傳感器信息的I/O口?？刂浦靼?01讀取彩色切片文件，可以自動(dòng)識(shí)別彩色切片文件中的切片模型和彩色噴墨指令，并通過時(shí)序控制，交替進(jìn)行三維實(shí)體成型和彩色噴墨。

工作平臺(tái)211、線材擠出頭221和彩色噴墨頭231分別由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)212、222和232進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這些機(jī)構(gòu)采用線性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及同步帶傳動(dòng)，Z方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(未畫出)采用線性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和絲杠傳動(dòng)。線材擠出頭221與彩色噴墨頭231在X方向的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，而Z方向的運(yùn)動(dòng)是同步的。彩色噴墨頭231為一體式噴墨頭，墨盒與噴嘴集成在一起，采用CMYK印刷四色噴墨方式，使用普通水性墨水。彩色打印過程中，首先由線性擠出頭211配合工作平臺(tái)212之間的運(yùn)動(dòng)，完成一層實(shí)體模型的打印；然后線性擠出頭211停止出料，工作平臺(tái)212移動(dòng)至噴墨打印工作區(qū)間，并配合彩色噴墨頭231的運(yùn)動(dòng)，完成模型的噴墨打??；再接著停止彩色噴墨頭231運(yùn)動(dòng)和噴墨，線性擠出頭221和噴墨頭231上升一層高度(由Z方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng))，工作平臺(tái)211移動(dòng)至3D打印工作區(qū)間，再完成接下來一層的3D打印，最后完成整個(gè)彩色模型的打印。

實(shí)施例2

如圖2所示，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步裝入彩色墨水固化裝置240，該固化裝置240采用紅外光源，在完成每一層材料表面上色后進(jìn)行墨水固化，強(qiáng)化著色效果。

實(shí)施例3

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，加入狀態(tài)反饋機(jī)制，如圖6所示?？刂浦靼甯鶕?jù)狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)體打印與上色之間的切換，完成交替式3D打印和噴墨上色。

實(shí)施例4

本實(shí)施例基于實(shí)施例1的裝置，采用的彩色3D打印方法如下：

1、在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100中安裝彩色切片模塊102；

2、將彩色三維模型250輸入彩色切片模塊102中，彩色三維模型250如圖3所示，在彩色切片模塊102中將分層厚度設(shè)置為0.1mm，軟件將根據(jù)分層厚度的模型的三維尺寸進(jìn)行分層，獲得各個(gè)高度處的模型截面，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，獲得切片模型251；接著軟件根據(jù)分層厚度，截取彩色模型250在各個(gè)高度處的截面輪廓的色彩信息，并生成與截面輪廓相對(duì)應(yīng)的具有一定寬度的彩色線條圖形，軟件還將根據(jù)材料的滲透系數(shù)k，對(duì)飽和度進(jìn)行補(bǔ)償，并將色彩分解到CYMK顏色空間，得到一系列彩色噴墨指令252。分別如圖4、5所示，切片模型251用于三維成型，彩色噴墨指令252用于噴墨印刷，這兩個(gè)文件構(gòu)成彩色切片文件，文件格式為GCODE格式。

3、使用白色PLA材料進(jìn)行打印。

4、將彩色切片文件輸入彩色3D打印機(jī)200的控制主板201，控制主板201將自動(dòng)識(shí)別文件中的切片模型251和彩色噴墨指令文件252，控制主板201首先執(zhí)行切片模型251的第一層切片模型的指令，驅(qū)動(dòng)擠出頭在X、Y方向上的運(yùn)動(dòng)，并擠出熔融的線材進(jìn)行實(shí)體成型；完成一層模型的成型后，平臺(tái)移動(dòng)至噴墨打印區(qū)域，接著執(zhí)行彩色噴墨指令文件252第一層彩色噴墨指令，驅(qū)動(dòng)彩色噴墨頭對(duì)模型的上表面進(jìn)行噴墨，直到完成該層的上色，控制主板201再驅(qū)動(dòng)平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將平臺(tái)移動(dòng)至三維實(shí)體成型區(qū)域，進(jìn)行下一層實(shí)體成型。通過逐層三維成型和上色，最終完成整個(gè)模型250的彩色三維成型。

實(shí)施例5

基于實(shí)施例4，采用滲透性較好的熱塑性材料，使墨水可以更好的滲透入材料內(nèi)部，強(qiáng)化著色效果。