本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種用于全彩3D打印的染色裝置和全彩3D打印方法。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但是3D打印的色彩表現(xiàn)能力方面還有待進(jìn)一步的研究，尤其是全彩3D打印。

目前，對(duì)于FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積型 ）打印機(jī)的彩色打印方式主要是用不同打印頭對(duì)應(yīng)不同顏色的耗材進(jìn)行打印，受到成本的限制，打印頭的數(shù)量不會(huì)太多，主流為2個(gè)打印頭，這種打印方式只能打印輸出兩種或稍多種的顏色，色彩單調(diào)，若想色彩豐富些，則需要在打印過程中暫停打印，人工更換不同顏色的材料，但這種方式需要人工干預(yù)，無法準(zhǔn)確控制顏色的切換。另外，還可對(duì)打印膜材預(yù)先隨機(jī)分段染色，然后使用該分段染色的耗材打印彩色3D模型，但使用該耗材打印出的彩色模型因?yàn)楹牟碾S機(jī)染色，無法標(biāo)線特定彩色模型的色彩。

可見，現(xiàn)有FDM打印機(jī)的打印方式無法依據(jù)三維模型全彩打印輸出，目前雖然有一些基于聚合物噴射技術(shù)的彩色3D打印機(jī)和既有3DP技術(shù)的彩色3D打印機(jī)，但這兩種打印機(jī)造價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，同時(shí)耗材成本也高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N用于全彩3D打印的染色裝置和全彩3D打印方法，解決現(xiàn)有FDM打印機(jī)無法實(shí)現(xiàn)全彩打印的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

提出一種用于全彩3D打印的染色裝置，包括墨盒、供墨泵、墨管、染色滾筒、離合器、支架和控制電路；所述墨盒包括青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和黑色供墨區(qū)；所述墨管包括與所述青色供墨區(qū)連接的青色墨管、與所述品紅色供墨區(qū)連接的品紅色墨管、與所述黃色供墨區(qū)連接的黃色墨管和與所述黑色供墨區(qū)連接的黑色墨管；所述染色滾筒包括連接于所述青色墨管末端的青色染色滾筒、連接于所述品紅色墨管末端的品紅色染色滾筒、連接于所述黃色墨管末端的黃色染色滾筒和連接于所述黑色墨管末端的黑色染色滾筒；所述離合器包括與所述青色染色滾筒連接的第一離合器、與所述品紅色染色滾筒連接的第二離合器、與所述黃色染色滾筒連接的第三離合器和與所述黑色染色滾筒連接的第四離合器；所述支架，置于3D打印機(jī)的打印噴頭之前，用于承載3D打印機(jī)輸出的絲狀耗材；所述青色染色滾筒、所述品紅色染色滾筒、所述黃色染色滾筒和所述黑色染色滾筒分別從四個(gè)法向環(huán)繞所述支架承載的絲狀耗材固定；所述控制電路分別連接并控制所述第一離合器、所述第二離合器、所述第三離合器和所述第四離合器的運(yùn)動(dòng)；所述供墨泵連接所述墨盒，用于在所述控制電路控制所述第一離合器推動(dòng)所述青色染色滾筒、所述第二離合器推動(dòng)所述品紅色染色滾筒、所述第三離合器推動(dòng)所述黃色染色滾筒、和/或所述第四電機(jī)推動(dòng)所述黑色染色滾筒向絲狀耗材運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制所述供墨泵泵動(dòng)所述青色供墨區(qū)、所述品紅色供墨區(qū)、所述黃色供墨區(qū)和/或所述黑色供墨區(qū)中的墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色。

提出一種全彩3D打印機(jī)，所述全彩3D打印機(jī)包括送絲電機(jī)和打印噴頭，絲狀耗材在所述送絲電機(jī)的牽引下向所述打印噴頭供料，包括如權(quán)利要求1所述的用于全彩3D打印的染色裝置；所述用于全彩3D打印的染色裝置中的支架置于所述打印噴頭的前方，用于承載向所述打印噴頭送出的絲狀耗材，并在所述控制電路的控制下從所述青色供墨區(qū)、所述品紅色供墨區(qū)、所述黃色供墨區(qū)和/或所述黑色供墨區(qū)中泵出墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色。

提出一種全彩3D打印方法，應(yīng)用于用于全彩3D打印的染色裝置中，所述用于全彩3D打印的染色裝置，包括墨盒、供墨泵、墨管、染色滾筒、離合器、支架和控制電路；所述墨盒包括青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和黑色供墨區(qū)；所述墨管包括與所述青色供墨區(qū)連接的青色墨管、與所述品紅色供墨區(qū)連接的品紅色墨管、與所述黃色供墨區(qū)連接的黃色墨管和與所述黑色供墨區(qū)連接的黑色墨管；所述染色滾筒包括連接于所述青色墨管末端的青色染色滾筒、連接于所述品紅色墨管末端的品紅色染色滾筒、連接于所述黃色墨管末端的黃色染色滾筒和連接于所述黑色墨管末端的黑色染色滾筒；所述離合器包括與所述青色染色滾筒連接的第一離合器、與所述品紅色染色滾筒連接的第二離合器、與所述黃色染色滾筒連接的第三離合器和與所述黑色染色滾筒連接的第四離合器；所述支架，置于3D打印機(jī)的打印噴頭之前，用于承載3D打印機(jī)輸出的絲狀耗材；所述青色染色滾筒、所述品紅色染色滾筒、所述黃色染色滾筒和所述黑色染色滾筒分別從四個(gè)法向環(huán)繞所述支架承載的絲狀耗材固定；所述控制電路分別連接并控制所述第一離合器、所述第二離合器、所述第三離合器和所述第四離合器的運(yùn)動(dòng)；所述供墨泵連接所述墨盒，用于在所述控制電路控制所述第一離合器推動(dòng)所述青色染色滾筒、所述第二離合器推動(dòng)所述品紅色染色滾筒、所述第三離合器推動(dòng)所述黃色染色滾筒、和/或所述第四電機(jī)推動(dòng)所述黑色染色滾筒向絲狀耗材運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制所述供墨泵泵動(dòng)所述青色供墨區(qū)、所述品紅色供墨區(qū)、所述黃色供墨區(qū)和/或所述黑色供墨區(qū)中的墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色。包括：

步驟1：建立彩色三維模型；

步驟2：對(duì)彩色三維模型進(jìn)行切片處理，獲取RGB顏色信息；

步驟3：基于獲取的RGB顏色信息，確定打印路徑細(xì)分段的RGB顏色；

步驟4：將RGB顏色轉(zhuǎn)換為CMYK顏色；

步驟5：將當(dāng)前打印路徑細(xì)分段的CMYK顏色值發(fā)送至所述全彩3D打印的染色裝置的控制電路，使得所述控制電路基于所述CMYK顏色值控制所述第一離合器、所述第二離合器、所述第三離合器和/或所述第四離合器推動(dòng)所述青色染色滾筒、所述品紅色染色滾筒、所述黃色染色滾筒和/或所述黑色染色滾筒向所述絲狀耗材運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制所述供墨泵泵動(dòng)所述青色供墨區(qū)、所述品紅色供墨區(qū)、所述黃色供墨區(qū)和/或所述褐色供墨區(qū)的墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色；其中，所述供墨泵泵動(dòng)的墨水的供墨量是基于所述CMYK顏色值計(jì)算出的。

進(jìn)一步的，在步驟4之后所述方法還包括：顏色修正的步驟。

進(jìn)一步的，所述步驟1包括：通過貼圖對(duì)模型著色，或在模型表面對(duì)模型的三角面片頂點(diǎn)進(jìn)行著色；或，采用晶格單元或體素建模，對(duì)晶格單元或每個(gè)體素進(jìn)行著色；所述步驟2包括：在對(duì)彩色三維模型切片過程中，對(duì)每層切片附上從所述貼圖或所述三角面片頂點(diǎn)獲得的RGB顏色信息；或，對(duì)每層切片附上從對(duì)應(yīng)層的晶格單元或?qū)由厦總€(gè)體素上獲得的RGB顏色信息。

進(jìn)一步的，所述步驟3具體為：對(duì)打印路徑細(xì)分段的RGB顏色取均值，作為所述打印路徑細(xì)分段的RGB顏色值。

進(jìn)一步的，所述顏色修正采用ICC曲線進(jìn)行。

進(jìn)一步的，在步驟1之前，所述方法還包括：在墨盒中的墨水中增加促進(jìn)染色的助劑、對(duì)墨盒進(jìn)行加溫以提高墨水的染色溫度或提高墨水的濃度，以提高對(duì)絲狀耗材的吸墨性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本申請(qǐng)?zhí)岢龅挠糜谌?D打印的染色裝置和全彩3D打印方法中，基于采用青色、品紅色、黃色和黑色四種顏色為基色能通過不同配比實(shí)現(xiàn)全彩色的原理，采用染色裝置將絲狀耗材進(jìn)行染色后再用于打印3D模型，實(shí)現(xiàn)全彩3D打印。染色裝置的控制電路能夠控制第一離合器、第二離合器、第三離合器、第四離合器中的一個(gè)或者多個(gè)推動(dòng)相應(yīng)的染色滾筒向絲狀耗材運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制供墨泵泵動(dòng)相應(yīng)顏色的墨水經(jīng)墨管輸送至染色滾筒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色，經(jīng)過染色的絲狀耗材能夠打印出全彩3D模型。具體的，從彩色三維建模階段，對(duì)表面需要著色的模型，通過貼圖對(duì)模型進(jìn)行著色，或在模型表面直接對(duì)模型的三角面片頂點(diǎn)進(jìn)行著色，或?qū)?nèi)部也需要著色的模型，采用晶格單元或體素建模，對(duì)晶格單元或每個(gè)體素進(jìn)行著色；然后在切片過程中，對(duì)表面著色模型給每層切片附上從貼圖或三角面片頂點(diǎn)獲取的顏色星系，或?qū)w素建模的模型，對(duì)每層切片附上從對(duì)應(yīng)層的晶格單元或?qū)由厦總€(gè)體素獲取的顏色信息；獲取顏色信息之后，對(duì)打印路徑細(xì)分段的RGB顏色取均值作為該打印路徑細(xì)分段的顏色值，并將RGB顏色值轉(zhuǎn)換為CMYK顏色值，經(jīng)過顏色修正后，將當(dāng)前打印路徑細(xì)分段的CMYK顏色值發(fā)送至全彩3D打印的染色裝置的控制電路，使得控制電路基于CMYK顏色值控制第一離合器、第二離合器、第三離合器和/或第四離合器推動(dòng)青色染色滾筒、品紅色染色滾筒、黃色染色滾筒和/或黑色染色滾筒向絲狀耗材運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制供墨泵泵動(dòng)青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和/或褐色供墨區(qū)的墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色；其中，供墨泵泵動(dòng)的墨水的供墨量是基于CMYK顏色值計(jì)算出的。

這種將絲狀耗材染色后再打印3D模型實(shí)現(xiàn)全彩3D打印的方式，相比于昂貴的彩色3D打印機(jī)，采用本案的方式，只需增加該用于全彩3D打印的染色裝置和一個(gè)打印頭就能實(shí)現(xiàn)全彩色打印，以低成本實(shí)現(xiàn)了FDM打印機(jī)的全彩色3D打印，解決現(xiàn)有FDM打印機(jī)無法實(shí)現(xiàn)全彩打印的技術(shù)問題。且，該用于全彩3D打印的染色裝置作為獨(dú)立產(chǎn)品可以作為附件增加擴(kuò)展FDM打印機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)全彩打印。

結(jié)合附圖閱讀本申請(qǐng)實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本申請(qǐng)的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。

附圖說明

圖1 為本申請(qǐng)?zhí)岢龅挠糜谌?D打印的染色裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本申請(qǐng)?zhí)岢龅娜?D打印方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

本申請(qǐng)?zhí)岢龅挠糜谌?D打印的染色裝置和全彩3D打印方法中，基于采用青色（C）、品紅色（M）、黃色（Y）和黑色（K）四種顏色為基色，能通過不同配比實(shí)現(xiàn)全彩色的原理，采用染色裝置將FDM打印機(jī)用于打印的絲狀耗材進(jìn)行染色后再用于打印3D模型，實(shí)現(xiàn)全彩3D打印。

如圖1所示，本申請(qǐng)?zhí)岢龅挠糜谌?D打印的染色裝置，包括墨盒1、供墨泵（圖中未示出）、墨管、染色滾筒、離合器、支架6和控制電路（圖中未示出）。

墨盒1包括青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和黑色供墨區(qū)；墨管包括與青色供墨區(qū)連接的青色墨管31、與品紅色供墨區(qū)連接的品紅色墨管32、與黃色供墨區(qū)連接的黃色墨管33和與黑色供墨區(qū)連接的黑色墨管34；染色滾筒包括連接于青色墨管末端的青色染色滾筒41、連接于品紅色墨管末端的品紅色染色滾筒42、連接于黃色墨管末端的黃色染色滾筒43和連接于黑色墨管末端的黑色染色滾筒44；離合器包括與青色染色滾筒連接的第一離合器51、與品紅色染色滾筒連接的第二離合器52、與黃色染色滾筒連接的第三離合器53和與黑色染色滾筒連接的第四離合器54；支架6置于3D打印機(jī)的打印噴頭之前，用于承載3D打印機(jī)輸出的絲狀耗材7；青色染色滾筒41、品紅色染色滾筒42、黃色染色滾筒43和黑色染色滾筒44分別從四個(gè)法向環(huán)繞支架承載的絲狀耗材固定。

控制電路分別連接并控制第一離合器51、第二離合器52、第三離合器53和第四離合器54的運(yùn)動(dòng)；供墨泵2連接墨盒1，用于在控制電路控制第一離合器推動(dòng)青色染色滾筒、第二離合器推動(dòng)品紅色染色滾筒、第三離合器推動(dòng)黃色染色滾筒、和/或第四電機(jī)推動(dòng)黑色染色滾筒向絲狀耗材運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制供墨泵泵動(dòng)青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和/或黑色供墨區(qū)中的墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色。

該用于全彩3d 打印的染色裝置，在FDM打印機(jī)3D打印過程中，將白色的絲狀耗材根據(jù)數(shù)字化染色后再輸入給打印噴頭進(jìn)行打印，實(shí)現(xiàn)FDM技術(shù)3D打印機(jī)的全彩打印輸出。經(jīng)過染色的絲狀耗材進(jìn)入打印頭后，在打印頭加熱裝置的作用下熔融，進(jìn)一步使得染色的顏色充分混合，然后進(jìn)打印噴頭打印輸出。

基于提出的用于全彩3D打印的染色裝置，本申請(qǐng)還提出一種全彩3D打印機(jī)，包括有送絲電機(jī)和打印噴頭，絲狀耗材在送絲電機(jī)的牽引下向打印噴頭供料，還包括有上述提出的用于全彩3D打印的染色裝置；該用于全彩3D打印的染色裝置中的支架置于打印噴頭的前方，也即絲狀耗材的進(jìn)絲方向上，用于承載向打印噴頭送出的絲狀耗材，并在控制電路的控制下從青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和/或黑色供墨區(qū)中泵出墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色，染色后的絲狀耗材再進(jìn)入打印噴頭，經(jīng)過打印噴頭加熱裝置的加熱后進(jìn)一步使得染色的顏色充分混合，從而打印出全彩的3D模型產(chǎn)品。

如圖2所示，本申請(qǐng)還提出一種全彩3D打印方法，包括如下步驟：

步驟S11：建立彩色三維模型。

對(duì)于只需要對(duì)表面進(jìn)行著色的模型，例如大部分常見的模型，可以通過貼圖對(duì)模型著色，或者，在模型表面直接對(duì)模型的三角面片頂點(diǎn)進(jìn)行著色。

對(duì)于內(nèi)部也需要著色的模型，例如模擬手術(shù)用的人體器官模型，采用晶格單元或體素建模，對(duì)晶格單元或每天體素進(jìn)行著色。

步驟S12：對(duì)彩色三維模型進(jìn)行切片處理，獲取RGB顏色信息。

在切片過程中，給每層切片附上從貼圖或者三角面片頂點(diǎn)上獲取到的顏色信息；或者對(duì)體素建模的彩色模型，每層切片附上從對(duì)應(yīng)層的晶格單元或?qū)由厦總€(gè)體素的顏色信息。

步驟S13：基于獲取的RGB顏色信息，確定打印路徑細(xì)分段的RGB顏色。

對(duì)打印路徑細(xì)分段的RGB顏色取均值，作為該細(xì)分段的RGB顏色值。

步驟S14：將RGB顏色轉(zhuǎn)換為CMYK顏色。

步驟S15：顏色修正。

顏色修正的目的在于解決不同打印耗材產(chǎn)生的偏色問題，因?yàn)椴煌牧吓c不同的墨水會(huì)有不同的反應(yīng)，墨水在表面涂層的化學(xué)反應(yīng)是不同的，也就是說，墨水在達(dá)到這些涂層時(shí)的量的多少會(huì)有不同效果，需要在將RGB顏色轉(zhuǎn)換到CMYK顏色的時(shí)候做一個(gè)矯正，采用例如ICC（International color consortium，國(guó)際色彩協(xié)會(huì)）曲線來矯正顏色，不同的材料有不同的ICC曲線。

步驟S16：控制染色：將當(dāng)前打印路徑細(xì)分段的CMYK顏色值發(fā)送至全彩3D打印的染色裝置的控制電路，使得控制電路基于CMYK顏色值控制第一離合器、第二離合器、第三離合器和/或第四離合器推動(dòng)青色染色滾筒、品紅色染色滾筒、黃色染色滾筒和/或黑色染色滾筒向絲狀耗材運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制供墨泵泵動(dòng)青色供墨區(qū)、品紅色供墨區(qū)、黃色供墨區(qū)和/或褐色供墨區(qū)的墨水從相應(yīng)的墨管輸出至相應(yīng)的染色滾筒實(shí)現(xiàn)對(duì)絲狀耗材的染色；其中，供墨泵泵動(dòng)的墨水的供墨量是基于CMYK顏色值計(jì)算出的。

絲狀耗材在經(jīng)過染色后，進(jìn)入3D打印機(jī)的打印噴頭，在打印頭加熱裝置的作用下熔融，進(jìn)一步使得染色的顏色充分混合，然后由打印噴頭打印輸出。而為了提高對(duì)打印耗材的吸墨性，可以采取在墨盒中的墨水中增加促進(jìn)染色的助劑、對(duì)墨盒進(jìn)行加溫以提高墨水的染色溫度、提高墨水濃度等方式來實(shí)現(xiàn)。

上述提出的這種將絲狀耗材染色后再打印3D模型實(shí)現(xiàn)全彩3D打印的方式，相比于昂貴的彩色3D打印機(jī)，采用本案的方式，只需增加該用于全彩3D打印的染色裝置和一個(gè)打印頭就能實(shí)現(xiàn)全彩色打印，以低成本實(shí)現(xiàn)了FDM打印機(jī)的全彩色3D打印，解決現(xiàn)有FDM打印機(jī)無法實(shí)現(xiàn)全彩打印的技術(shù)問題。且，該用于全彩3D打印的染色裝置作為獨(dú)立產(chǎn)品可以作為附件增加擴(kuò)展FDM打印機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)全彩打印。

應(yīng)該指出的是，上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。