專利名稱：彩色三維物體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及采用打印方式快速制作彩色三維物體的成型方法，具體說是一種彩色三維物體的制作方法。
背景技術：
快速成型技術是從計算機三維實體到物理實體的一種快速制作工具，它適合制作原型件和小批量的功能件，制作的零件的材料可以是陶瓷材料、金屬材料、紙、光敏樹脂等材料?？焖俪尚图夹g比較常用的工藝有光固化工藝、選擇性激光燒結、熔絲沉積制作、疊層實體制作和三維打印等。
以上幾種工藝都能制作復雜的三維物體，但制作的三維實體都是單色的。如有的公司開發(fā)了能用于熔絲沉積制作的幾種不同顏色的成型材料，但也只能是每個三維物體是單色的，無法制作出彩色的三維物體。這樣對于產品的概念設計和外觀設計等方面，產品就缺乏了色彩表現(xiàn)力。
另外，目前的光固化工藝、選擇性激光燒結、熔絲沉積制作、疊層實體制作和三維打印等工藝制作的速度都較慢、制作的成本都較高，不利于產品開發(fā)成本的降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的技術缺陷，提供一種能夠快速、可靠、安全、低成本制作彩色三維物體的制作方法。
本發(fā)明是運用如下技術方案來實現(xiàn)彩色三維物體的制作的在制作三維物體的過程中，首先建立三維物體的計算機實體模型，對其進行切片分層，取出每層的成型信息；計算機控制打印噴頭按照第一層的成型信息做設定的打印運動，打印噴頭根據(jù)該層的色彩信息有選擇性地把彩色水溶性液體噴射到鋪平的粉末層上，該水溶性液體迅速與粉末進行反應，形成與第一層成型信息形狀一樣的、有一定強度的彩色層片，未被噴射的粉末作為下一層片的支撐；在第一層的上面再鋪設第二層粉末，并使其鋪平；計算機控制打印噴頭按照第二層的成型信息做設定的打印運動，打印噴頭根據(jù)該層的色彩信息有選擇性地把彩色水溶性液體噴射到鋪平的粉末層上，同樣，該水溶性液體迅速與粉末進行反應，形成與第二層成型信息形狀一樣的、有一定強度的彩色層片，并將第二層與第一層粘結成一個整體；依次按照每層的成型信息制作出每一層，同時粘結上一層，層層粘結疊加，最終制作出在計算機中設計的三維物體；去除多余的、未被粘結的粉末，取出制作的三維物體；制作出的三維物體經后處理工序后，即可成為具有一定功能的成型件。
應用本發(fā)明制作的三維物體是由粉末材料和水溶性液體材料進行反應而形成的一層層薄片，同時粘結疊加而成的。該類三維物體可作為產品的外觀設計用，也可作為產品的功能件用。
制作三維物體的粉末材料可以是以石膏為主要成分的粉末，也可以是以淀粉為主要成分的粉末，粉末的顆粒度為5～300μm；所述水溶性液體包括水、色料及其它助劑。根據(jù)制作三維物體的需要，可以在粉末中添加細纖維，以增強制作的三維物體的強度以及添加其它材料以改善制作的三維物體的性能。所述細纖維的長度為30～200μm。
打印噴頭在噴射水溶性液體時的滲透深度大于該層粉末的厚度，使得該層與前一層粘結。打印噴頭在噴射水溶性液體時的滲透深度以該層粉末厚度的105～180％為最佳。
所鋪設的每層粉末的厚度在0.02～0.5mm尤為最佳。
在水溶性液體中分別加入洋紅、青色、黃色三種顏料，制成四種具有不同顏色的水溶性液體，即不加入顏料的無色液體、加入洋紅色顏料的液體、加入青色顏料的液體、加入黃色顏料的液體；在加工每層時，根據(jù)每層的成型數(shù)據(jù)中含有的顏色信息，控制打印噴頭噴射不同顏色的液體，從而噴射出該層的彩色圖形。
也可在水溶性液體中分別加入洋紅、青色、黃色、紅色、藍色、綠色六種顏料，制成六種具有不同顏色的水溶性液體；在加工每層時，根據(jù)每層的成型數(shù)據(jù)中含有的顏色信息，控制打印噴頭噴射不同顏色的液體，從而噴射出該層的彩色圖形。
制作好的三維物體需要用除粉設備去除其表面及內部多余的、未被粘結的粉末。
制作的三維物體經過不同的滲透劑處理后，可具有不同的特性。如經過強度滲透劑處理后，可有較高的強度；經過彈性滲透劑處理后，可有較高的彈性；經過柔性滲透劑處理后，可有較好的柔性。
根據(jù)制作三維物體的需要，在后處理時可把其放入烘烤箱進行烘烤，以增強其強度；也可對其表面涂蠟，以增強表面的色澤感；也可對其表面打磨、噴漆，以獲得較高的表面質量。
本發(fā)明制作三維物體的速度大大高于普通的光固化工藝、熔絲沉積制作、疊層實體制作等快速成型工藝；本發(fā)明采用的石膏粉和淀粉成本也大大低于其他幾種快速成型工藝使用的成型材料。
因此，本發(fā)明可以快速、可靠、安全、低成本地制作形狀極其復雜的彩色三維物體；在制作單色的三維物體時，制作的速度更快，成本更低。
由于使用的成型材料(包括石膏粉末、淀粉粉末、水溶性液體、滲透劑等)均是無毒的，因此，也可以在辦公環(huán)境中使用本發(fā)明制作三維物體。


圖1所示的是制作彩色三維物體的成型流程。
圖2所示的是制作彩色三維物體的框架示意圖。
圖3為成型槽運動示意圖。
圖4為儲料槽運動示意圖。
以上的圖中包括儲料槽1，成型槽2，旋轉滑輥3，打印噴頭托架4，打印噴頭5，打印噴頭托架導軌6，打印噴頭清洗槽7，計算機8，回收槽9，成型槽導軌10，成型粉末11，推料板12，推料板13，噴頭控制電路14，噴頭X-Y位置控制電路15，儲料槽控制器16，成型槽控制器17，滑輥控制器18，儲料槽導軌19。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例1、彩色三維物體的制作方法，其步驟如下a.建立三維物體的計算機實體模型，對其進行切片分層，取出每層的成型信息；b.在水中分別加入洋紅、青色、黃色三種顏料，制成四種具有不同顏色的水溶性液體，即不加入顏料的無色液體、加入洋紅色顏料的液體、加入青色顏料的液體、加入黃色顏料的液體；計算機控制打印噴頭按照第一層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息要求有選擇性地把水溶性液體噴射到鋪平的石膏粉末層上，粉末的顆粒度為5μm，粉末的厚度在0.02mm，在噴射水溶性液體時的滲透深度為該層厚度的105％，水溶性液體迅速與粉末進行水化反應，形成與第一層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；未被噴射的粉末作為下一層片的支撐；c.在第一層的上面再鋪設相同的第二層石膏粉末層，并使其鋪平；d.計算機控制打印噴頭按照第二層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息要求有選擇性地把水溶性液體噴射到鋪平的粉末層上，噴射的水溶性液體及其滲透深度與第一層時相同，該水溶性液體迅速與粉末反應，形成與第二層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；同時，通過反應將第二層與第一層粘結成一個整體；e.依次按照每層的成型信息制作出每一層，同時與上一層粘結成一個整體，這樣，層層粘結疊加，最終制造出在計算機中設計的三維物體；f.去除多余的、未被粘結的粉末，取出制作的三維物體。
實施例2、與實施例1基本相同，所不同的是，水溶性液體為在水中分別加入洋紅、青色、黃色、紅色、藍色、綠色六種顏料，所制成的六種具有不同顏色的水溶性液體；采用淀粉粉末，粉末的顆粒度為100μm，在粉末中摻入長度為30μm的細纖維，每層粉末的厚度在0.1mm，在噴射水溶性液體時的滲透深度為該層厚度的140％。
實施例3、與實施例2基本相同所不同的是，粉末的顆粒度為300μm，在粉末中摻入長度為60μm的細纖維，每層粉末的厚度在0.5mm，在噴射水溶性液體時的滲透深度為該層厚度的180％。
實施例4、與實施例3基本相同所不同的是，在粉末中摻入長度為200μm的細纖維。
上述實施例均采用如下所述的設備和過程完成圖1所示的是制作彩色三維物體的成型流程。在計算機8中建立三維物體的計算機三維實體模型，對其進行切片分層，得到一系列的二維切片，取出每層的成型信息；計算機8根據(jù)每一層的成型信息分別控制各機構做協(xié)調運動。具體而言，制作開始時，計算機8通過儲料槽控制器16控制儲料槽導軌19，使得儲料槽1中的推料板12上升一段距離，推出一部分成型粉末11；同時，計算機8通過成型槽控制器17控制成型槽導軌10，使得成型槽2中的推料板13下降一段距離；接著計算機8通過滑輥控制器18控制旋轉滑輥3把推料板12上升一段距離而推出的成型粉末11鋪在成型槽2的上方，在鋪粉末11的時候，旋轉滑輥3做逆時針運動把粉末11鋪平；之后，計算機8通過噴頭X-Y位置控制電路15控制噴頭托架4做X-Y平面運動；與此同時，計算機8通過噴頭控制電路14控制打印噴頭5做噴射動作，打印出該層圖形；如此反復，一層層的打印并粘結，從而快速制作出三維物體。
圖2所示的是制作彩色三維物體的裝置結構框架示意圖。應用本發(fā)明制作彩色三維物體的成型裝置(除計算機外)的結構包括儲料槽1、成型槽2、回收槽9、旋轉滑輥3、打印噴頭托架4、打印噴頭5、打印噴頭托架導軌6、打印噴頭清洗槽7、成型槽導軌10、推料板12、推料板13、噴頭控制電路14、噴頭X-Y位置控制電路15、儲料槽控制器16、成型槽控制器17、滑輥控制器18、儲料槽導軌19等。旋轉滑輥3和打印噴頭托架4沿著X方向做雙向直線運動；打印噴頭在X-Y平面內沿著打印噴頭托架導軌6、打印噴頭托架4做平面運動；推料板12、13做垂直方向的上下運動；旋轉滑輥3做旋轉運動。旋轉滑輥3在把粉末11在成型槽2上方鋪平時，多余的粉末被推入回收槽9中，待累積到一定量時，把回收槽9中的粉末再倒入儲料槽1中。每打印一段時間，打印噴頭5在打印噴頭托架4的帶動下，在打印噴頭清洗槽7中進行清洗，以確保噴頭不被堵塞。
圖3是成型槽運動示意圖。每層加工前，成型槽導軌10在成型槽控制器17的驅動下，帶動推料板13向下移動一段距離，成型的三維物體放置在推料板13上，待旋轉滑輥3把新的粉末鋪平后，已成型的部分被完全掩在粉末中，未被粘結的粉末起著支撐作用。
圖4是儲料槽運動示意圖。每層加工前，旋轉滑輥3運動到儲料槽1的左邊，之后成型槽導軌19在儲料槽控制器16的驅動下，帶動推料板12向上移動一段距離，旋轉滑輥3把新的粉末在成型槽2上方鋪平。
權利要求
1.一種彩色三維物體的制作方法，其步驟如下a.建立三維物體的計算機實體模型，對其進行切片分層，取出每層的成型信息；b.計算機控制打印噴頭按照第一層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息有選擇性地把水溶性液體噴射到鋪平的粉末層上，該水溶性液體迅速與粉末進行水化反應，形成與第一層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；未被噴射的粉末作為下一層片的支撐；c.在第一層的上面再鋪設第二層粉末，并使其鋪平；d.計算機控制打印噴頭按照第二層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息有選擇性地把水溶性液體噴射到鋪平的粉末層上，該水溶性液體迅速與粉末反應，形成與第二層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；同時，通過反應將第二層與第一層粘結成一個整體；e.依次按照每層的成型信息制作出每一層，同時與上一層粘結成一個整體，這樣，層層粘結疊加，最終制造出在計算機中設計的三維物體；f.去除多余的、未被粘結的粉末，取出制作的三維物體。
2.根據(jù)權利要求1所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于所述粉末是石膏粉或淀粉，粉末的顆粒度為5～300μm；所述水溶性液體包括水、色料。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于打印噴頭在噴射水溶性液體時的滲透深度大于該層的厚度。
4.根據(jù)權利要求3所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于打印噴頭在噴射水溶性液體時的滲透深度為鋪設的粉末層厚度的105～180％。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于所鋪設的每層粉末的厚度在0.02～0.5mm。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于在水中分別加入洋紅、青色、黃色三種顏料，制成四種具有不同顏色的水溶性液體，即不加入顏料的無色液體、加入洋紅色顏料的液體、加入青色顏料的液體、加入黃色顏料的液體；在加工每層時，根據(jù)每層的成型數(shù)據(jù)中含有的顏色信息，控制打印噴頭噴射不同顏色的液體，從而噴射出該層的彩色圖形。
7.權利要求1或2所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于在水溶性液體中分別加入洋紅、青色、黃色、紅色、藍色、綠色六種顏料，制成六種具有不同顏色的水溶性液體；在加工每層時，根據(jù)每層的成型數(shù)據(jù)中含有的顏色信息，控制打印噴頭噴射不同顏色的液體，從而噴射出該層的彩色圖形。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于在粉末中摻入細纖維。
9.根據(jù)權利要求8所述的彩色三維物體的制作方法，其特征在于所述細纖維的長度為30～200μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種彩色三維物體的制作方法。首先建立三維物體的計算機實體模型，對其進行切片分層，取出每層的成型信息；計算機控制打印噴頭把彩色水溶性液體噴射到鋪平的粉末層上，形成彩色層片；在第一層的上面再鋪設第二層粉末；計算機控制打印噴頭把彩色水溶性液體噴射到粉末層上，形成第二層彩色層片，并將第二層與第一層粘結成一個整體；依次按照每層的成型信息制作出每一層，同時粘結上一層，層層粘結疊加，最終制作出在計算機中設計的三維物體。本發(fā)明可以快速、可靠、安全、低成本地制作形狀復雜的彩色三維物體。由于使用的成型材料(包括石膏粉末、淀粉粉末、水溶性液體等)均是無毒的，因此可以在辦公環(huán)境中使用本發(fā)明制作三維物體。
文檔編號B44C3/04GK1810492SQ20051012315
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權日2005年12月19日
發(fā)明者岳東, 楊繼全 申請人:南京師范大學