本發(fā)明涉及一種3D打印技術；特別設計一種全彩色3D打印裝置和全彩色3D打印方法。

背景技術：

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工藝最初由美國學者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、送線機構、運動機構、加熱工作室、工作臺面5個部分。噴頭在計算機控制下作XY聯(lián)動掃描，線材在噴頭中被加熱至略高于其熔點。噴頭在掃描運動中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個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空間實體。

目前，市面上的FDM打印機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行上色。

還有一種方式是根據(jù)需要打印的顏色，利用預混器對紅、黃、藍三色樹脂進行混合形成所需要的顏色，然后將混合后的樹脂進行打印，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)品每個像素點的顏色均可能不同，因此，整個打印過程需要不斷的變換顏色，而且單個像素點所需要的膠量非常小，采用預混合的方式打印難于實現(xiàn)在不同的顏色間進行切換，而且難于保證前一次顏色的膠水在預混合器內(nèi)不會有殘留而影響后一次顏色的效果。

技術實現(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，用于實現(xiàn)更高品質的彩色3D打印，尤其適用于結構復雜、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、運動機構、線材擠出頭、工作平臺、彩色噴墨頭；

彩色切片模塊用于對彩色三維模型進行切片處理，包括對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，自動識別切片模型或彩色噴墨指令，并按設定的程序驅動運動機構，進行三維模型打印和彩色噴墨；

工作平臺用于放置打印出的三維模型，當進行三維成型時，工作平臺運動到三維成型工作區(qū)域，當進行噴墨時，工作平臺將運動至彩色噴墨工作區(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行供墨。彩色噴墨頭可根據(jù)像素點顏色信息，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置分層厚度，根據(jù)模型的三維尺寸進行分層切片，得到各個不同高度位置的模型截面，并計算線材擠出頭的運動路徑；其次，根據(jù)各個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墨水的滲透性和切片厚度信息，計算色彩飽和度，進行彩色切片，得到彩色噴墨指令文件；擠出頭的運動路徑和彩色噴墨指令構成彩色切片文件。

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

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應的外表面輪廓，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個的獨立噴嘴，每個噴嘴噴出三種或三種以上不同的顏色。

優(yōu)選的，彩色噴墨頭在對每一層上色時，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上形成所需要的復色。

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，計算機系統(tǒng)包含至少一個處理器以及存儲器，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)行相應的功能以構建彩色切片文件或指令，此外計算機系統(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、鼠標等外部設備。

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之類的標準格式。

優(yōu)選的，控制主板至少包含一個處理器、用于儲存固件代碼的存儲器、用于驅動執(zhí)行機構運動的接口以及用于接收傳感器信息的I/O口。

優(yōu)選的，運動機構用于驅動線材擠出頭、工作平臺以及彩色噴墨頭的運動，通過配合運動，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上；工作平臺用于放置打印出的三維模型，當進行三維成型時，工作平臺將運動至三維成型工作區(qū)域，當進行噴墨時，工作平臺將運動至彩色噴墨工作區(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，彩色墨水可以儲存在彩色噴墨頭中，也可以儲存在彩色墨盒中。

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,在計算機上建立三維實體模型，并進行色彩的添加；

B.在計算機系統(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三維模型進行切片處理，得到彩色切片文件。首先設置分層厚度，根據(jù)模型三維尺寸，進行分層切片，得到各個不同高度位置的模型截面，并計算線材擠出頭的運動路徑；接著根據(jù)各個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；擠出頭的運動路徑和彩色噴墨指令構成彩色切片文件。

優(yōu)選的，模型僅在表面進行著色，在進行彩色切片時，模塊生成的彩色圖形是與切片模型相對應的外表面輪廓，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，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)所使用材料對于墨水的滲透特性以及切片的厚度，計算色彩的飽和度，進行彩色切片，可以補償由于墨水滲透特性而導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，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、蜂窩網(wǎng)、USB電纜以及移動存儲設備(如U盤、TF卡、移動硬盤)等，控制主板將自動識別文件中的切片模型并按設定的程序驅動運動機構，進行三維模型打??；

E.打印一層之后，工作平臺將運動至彩色噴墨工作區(qū)域，控制主板識別和彩色噴墨指令并按設定的程序驅動運動機構，進行三維模型噴墨；

F.一層噴墨完成后，進行墨水固化；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.控制主板驅動運動機構進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。

本公開可以在計算機上建立三維實體模型，并進行色彩的添加；彩色切片模塊對模型進行切片處理，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，由打印機逐層打印，再在該層表面相應區(qū)域添加色彩；然后進行墨水固化；重復整個過程直至模型打印完成。采用這種逐層3D打印的方法可以實現(xiàn)復雜三維結構的彩色打??；同時采用噴墨印刷模式上色，色域廣，可實現(xiàn)全彩色打??；此外，該裝置的彩色打印僅根據(jù)模型外輪廓形狀進行選擇性噴墨，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)明實施例彩色3D打印裝置1。

圖2是本發(fā)明實施例彩色3D打印裝置2。

圖3是本發(fā)明實施例彩色三維模型。

圖4是本發(fā)明實施例切片模型。

圖5是本發(fā)明實施例彩色噴墨指令文件。

圖6是本發(fā)明實施例彩色3D打印系統(tǒng)原理圖。

【具體實施方式】

本發(fā)明提供一種全彩色3D打印的裝置和方法，實現(xiàn)高品質的彩色3D打印，通過彩色切片模塊將彩色三維模型進行切片處理，將彩色切片文件輸入到彩色3D打印機的控制主板，控制主板將自動識別文件中的切片模型和彩色噴墨指令，驅動3D打印機交替式的進行3D打印和上色。按照這種成型和上色方式，通過層層疊加，完成整個模型的彩色打印。下面結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。

實施例1

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

在計算機系統(tǒng)100中包含一個處理器(即CPU)101、一個存儲器(未畫出)、USB接口(未畫出)、鍵盤及鼠標(未畫出)，在計算機系統(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，對模型進行分層處理，獲得模型在各個高度處的截面，并完成擠出頭的運動規(guī)劃；接著，模塊102根據(jù)各個高度處的截面輪廓，提取模型的色彩信息，并根據(jù)所采用的噴墨印刷方式，對模型色彩進行計算，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置一個標志信息，在每一層模型切片的開始位置加入標志信息Object num，在每一層彩色噴墨指令的開始位置加入標志信息Color num，其中num表示層數(shù)，后續(xù)彩色3D打印機可以根據(jù)這些信息進行交替式打印。

彩色3D打印機200由控制主板201、工作平臺211、工作平臺傳動機構212、線材擠出頭221、線材擠出頭傳動機構222、彩色噴墨頭231、噴墨頭傳動機構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)。配置電機驅動接口、其它外部設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，可以自動識別彩色切片文件中的切片模型和彩色噴墨指令，并通過時序控制，交替進行三維實體成型和彩色噴墨。

工作平臺211、線材擠出頭221和彩色噴墨頭231分別由傳動機構212、222和232進行驅動，這些機構采用線性導向機構以及同步帶傳動，Z方向傳動機構(未畫出)采用線性導向機構和絲杠傳動。線材擠出頭221與彩色噴墨頭231在X方向的運動是相互獨立的，而Z方向的運動是同步的。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212之間的運動，完成一層實體模型的打??；然后線性擠出頭211停止出料，工作平臺212移動至噴墨打印工作區(qū)間，并配合彩色噴墨頭231的運動，完成模型的噴墨打?。辉俳又Ｖ共噬珖娔^231運動和噴墨，線性擠出頭221和噴墨頭231上升一層高度(由Z方向傳動機構驅動)，工作平臺211移動至3D打印工作區(qū)間，再完成接下來一層的3D打印，最后完成整個彩色模型的打印。

實施例2

如圖2所示，在實施例1的基礎上，進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行墨水固化，強化著色效果。

實施例3

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

實施例4

本實施例基于實施例1的裝置，采用的彩色3D打印方法如下：

1、在計算機系統(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中將分層厚度設置為0.1mm，軟件將根據(jù)分層厚度的模型的三維尺寸進行分層，獲得各個高度處的模型截面，并進行運動規(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在各個高度處的截面輪廓的色彩信息，并生成與截面輪廓相對應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，對飽和度進行補償，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，這兩個文件構成彩色切片文件，文件格式為GCODE格式。

3、使用白色PLA材料進行打印。

4、將彩色切片文件輸入彩色3D打印機200的控制主板201，控制主板201將自動識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，驅動擠出頭在X、Y方向上的運動，并擠出熔融的線材進行實體成型；完成一層模型的成型后，平臺移動至噴墨打印區(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，驅動彩色噴墨頭對模型的上表面進行噴墨，直到完成該層的上色，控制主板201再驅動平臺傳動機構將平臺移動至三維實體成型區(qū)域，進行下一層實體成型。通過逐層三維成型和上色，最終完成整個模型250的彩色三維成型。

實施例5

基于實施例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，強化著色效果。