具有支撑材料成型功能的三维打印机及其成型方法与流程

本发明涉及一种三维打印机，具体涉及一种具有支撑材料成型功能的三维打印机及其成型方法。

背景技术：

三维打印，也称增材制造或者积层造型，是利用数字模型加工出物理对象的过程，在加工过程中，通过逐层填加材料而建造打印对象。

三维快速成型的方法主要包括的类型为：立体平板印刷或光固化（Stereolithography,SLA)、分层实体制造（Laminated object manufacturing, LOM)、选择性激光熔化（Selective laser Melting, SLM)、熔融沉积成型（Fused deposition modeling, FDM)。

目前，市面上FDM 类型的三维（3D）打印最为常见，这种类型的三维打印机的生产成本较低，且打印的操作较为便利，初学者容易掌握。其主要原理是将线状丝材如PLA （聚乳酸）等通过高温喷嘴熔融，然后利用后续线材的连续挤压，将熔融状的材料通过喷嘴出口挤出，然后熔融状材料层层堆积产生三维物体，例如在申请号为CN201410827191.9、CN201510054483.8 和CN201510313735.4 的中国发明专利申请文件中记载了FDM 类型的三维打印机及其工作原理。

然而，现有的三维打印机在打印悬空物体时存在很多问题，甚至无法打印悬空物体。例如，如图1所示，是现有的一种具有悬空部的三维物体，该三维物体包括主体部10和悬空部11，悬空部11由于下底面没有其它支撑，受限于重力因素，在三维打印中就无法实现该悬空部11的成型。当需要用三维打印机打印这种具有悬空部11的三维物体时。如图2所示，三维打印机一般首先打印出主体部10，然后，打印出支撑部12，这样才可以继续在支撑部12上打印出悬空部11。然而，这种打印方式需要消耗过多的支撑材料，这就会造成资源的浪费，特别是在打印大型物体时，例如打印桌子、建筑物模型或实物时，支撑材料的消耗量非常庞大，严重增加三维物体的制造成本。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种解决三维物体打印过程中支撑材料消耗过多的问题。

为了完成上述目的，本发明提供了一种具有支撑材料成型功能的三维打印机,其包括打印头组件、打印平台和控制器，打印头组件可相对于打印平台沿三维方向独立地移动；控制器分别与打印头组件和打印平台电连接；打印头组件包括熔融室，打印材料在熔融室内熔融后按照预定程序逐层沉积到打印平台上；第一动力单元装载有发泡剂，第一动力单元把发泡剂供应至熔融室内与打印材料混合熔融。

由上述方案可见，在打印支撑部的时候，把发泡剂加入到熔融室内，发泡剂与打印材料混合熔融后使得打印材料的体积发生膨胀，膨胀的熔融材料逐层沉积在打印平台上形成支撑部，支撑部的密度相应降低，使用的支撑材料的重量相应减少，从而实现降低成本的目的。特别是针对大型物体，如人体、建筑物模型或实物的成型，支撑材料的成本节省非常显著。

一个优选的方案是，打印主体材料为PLA三维成型丝料或ABS三维成型丝料或PP三维成型丝料；第一动力单元包括腔体、螺旋送粉棍和电机，腔体内设置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用电机驱动，在电机的工作下带动螺旋送粉棍把发泡剂带入至熔融室内，电机与控制器电性连接。腔体的上游端设置一个加粉口。

由上述方案可见，打印头组件只有一个打印头，该打印头可以同时作为主体部或支撑部的打印。当打印主体部的时候，第一动力单元不工作，发泡剂不进入熔融室内。当打印支撑部的时候，第一动力单元把发泡剂加入到熔融室内，发泡剂与打印材料混合熔融后形成支撑材料，支撑材料逐层沉积在打印平台上形成支撑部。

一个优选的方案是，打印头组件包括第一打印头和第二打印头：第一打印头装载有打印主体材料,第一打印头可相对打印平台沿三维方向独立地移动；第二打印头包括熔融室,熔融室具有第一通孔和第二通孔，打印支撑材料沿第一通孔进入熔融室内，第一动力单元把发泡剂沿着第二通孔输送至熔融室。

由上述方案可见，当需要打印支撑部的时候，第二打印头预备工作，发泡剂与打印支撑材料混合熔融后体积发生膨胀，第二打印头把体积膨胀后的支撑材料逐层沉积在打印平台上。

进一步优选的方案是，打印主体材料为PLA三维成型丝料或ABS三维成型丝料或PP三维成型丝料，打印支撑材料为PLA三维成型粉末材料或ABS三维成型粉末材料或PP三维成型粉末材料；在第二通孔的位置设置有电磁阀，第一动力单元包括腔体、螺旋送粉棍和电机，腔体内设置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用电机驱动，在电机的工作下带动螺旋送粉棍把发泡剂带入熔融室内，电机、电磁阀均与控制器电性连接。

由上述方案可见，粉末状态的支撑材料与发泡剂的混合过程更为迅速、均匀，混合效果更好，工作效率提高。

一个优选的方案是，在第二通孔的位置设置一个吹气装置，吹气装置把发泡剂均匀吹散在熔融室内。

本发明还提供了一种具有支撑材料成型功能的三维打印机的成型方法，三维打印机包括打印头组件、打印平台和控制器，打印头组件可相对于打印平台沿三维方向独立地移动；控制器分别与打印头组件和打印平台电连接；打印头组件包括熔融室，打印材料在熔融室内熔融后按照预定程序逐层沉积到打印平台上；第一动力单元装载有发泡剂，第一动力单元把发泡剂供应至熔融室内与打印材料混合熔融；

该成型方法包括下面的步骤：首先，执行预备步骤，保持三维打印机处于工作状态；然后，执行三维物体主体部的成型步骤，打印头组件把打印材料熔融后逐层沉积在打印平台上形成三维物体的主体部；接着，执行控制器判断步骤，当控制器判断出需要打印三维物体的支撑部的时候，启动第一动力单元工作；接着，执行支撑部打印步骤，第一动力单元工作，电机带动螺杆旋转后把发泡剂带入至熔融室内与打印材料混合熔融形成支撑材料，打印材料在加入发泡剂之后体积发生膨胀；打印头组件把混合熔融的支撑材料逐层沉积到打印平台上形成支撑部；接着，交替执行上述三维物体主体部的成型步骤、控制器判断步骤和支撑材料的打印步骤，直至完成整个三维物体的成型。

一个优选的方案是，支撑部打印步骤包括初期阶段和后期阶段，在初期阶段，发泡剂以第一流量的速率加入至熔融室内，在后期阶段，发泡剂以第二流量的速率加入至熔融室内，第一流量大于第二流量；同时，在初期阶段形成的支撑材料的密度低于在后期阶段形成的支撑材料的密度。

一个优选的方案是，支撑部打印步骤包括初期阶段、中期阶段和后期阶段，在初期阶段，发泡剂以第一流量的速率加入至熔融室内，在中期阶段，发泡剂以第二流量的速率加入至熔融室内，在后期阶段，发泡剂以第三流量的速率加入至熔融室内；第一流量大于第二流量，第二流量大于第三流量，第三流量为零；在初期阶段形成的支撑材料的密度为第一密度，在中期阶段形成的支撑材料的密度为第二密度，在后期阶段形成的支撑材料的密度为第三密度；第一密度低于第二密度，第二密度低于第三密度，第三密度与三维物体的主体部密度相同。

一个优选的方案是，打印主体材料为PLA三维成型丝料或ABS三维成型丝料或PP三维成型丝料；第一动力单元包括腔体、螺旋送粉棍和电机，腔体内设置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用电机驱动，在电机的工作下带动螺旋送粉棍把发泡剂带入至熔融室内，电机与控制器电性连接。

一个优选的方案是，打印头组件包括第一打印头和第二打印头：第一打印头装载有打印主体材料,第一打印头可相对打印平台沿三维方向独立地移动；第二打印头包括熔融室,熔融室具有第一通孔和第二通孔，打印支撑材料沿第一通孔进入熔融室内，第一动力单元把发泡剂沿着第二通孔输送至熔融室。打印主体材料为PLA三维成型丝料或ABS三维成型丝料或PP三维成型丝料，打印支撑材料为PLA三维成型粉末材料或ABS三维成型粉末材料或PP三维成型粉末材料；在第二通孔的位置设置有电磁阀，第一动力单元包括腔体、螺旋送粉棍和电机，腔体内设置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用电机驱动，在电机的工作下带动螺旋送粉棍把发泡剂带入熔融室内，电机、电磁阀均与控制器电性连接。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有的一种三维物体的截面示意图。

图2是现有的一种通过三维打印机打印并具有支撑部的三维物体。

图3是本发明的具有支撑材料成型功能的三维打印机的第一实施例的示意图。

图4是本发明的具有支撑材料成型功能的三维打印机的第一实施例的打印头组件的示意图。

图5是本发明的具有支撑材料成型功能的三维打印机的第二实施例的示意图。

图6是本发明的三维打印机第三实施例的示意图。

图7是本发明的三维打印机第三实施例的打印平台上具有主体部时的打印状态示意图；

图8是本发明的三维打印机第三实施例预备打印支撑材料时的打印状态示意图；

图9是本发明的三维打印机第三实施例打印支撑部和悬空部的打印状态示意图。

图10是本发明的三维打印机第五实施例的结构示意图。

图11是本发明的三维打印机第五实施例的打印头、第一供应单元、第二供应单元的结构示意图。

图12是本发明的三维打印机第五实施例的打印头的结构示意图。

图13是本发明的三维打印机第五实施例的存储模块内预备打印的理论三维物体的结构示意图。

图14是本发明的三维打印机第五实施例的存储模块内预备打印的理论三维物体的中间部分的结构示意图。

图15是本发明的三维打印机第八实施例的结构示意图。

图16是本发明的三维打印机第八实施例的部分组件之间的连接示意图。

具体实施方式

第一实施例

如图3所示，本实施例提供一种具有支撑材料成型功能的三维打印机,其包括打印头组件30、打印平台13、控制器20和第一动力单元40。

打印头组件30分别相对于打印平台10沿三维方向独立地移动。控制器20分别与打印头组件30和打印平台13电连接。在一种驱动方式中，控制器20驱动电机旋转提供动力，电机通过传动部件带动打印平台13或打印头组件30的移动。第一动力单元40装载有发泡剂，第一动力单元40把发泡剂供应至熔融室33内与打印材料混合熔融。

如图4所示，打印头组件30包括熔融室33，打印丝料38依靠主动轮39和支撑轮41的配合提供动力，打印丝料38可以逐渐进入到熔融室33内。打印丝料38在熔融室33内熔融后按照预定程序逐层沉积到打印平台13上。

打印主体材料为PLA三维成型丝料或ABS三维成型丝料或PP三维成型丝料。优选地，第一动力单元40包括腔体、螺旋送粉棍和电机，腔体内设置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用电机驱动，在电机的工作下带动螺旋送粉棍把发泡剂带入至熔融室内，电机与控制器20电性连接。

在打印支撑部12的时候，第一动力单元40把发泡剂加入到熔融室33内，发泡剂与打印丝料38混合熔融后使得打印材料的体积发生膨胀，膨胀的熔融打印材料逐层沉积在打印平台13上形成支撑部12，支撑部12的密度低于未经处理的打印丝料38的密度，使用的支撑材料的重量相应减少，从而实现降低成本的目的。特别是针对于大型物体，如人体模型，建筑物模型的成型，支撑材料的成本节省非常显著。本实施例的打印头组件30只有一个打印头，该打印头可以作为主体部10、支撑部12和悬空部11的打印，当打印主体部10的时候，第一动力单元40是不工作的，也就是发泡剂不进入熔融室33内。当打印支撑部12的时候，第一动力单元40把发泡剂加入到熔融室33内，发泡剂与打印丝料38混合熔融后形成支撑材料，支撑材料逐层沉积在打印平台13上形成支撑部12。

本实施例的具有支撑材料成型功能的三维打印机的成型方法包括下面的步骤。

首先，执行预备步骤，保持三维打印机处于工作状态。

然后，执行三维物体主体部10的成型步骤，打印头组件30把打印丝料38熔融后逐层沉积在打印平台13上形成三维物体的主体部10。

接着，执行控制器判断步骤，当控制器判断出需要打印三维物体的支撑部12的时候，启动第一动力单元40工作。

接着，执行支撑部12的打印步骤，第一动力单元40工作，电机带动螺杆旋转后把发泡剂带入至熔融室33内与打印丝料38混合熔融形成支撑材料，打印材料在加入发泡剂之后体积发生膨胀。打印头组件30把混合熔融的支撑材料逐层沉积到打印平台13上形成支撑部12。

最后，当完成支撑部12的打印步骤后，在支撑部12上打印形成悬空部11，完成整个三维物体的成型。

第二实施例

本实施例的具有支撑材料成型功能的三维打印机与第一实施例相同，下面仅就不同之处作出描述。如图5所示，打印头组件包括第一打印头31和第二打印头32。第一打印头31内装载有打印主体材料,第一打印头31可相对打印平台13沿三维方向独立地移动。第二打印头32包括熔融室33,熔融室33具有第一通孔和第二通孔，打印支撑材料沿第一通孔（熔融室的侧面或顶面）进入熔融室33内，第一动力单元把发泡剂沿着第二通孔输送至熔融室33。

第一打印头31完成主体部10和悬空部11的打印步骤。在打印主体部10的时候，第二打印头32已经完成发泡剂和打印丝料的混合熔融的步骤，体积发生膨胀。第二打印头32预备工作，第二打印头32把体积膨胀后的支撑材料逐层沉积在打印平台13上形成支撑部12，这种方式相比第一实施例节省了时间。打印主体材料为PLA三维成型丝料或ABS三维成型丝料或PP三维成型丝料，打印支撑材料为PLA三维成型粉末材料或ABS三维成型粉末材料或PP三维成型粉末材料。

相比于第一实施例的一个打印头，本实施例的两个打印头的技术方案可以显著提高工作效率，在第一实施例中，一个打印头在完成主体部10的打印步骤后，需要在熔融室33内混合加入发泡剂后才可以继续支撑部12的打印步骤，显然这种方式的工作效率较慢。相比而言，本实施例的第一打印头31完成主体部10的打印工作后，第二打印头32已经可以预先完成发泡剂与打印材料的混合熔融步骤，从而显著提升工作效率。

在其它实施例中个，在第二通孔的位置设置有电磁阀。第一动力单元包括腔体、螺旋送粉棍和电机，腔体内设置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用电机驱动，在电机的工作下带动螺旋送粉棍把发泡剂带入熔融室33内，电机、电磁阀均与控制器电性连接。采用这种方式时，粉末材料的支撑材料与发泡剂混合过程更为迅速、均匀，混合效果更好，工作效率提高。在更优选的方案中，在第二通孔的位置设置一个吹气装置，吹气装置把发泡剂均匀吹散在熔融室33内。

在一些优选的实施例中，支撑部12的打印步骤包括初期阶段和后期阶段。在初期阶段，发泡剂以第一流量的速率加入至熔融室内，在后期阶段，发泡剂以第二流量的速率加入至熔融室内，第一流量大于第二流量。因此，在初期阶段形成的支撑材料的密度低于在后期阶段形成的支撑材料的密度，由此得到了不同位置的密度不同的支撑部12。

在一些优选的实施例中，支撑部打印步骤包括初期阶段、中期阶段和后期阶段。在初期阶段，发泡剂以第一流量的速率加入至熔融室内，在中期阶段，发泡剂以第二流量的速率加入至熔融室内，在后期阶段，发泡剂以第三流量的速率加入至熔融室内；第一流量大于第二流量，第二流量大于第三流量，第三流量为零。在初期阶段形成的支撑材料的密度为第一密度，在中期阶段形成的支撑材料的密度为第二密度，在后期阶段形成的支撑材料的密度为第三密度；第一密度低于第二密度，第二密度低于第三密度，第三密度与三维物体的主体部密度相同。由此，支撑部12的密度由下向上依次包括第一密度支撑部、第二密度支撑部和第三密度支撑部，第三密度支撑部与原始打印丝料密度相同，这样的方式有助于悬空部11的下底面成型在第三密度支撑部12上。

第三实施例

本实施例在第一实施例的三维打印机的基础上,作出了进一步改进。如图6所示，为本实施例提供的具有支撑材料打印头的三维打印机，该三维打印机包括打印头组件和打印平台120。

打印头组件可相对于打印平台120沿三维方向独立地移动。控制器130分别与打印头组件和打印平台120直接或间接地电连接，控制器可以是一个单片机或芯片处理器或电脑或PLC（可编程逻辑控制器）程序。打印头组件包括第一打印头141、第二打印头142和第三打印头143。第一打印头141装载有打印主体材料，第一打印头141可相对打印平台120沿三维方向独立地移动。第二打印头142装载有打印支撑材料，第二打印头142可相对打印平台120沿三维方向独立地移动。

第一打印头141和第二打印头142可以采取线状丝料熔融沉积的方式进行打印，丝状材料的传动、熔融挤出成型的过程采用现有的三维打印机的打印头。例如，第一打印头141和第二打印头142可以采用美国MakerBot公司的具有PLA、ABS等丝料传送、熔融、打印功能的打印头。打印主体材料和打印支撑材料可以选用现有的用于三维打印的丝状材料，例如PLA（聚乳酸），ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)，PVC（聚氯乙烯），PC（聚碳酸酯）。

第三打印头143内装载有粘结剂，第三打印头143可以是一个喷枪，喷枪把粘结剂喷涂在支撑板150上。第三打印头143还可以是一个涂抹装置，涂抹装置可以在控制器130的控制下在支撑板150上涂抹一定厚度的粘结剂，粘结剂的作用在于把支撑部的下底面粘附牢固在支撑板150上，这样可以避免支撑部的位置移动，如果发生位置移动则会造成打印物体的偏差。粘结剂例如可以选择如下物质：氰基丙烯酸酯粘结剂、触变性(假塑性)氰基丙烯酸酯粘结剂、储存稳定的触变性a-氰基丙烯酸酯粘结剂、快固化氰基丙烯酸酯酯结剂、氰基丙烯酸酯粘结剂的底漆、厌气性可固化粘结剂、高强度储存稳定的厌气性粘结剂、工业胶水、医用胶水等。

支撑板组件具有连接在一起的移动机构和支撑板150，移动机构带动支撑板150相对于打印平台120在三维方向上移动。支撑板150的边缘部为柔性边缘部，柔性边缘部例如为硅胶，当支撑板150移动靠近主体部10的时候，柔性边缘部可以起到一定的缓冲作用，避免在硬性撞击到主体部10后对其表面造成损伤，或者硬性撞击导致主体部10的位置发生移动，而这种位置移动造成的偏差会导致三维物体的精度下降。柔性边缘部还可以设置有距离传感器，距离传感器例如可以是红外传感器或基于其它原理的距离传感器，当传感器感应到距离主体部10的距离小于一定距离后，控制器130控制并降低移动支撑板150的移动速率，距离传感器可以是一个触碰开关。距离传感器、第一打印头141、第二打印头142、第三打印头143、打印平台120、支撑板150均直接或间接地与控制器130电性连接，控制器130由此控制它们的工作。例如在一种方式中，控制器130控制电机的旋转，电机通过传动部件实现对第一打印头141、第二打印头142、第三打印头143、打印平台120、支撑板150的移动控制。

本实施例的具有支撑材料打印头的三维打印机的成型方法包括下面的步骤。

首先，执行准备步骤，启动三维打印机的开关，对打印头组件和打印平台120的位置进行校准，控制器130获得三维物体的各层数据信息，三维物体为如图2所示的三维物体，该三维物体具有主体部10、悬空部11和支撑部12，悬空部11分别与支撑部12和主体部10连接。

然后，如图7所示，执行主体部10的打印步骤，第一打印头141把打印主体材料逐层沉积在打印平台120上至打印平台120上的第一高度121，由此形成主体部10，在执行这个步骤的时候，支撑板150距离打印平台120的距离较远，或者说，支撑板150不在打印平台120的投影区域内。

接着，如图8所示，执行移动支撑板150的步骤，控制器130发出指令预备打印三维物体的支撑部12。支撑板150的边缘部的一部分移动并触碰至主体部10。具体地，移动机构带动支撑板150至打印平台120上方的第二高度122，支撑板150首先以第一速率移动至靠近主体部10的竖直部分的位置，柔性边缘部的传感器感应到其距离主体部10的距离小于设定距离后，控制器130控制支撑板150以第二速率缓慢靠近主体部10，直到柔性边缘部触碰到支撑部10后，支撑板150则停止水平方向上的移动。由于柔性边缘部具有弹性，因此可以起到很好的缓冲作用，柔性边缘部优选采用能量吸收材料或者太空棉，太空棉可以最大限度减少支撑板150对主体部10的冲击作用。第二高度122在第一高度121的下方。

接着，如图9所示，执行支撑部12的打印步骤，第二打印头142在支撑板150上逐层打印形成支撑部12。由于支撑板150可以移动到第二高度122的位置用于承接支撑部12，因此支撑部12需要打印的高度显著较少。现有的支撑部12需要打印的正常高度为第一高度121。最后，执行悬空部11的打印步骤，第一打印头141在支撑部12上逐层打印形成悬空部11。悬空部11打印完毕之后就可以完成整个三维物体的打印。

第四实施例：

本实施例与上述第三实施例基本相同，下面仅就不同之处给出详细介绍。

本实施例的支撑部12的密度低于主体部10的密度，密度的大小可以根据具体的打印方式决定，打印头在支撑板150上挤出一条熔融丝状打印材料，横向的丝状材料与纵向的丝状材料重叠交叉，最后形成一个层结构的三维物体。主体部10一般需要密度较高的结构，而支撑部12由于仅仅是为了暂时性起到一定的支撑作用，因此可以打印形成松散的、密度较低的结构。当三维物体成型之后，则需要去除支撑部12。主体部10的密度与悬空部11的密度相同。

本实施例的打印头组件还包括第三打印头143，第三打印头143内装载有粘结剂，在执行支撑部打印步骤之前，第三打印头143在支撑板150上涂抹一层粘结剂，支撑部12的第一层（下面的底层）覆盖在支撑板150上的粘结剂上。由于本实施例的支撑部12的密度较小，且较为松散，因此第二打印头142在支撑板150上打印支撑材料时，支撑部12的下底面容易发生位置移动，在支撑板150上喷涂一层粘结剂之后，粘结剂可以对支撑部12的下底面起到粘附固定作用，从而避免支撑部12的意外位置移动。

在其它实施例中，支撑板150为圆形支撑板，圆形支撑板可以绕其圆心周向旋转。在圆形支撑板上可以划分出第一区域、第二区域、第三区域，其中，第一区域在打印第一个三维物体时作为承接支撑部的专用区域，第二区域作为打印第二个三维物体时承接支撑部的专用区域，第三区域在打印第三个三维物体时作为承接支撑部的专用区域。当打印完成第一个三维物体时，圆形支撑板上的第一区域上残留的支撑部或粘结剂会妨碍第二个三维物体的打印。即使在支撑板上去除支撑部后，这种妨碍作用依然存在，因为在去除支撑部的时候，支撑部的下底面很可能会残留固体在圆形支撑板的上表面，如果直接更换圆形支撑板或者对其进行清洗，则会降低工作效率。此时，圆形支撑板绕其圆心旋转一定角度后，使得第二个三维物体的悬空部的投影可以正好在第二区域内，第二区域是干净的表面，因此可以作为支撑部的打印。当完成第二个三维物体的打印后，圆形支撑板绕其圆心旋转一定角度后，使得第三个预备打印的三维物体的悬空部的投影正好在第三区域内，由于第三区域是干净的表面，因此可以作为第三个三维物体的支撑部的打印区域，第三区域内的支撑部的打印完成后，再完成第三个三维物体的悬空部的打印过程。

第五实施例

本实施例的三维打印在上面几个实施例的基础上，作出了进一步的改进。如图10所示，本实施例的三维打印机包括打印头组件、打印平台210和控制器220。打印头组件具有多个打印头，本实施例的打印头组件包括第一打印头231、第二打印头232和第三打印头233。打印头组件可相对于打印平台210沿三维方向独立地移动。控制器220分别与第一打印头231、第二打印头232、第三打印头233和打印平台210控制性电连接。例如在一种方式中，控制器220控制电机的旋转，电机通过传动部件实现对第一打印头231、第二打印头232、第三打印头233、打印平台210的移动控制。

每一个打印头内装载有一种颜色的打印丝料，具体地，第一打印头231内装载白色打印丝料，第二打印头232内装载红色打印丝料，第三打印头233内装载蓝色打印丝料。打印丝料为PLA（聚乳酸）三维成型丝料或ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物）三维成型丝料或PP（聚丙烯）三维成型丝料或PVC（聚氯乙烯）三维成型丝料或（PE）聚乙烯三维成型丝料。打印丝料具体还可以选择其它颜色，如黄色、绿色、灰色等。

如图11所示，打印头包括熔融室234，打印丝料235在熔融室234内熔融后从喷嘴239喷出，并按照预定程序逐层沉积到打印平台210上。打印丝料235可以靠两个输送轮移动打印丝料235至熔融室234内，两个输送轮包括一个主动轮236和一个从动轮237，主动轮236可以由电机带动旋转。打印丝料235的远端缠绕在丝料盘上，丝料盘悬挂在三维打印机的机架上。

如图12所示，第一动力单元包括第一腔体241、第一螺旋送粉棍242和第一电机243，第一腔体241内设置第一螺旋送粉棍242，第一螺旋送粉棍242用第一电机243驱动，在第一电机243的工作下带动第一螺旋送粉棍242把玻璃纤维244带入至熔融室234内，第一电机243与控制器220电性连接。控制器220通过控制第一电机243的转速，进而控制第一螺旋送粉辊242的转速，最终实现对第一动力单元供粉速率的控制。在其它实施例中，第一腔体241的第一出口245处设置一个第一电磁阀门，第一电磁阀门的大小可以根据流量大小进行调控，第一电磁阀门也可以实现供粉速率的调节。第一动力单元装载有玻璃纤维244，第一动力单元把玻璃纤维244供应至熔融室234内与打印丝料235在熔融室234内混合熔融。

第二动力单元的图示结构请参见上述第一动力单元的结构，它们基本相同。第二动力单元包括第二腔体、第二螺旋送粉棍和第二电机，第二腔体内设置第二螺旋送粉棍，第二螺旋送粉棍用第二电机驱动，在第二电机的工作下带动第二螺旋送粉棍把塑料软化剂带入至熔融室234内，第二电机与控制器220电性连接。控制器220通过控制第二电机的转速，进而控制第二螺旋送粉辊的转速，最终实现对第二动力单元供粉速率的控制，在其它实施例中，第二腔体的第二出口处设置一个第二电磁阀门，第二电磁阀门的大小可以根据流量大小进行调控，第二电磁阀门也可以实现供粉速率的调节。第二动力单元装载有塑料软化剂，第二动力单元把塑料软化剂供应至熔融室234内与打印丝料235混合熔融。塑料软化剂具体可以选择：PVC（聚氯乙烯）柔软剂、 PE（聚乙烯）柔软剂或PP（聚丙烯）柔软剂或其它对应打印材料的柔软剂。

玻璃纤维、塑料软化剂的添加量根据具体需要进行调节。一般在千分之五到百分之一，具体根据需要添加不同量的塑料软化剂或玻璃纤维，以得到不同软化度的熔融打印材料，最后得到不同软化度的三维物体。

本实施例的高精度彩色三维打印机的成型方法包括下面的步骤。本实施例预备打印如图13所示的三维物体，该三维物体的数据信息存储在存储模块中，该三维物体250具有下侧部分251、中间部分252和上侧部分253，其中下侧部分251为白色、中间部分252为红色、上侧部分253为灰色。如图14所示，中间部分252具体包括第一部分254、第二部分255和第三部分256，其中第一部分254的硬度与打印丝料235的硬度相同，第二部分255的硬度大于打印丝料235的硬度，第三部分256的硬度小于打印丝料235的硬度。

首先，执行预备步骤，保持三维打印机处于工作状态。

然后，执行打印丝料颜色选择步骤，选定一种颜色的丝料打印，由于预备打印的三维物体的下侧部分251为白色，因此首先选择第一种打印丝料的颜色为白色。控制器220控制第一打印头231工作，第一打印头231带动白色的打印丝料熔融后沉积在打印平台210上形成下侧部分251。

接着，当下侧部分251打印完毕后，开始进行中间部分252的打印过程，控制器220控制第二打印头232把红色丝料在熔融室234内熔融后沉积在打印平台210上形成中间部分252。

执行判断步骤，控制器220发出判断信号，判断执行打印第一部分254或第二部分255或第三部分256的命令。当执行打印第一部分254的命令时，选定的打印丝料在熔融室234内熔融后沉积在打印平台210上形成第一部分254。当执行打印第二部分255的命令时，第一供应单元按照一定速率把玻璃纤维244供应至第二打印头232的熔融室内与打印丝料混合熔融后沉积在打印平台210上形成第二部分255。当执行打印第三部分256的命令时，第二供应单元按照一定速率把塑料软化剂加入到第二打印头232的熔融室内与打印丝料熔融混合后沉积在打印平台210形成第三部分256。具体地，由于第一部分254在下端，因此控制器220首先控制打印第一部分254，再打印第二部分255，最后打印第三部分256。当打印第一部分254的时候，由于第一部分254需要的硬度与打印丝料的硬度相同，因此，只需要直接把红色打印丝料熔融后沉积在打印平台210上即可。第一部分254打印完成后，开始进行第二部分255的打印，第二部分255的硬度大于打印丝料的硬度，控制器220发出信号，启动第一供应单元工作，第一供应单元按照第一流量的速率把玻璃纤维供应至熔融室234内与打印丝料混合熔融。混合熔融后的打印丝料的硬度要大于打印丝料的本身硬度，混合熔融后的打印材料逐层沉积在打印平台210上，形成第二部分255。第二部分255打印完成后，开始进行第三部分256的打印，第三部分256的硬度小于打印丝料的硬度，控制器220发出信号，启动第二供应单元工作，第二供应单元按照第二流量速率把塑料软化剂供应至熔融室234内与打印丝料混合熔融。混合熔融后的打印丝料的硬度要小于打印丝料的本身硬度，混合熔融后的打印丝料逐层沉积在打印平台上，形成第三部分256。

最后，重复执行上述丝料颜色选择步骤和判读步骤，直至完成整个三维物体的成型，形成高精度彩色三维物体。

由上述方案可见，单一丝料根据具体的需要可以调节硬度，进而得到在不同位置具有不同硬度的彩色三维物体。

第六实施例

本实施例的三维打印机与第五实施例基本相同，下面仅就不同之处详细说明。

本实施例的三维打印机还包括表面硬度传感器，表面硬度传感器可以是超声硬度传感器或者其它现有的适合于测定固体表面硬度的传感器。表面硬度传感器用于检测在打印平台上形成的三维物体的硬度，表面硬度传感器与控制器电连接。

控制器具有比较模块和存储模块。比较模块把表面硬度传感器检测到的硬度数据与存储模块内的硬度数据进行比较。在完成第一个三维物体的成型步骤后，可能需要重复打印该三维物体，以形成第二个、第三个或更多重复打印的三维物体。每完成一个三维物体的成型后,表面硬度传感器即完成对该三维物体的表面的硬度的检测并得到硬度数据。

本实施例通过比较模块和存储模块的设置，增加了一个硬度校准的功能，具体实现该校准功能的步骤如下。在完成第一个三维物体的成型步骤后，表面硬度传感器获得第一个三维物体的第一部分、第二部分和第三部分的硬度数据，比较模块把该硬度数据与存储模块内的硬度数据相互比较并发出判段信号。存储模块内的硬度数据为理论硬度数据，由于不同的打印机的结构不同，外界环境如温度、湿度也不同，依据该理论硬度数据打印形成的三维物体的实际硬度与理论硬度数据会存在偏差，并且，这种偏差度有可能较大而超过一定的范围。通过程序设定，如果表面硬度传感器检测到的硬度数据与存储模块内的硬度数据存在偏差，且偏差超过一定的阈值。控制器则相应调节第一供应单元加入至打印头的熔融室内的玻璃纤维的速率，或者调节第二供应单元加入至熔融室内的塑料软化剂的速率。具体地，当表面硬度传感器检测到三维物体的第二部分的硬度小于理论硬度的时候，在打印第二个三维物体的相同位置时，控制器则相应加快第一供应单元加入至熔融室内的玻璃纤维的速率，当玻璃纤维加入速率提高后，玻璃纤维与打印丝料混合熔融后得到的三维物体的硬度随之增加。再比如，当表面硬度传感器检测到三维物体的第三部分的硬度大于理论硬度的时候，在打印第二个三维物体的相同位置时，控制器则相应加快第二供应单元加入至熔融室内的塑料软化剂的速率，当塑料软化剂的加入速率提高后，塑料软化剂与打印丝料混合熔融后得到的三维物体的硬度随之降低。

第七实施例

在第五实施例中，第一打印头231用于打印下侧部分251，第二打印头232用于打印中间部分252，第三打印头233用于打印上侧部分253。本实施例的第二打印头包括第一子打印头、第二子打印头和第三子打印头。其中，第一子打印头、第二子打印头和第三子打印头均为装载红色打印丝料，第二打印头专门用于打印三维物体的红色中间部分，本实施例的红色中间部分也包括第一部分、第二部分和第三部分。第一子打印头专门用于打印第一部分，在打印第一部分的时候，第二子打印头则混合玻璃纤维和打印丝料形成硬度加强的打印材料，最后沉积在打印平台上形成第二部分；同时，第三子打印头则混合塑料软化剂和打印丝料形成硬度降低的打印材料。这种打印方式可以明显提升三维物体的成型效率。

第八实施例

本实施例在上述实施例的基础上，作出了进一步的改进。本实施例的三维打印机包括打印头组件和打印平台，打印头组件可相对于打印平台沿三维方向独立地移动。控制器分别与打印头组件和打印平台电连接。

如图15和图16所示，打印头组件包括第一送粉件310、第二送粉件320和第三送粉件330。

第一送粉件310具有第一中空筒体311，第一中空筒体311内设置第一螺旋送粉棍312，第一中空筒体310的上游端设置有第一加粉口313，第一中空筒体311的下游端设置第一出口314。词语“上游”是指粉末打印材料在第一中空筒体311内行进方向的前端，词语“下游”是指粉末打印材料在第一中空筒体311内行进方向的后端。红色粉末打印材料装载在第一中空筒体311内，第一出口314的位置设置有第一流量传感器和第一阀门，第一流量传感器用于实时监测第一出口314位置的红色粉末打印材料的流量，并实时把监测信号传输至控制器340。第一流量传感器可以采用现有的粉末流量计或粉体流量计。红色粉末打印材料沿第一加粉口313进入至第一中空筒体310内，第一螺旋送粉棍312带动红色粉末打印材料至第一中空筒体311的第一出口314的位置，控制器340通过调节第一螺旋送粉棍312的转速或者第一阀门的开口大小而对红色粉末打印材料进入到混合熔融室350的流量进行调节。第一阀门优选为控制粉末流动的粉体式电磁阀门。

第二送粉件320的结构与第一送粉件的结构基本相同。第二送粉件320具有第二中空筒体，第二中空筒体内设置第二螺旋送粉棍，第二中空筒体的上游端设置有第二加粉口，第二中空筒体的下游端设置第二出口。绿色粉末打印材料在第二中空筒体内，第二出口的位置设置有第二流量传感器，第二流量传感器用于实时监测第二出口位置的绿色粉末打印材料的流量，并实时把监测信号传输至控制器。第二流量传感器采用现有的粉末流量计或粉体流量计。绿色粉末打印材料沿第二加粉口进入至第二中空筒体，第二螺旋送粉棍带动绿色粉末打印材料至第二中空筒体的第二出口，控制器通过调节第二螺旋送粉棍的转速以及第二阀门的开口大小对绿色粉末打印材料进入到混合熔融室350的流量进行调节。

第三送粉件330的结构与第一送粉件的结构也基本相同。第三送粉件330具有第三中空筒体，第三中空筒体内设置第三螺旋送粉棍，第三中空筒体的上游端设置有第三加粉口，第三中空筒体的下游端设置第三出口。蓝色粉末打印材料在第三中空筒体内，第三出口的位置设置有第三流量传感器，第三流量传感器用于实时监测第三出口位置的蓝色粉末打印材料的流量，并实时把监测信号传输至控制器。第三流量传感器采用现有的粉末流量计或粉体流量计。蓝色粉末打印材料沿第三加粉口进入至第三中空筒体，第三螺旋送粉棍带动蓝色粉末打印材料至第三中空筒体的第三出口，控制器通过调节第三螺旋送粉棍的转速以及第三阀门的开口大小对蓝色粉末打印材料进入到混合熔融室350的流量进行调节。

混合熔融室350具有第一进口351、第二进口352、第三进口353和打印喷嘴354，第一出口314和第一进口351接通，第二出口和第二进口352接通，第三出口和第三进口353接通。混合熔融室350内设置有搅拌元件341和加热元件342，搅拌元件341和加热元件342均与控制器340电性连接。打印平台360上设置有重量传感器343，重量传感器343可以实时监测打印平台360上的重量数据，并且把数据信号实时传输至控制器340。控制器340还分别与第一流量传感器344、第二流量传感器345和第三流量传感器346电性连接。由此，控制器340可以实时获得第一送粉件310加入到混合熔融室350内的红色粉末打印材料的质量，还可以实时获得第二送粉件320加入到混合熔融室350内的绿色粉末打印材料的质量，还可以实时获得第三送粉件330加入到混合熔融室350内的蓝色粉末打印材料的质量。

该成型方法包括下面的步骤。

首先，执行准备步骤，启动三维打印机的开关，对打印头组件和打印平台360的位置进行校准，控制器340获得三维物体的各层数据信息，各层数据信息包括颜色数据信息，三维打印机预备打印第一种颜色的熔融材料。控制器340包括一个处理器，处理器经过分析和计算，确定第一种颜色的熔融材料的重量配比为:加入红色粉末打印材料10质量份，加入绿色粉末打印材料10质量份，加入蓝色粉末打印材料10质量份。

接着，执行送粉步骤，第一送粉件310向混合熔融室350加入第一质量份（10质量份）的红色粉末打印材料，第一流量传感器344实时监测红色粉末打印材料加入到混合熔融室350内的重量，并把信息传输至控制器340。当加入混合熔融室350内的量至10质量份时，第一送粉件310停止向混合熔融室350内再加入红色粉末打印材料。第二送粉件320向混合熔融室350加入第二质量份（10质量份）的绿色粉末打印材料，第二流量传感器345实时监测绿色粉末打印材料加入到混合熔融室350内的重量，并把信息传输至控制器340，当加入混合熔融室350内的量至10质量份时，控制器340控制停止第二送粉件320向混合熔融室350内再加入绿色粉末打印材料。第三送粉件330向混合熔融室350加入第三质量份（10质量份）的蓝色粉末打印材料，第三流量传感器346实时监测蓝色粉末打印材料加入到混合熔融室350内的重量，并把信息传输至控制器340，当加入量至10质量份时，控制器340控制停止向混合熔融室350内再加入蓝色粉末打印材料。通过控制器340、第一流量传感器344、第二流量传感器345和第三流量传感器346的协同配合，实现了红色粉末打印材料、绿色粉末打印材料和蓝色粉末打印材料加入到混合熔融室350内的精确控制，由此可以实现高精度三维物体的成型。在一种替代的实施例中，也可以省略第一流量传感器344、第二流量传感器345和第三流量传感器346，而是通过控制器340控制电机的转速，电机带动第一螺旋送粉棍312、第二螺旋送粉棍或第三螺旋送粉棍的旋转而把固定流量的粉末材料输送至混合熔融室350内，同时，需要记录时间，根据时间与流量的关系得到加入混合熔融室350内的粉末打印材料的重量。虽然这种替代方式的精确度不如传感器的方式，但是也可以获得不同颜色的混合熔融材料。

接着，执行混合和熔融步骤，10质量份的红色粉末打印材料、10质量份的绿色粉末打印材料和10质量份的蓝色粉末打印材料在混合熔融室50内发生混合、熔融后得到第一种颜色的熔融材料，混合过程持续一定时间如30秒或1分钟至均匀，熔融持续一定时间如45秒或2分钟至均匀。

接着，执行层打印步骤，第一种颜色的熔融材料在打印平台360上形成预定的三维图形，重量传感器343得到重量数据信息，监测到打印平台360上增加了15质量份的三维物体，该数据信息实时传输至控制器340，控制器340经过运算后得知混合熔融室350内的熔融材料的总重量剩余应为15质量份，其中，红色打印材料、绿色打印材料和蓝色打印材料在总重量中的质量各为5质量份。

接着，如果控制器340预备打印第二种颜色的熔融材料，第二种颜色的熔融材料的理论重量配比为:加入红色粉末打印材料8质量份，加入绿色粉末打印材料7质量份，加入蓝色粉末打印材料6质量份。经过计算可知，执行颜色变化步骤，颜色变化步骤为：控制第一送粉件310向混合熔融室350内加入3质量份的红色粉末打印材料，控制第二送粉件320向混合熔融室350内加入2质量份的绿色粉末打印材料，控制第三送粉件330向混合熔融室350内加入1质量份的蓝色粉末打印材料。最后，经过混合和熔融步骤后得到第二种颜色的熔融材料。

接着，重复执行层打印步骤和颜色变化步骤，直至完成三维物体的成型。

在其它实施例中，打印头组件还包括支撑材料打印头，支撑材料打印头可相对于打印平台沿三维方向独立地移动。三维打印机还包括警报装置，警报装置与控制器电性连接；当第一送粉件和/或第二送粉件和/或第三送粉件内装载的粉末材料低于设定值后，控制器发出信号控制警报装置发出警报。混合熔融室350内设置有一个或多个颜色识别传感器，颜色识别传感器与控制器电性连接，颜色识别传感器可以加强对混合熔融室350内得到的混合熔融打印材料的颜色进行监测和测量，当其检测到混合熔融室350内的颜色出现误差后，通过颜色识别传感器把检测信号传输至控制器340，控制器340反馈控制调节第一送粉件、第二送粉件和第三送粉件加入到混合熔融室350内的粉末材料的量，由此实现三种颜色粉末材料在混合熔融室350内的比例调节，最终实现对混合熔融室内颜色的调节，从而得到一种彩色精度更高的三维物体。颜色识别传感器最好设置在混合熔融室的喷嘴位置。在混合熔融室350内的上侧部设置一个鼓风机，鼓风机的控制开关与控制器340电连接，鼓风机最好可以提供持续性旋转的气流，旋转的气流带动红色粉末打印材料、绿色粉末打印材料和蓝色粉末打印材料预混合。混合熔融室350内还可以设置负压装置，负压装置向室内提供负压气流，负压气流特别需要提供在第一进口351、第二进口352和第三进口353的位置，负压气流的设置有助于不同的粉末材料沿着第一进口351、第二进口352和第三进口353快速、完全地进入到混合熔融室350内。为了使得混合熔融室350得到的混合熔融材料更容易从打印喷嘴354喷出,可以在混合熔融室350内设置一个螺杆,电机驱动螺杆旋转后可以加快混合熔融材料由打印喷嘴354喷出。打印喷嘴354的开口位置设置有电磁阀门，电磁阀门与控制器340电性连接，当混合熔融室350内的各种颜色的粉末材料在混合熔融的时候，电磁阀门处于闭合状态，直至颜色识别传感器检测到混合熔融室350内的熔融材料的颜色达到理论需求的颜色的时候，控制器340开启打印喷嘴354位置的电磁阀门。

第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、颜色识别传感器、重量传感器可以直接或间接地与控制器连接。连接方式可以是有线连接或无线连接，无线连接例如为WiFi连接，蓝牙连接等。传感器可以包括一个发出信号天线，供电电池，控制器包括一个接收信号天线、供电电池。控制器包括一个PLC编程程序或者芯片处理器，或者控制器就是一个电脑或手机，工作人员可以通过该电脑或手机实现对三维打印机的控制。

根据颜色配比的原理，对三元色的重量比例进行调节后可以得到具体需要的颜色。具体地，三种颜色的粉末打印材料的流量均可以根据具体的需要进行调节，从而得到需要的混合熔融后的不同颜色的打印材料。