彩色立体打印装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种彩色立体打印装置及方法，所述方法包括：建立一彩色立体工件的实体模型，其中，所述实体模型至少由复数个点及每一个点所对应的色彩所组成；建立一温度和色彩对应表以记录一热熔性材料对应不同色彩所需的加热温度；依照一预定顺序，读取复数个点中的一个点的坐标和该点所对应的色彩，并依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置，依据所述色彩及温度和色彩对应表加热该热熔性材料，并由所述打印头挤出所述热熔性材料，能够控制单一材质成型前的加热温度来改变其色彩，从而打印出彩色立体工件。
【专利说明】彩色立体打印装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种彩色立体打印装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步，以及制造技术的演进，许多工件的制造时程与精度都不断的提升。而传统的切削加工、铸造成型等技术，已无法完全解决各种工件的生产需求，特别是形状特殊或者内部有空孔的工件。然而，3D打印技术(立体打印)的发展，却给这些制造的难题带来了一线生机。而立体打印技术，不但可以提供快速模型成型，对于某些工件，甚至可以直接提供足够精度的成品或半成品成型。
[0003]其实3D打印技术已经发展了很多年。从选择性雷射烧结成型(SelectiveLaser Sintering, SLS)、三维粉末黏结(3DP)、分层实体制造(Laminated ObjectManufacturing, L0M)到目前主流的溶融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM),乃至于最新的光固化(DLP)技术，都已经成功地开发，并投入生产。目前立体打印技术，利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，主要以塑料，金属，陶瓷为主。然而，工件本体大部分都是单一材质，单一颜色，虽然有些打印技术可以使用多种材料进行打印，但是每种材料仅具有一种颜色。因此，若欲利用立体打印成型彩色的工件，则会变得非常繁琐与复杂。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种彩色立体打印装置及方法，能够使单一材质具有不同的颜色，从而可以成型彩色立体工件。
[0005]为解决上述问题，本发明提供一种彩色立体打印装置，适用于一彩色立体工件的打印，包括:
[0006]打印台；
[0007]打印头，所述打印头至少具有一挤型喷嘴及一加热模块；
[0008]连接所述打印头的热熔性材料供应模块，用于提供热熔性材料至所述打印头，其中，所述热熔性材料根据不同温度而具有不同颜色；
[0009]计算机辅助设计和制造模块，用于建立所述彩色立体工件的实体模型，所述实体模型至少由复数个点及每一个点所对应的色彩组成；以及
[0010]连接所述计算机辅助设计和制造模块、打印台及打印头的控制模块，所述控制模块具有一温度和色彩对应表，所述控制模块用于依照一预定顺序，从所述计算机辅助设计和制造模块读取复数个点中的一个点的坐标和该点所对应的色彩，并依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置，依据所述色彩及该温度和色彩对应表控制所述加热模块加热所述热熔性材料，并由所述挤型喷嘴挤出所述热熔性材料。
[0011]进一步的，在上述彩色立体打印装置中，所述预定顺序设定于所述计算机辅助设计和制造模块中，所述预定顺序由所述实体模型在一第一轴向分割成复数个层的一第一顺序，每一层在一第二轴向分割成复数条线的一第二顺序，以及每一条线在一第三轴向的点的一第三顺序所组成。
[0012]进一步的，在上述彩色立体打印装置中，所述控制模块用于控制打印台在所述第一轴向上移动，且控制所述打印头在所述第二轴向及第三轴向上移动。
[0013]进一步的，在上述彩色立体打印装置中，所述温度和色彩对应表，用于记录所述热熔性材料对应不同的色彩所需的加热温度。
[0014]进一步的，在上述彩色立体打印装置中，所述温度和色彩对应表，用于记录所述热熔性材料对应不同的色彩所需的加热温度及加热时间。
[0015]进一步的，在上述彩色立体打印装置中，所述控制模块，用于依据所述色彩及温度和色彩对应表控制所述加热模块加热该热熔性材料的温度及时间。
[0016]进一步的，在上述彩色立体打印装置中，在所述热熔性材料供应模块中的热熔性材料成丝状；
[0017]所述打印头还包括一挤压模块，用于从所述热熔性材料供应模块接收丝状的热熔性材料，并施以一挤压力量至所述打印头的加热模块与挤型喷嘴。
[0018]进一步的，在上述方法中，所述热熔性材料为热塑型色彩不可逆塑料。
[0019]根据本发明的另一面，提供一种彩色立体打印方法，适用于一彩色立体打印装置进行一彩色立体工件的打印，所述彩色立体打印装置至少包括一打印台及一打印头，所述彩色立体打印方法包括:
[0020]建立一彩色立体工件的实体模型，其中，所述实体模型至少由复数个点及每一个点所对应的色彩所组成；
[0021]建立一温度和色彩对应表以记录一热熔性材料对应不同色彩所需的加热温度；
[0022]依照一预定顺序，读取复数个点中的一个点的坐标和该点所对应的色彩，并依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置，依据所述色彩及温度和色彩对应表加热该热熔性材料，并由所述打印头挤出所述热熔性材料。
[0023]进一步的，在上述方法中，所述预定顺序由所述实体模型在一第一轴向分割成复数个层的一第一顺序，每一层在一第二轴向分割成复数条线的一第二顺序，以及每一条线在一第三轴向的点的一第三顺序所组成。
[0024]进一步的，在上述方法中，依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置的步骤中:
[0025]依照该点的坐标控制所述打印台在所述第一轴向上移动，且控制所述打印头在所述第二轴向及第三轴向上移动。
[0026]进一步的，在上述方法中，所述温度和色彩对应表中还记录有热熔性材料对应不同的色彩所需的加热时间。
[0027]进一步的，在上述方法中，依据所述色彩及温度和色彩对应表加热该热熔性材料的步骤中:
[0028]依据所述色彩及温度和色彩对应表控制所述热熔性材料的加热时间。
[0029]进一步的，在上述方法中，所述热熔性材料为热塑型色彩不可逆塑料。
[0030]与现有技术相比，本发明通过建立一彩色立体工件的实体模型，其中，所述实体模型至少由复数个点及每一个点所对应的色彩所组成；建立一温度和色彩对应表以记录一热熔性材料对应不同色彩所需的加热温度；依照一预定顺序，读取复数个点中的一个点的坐标和该点所对应的色彩，并依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置，依据所述色彩及温度和色彩对应表加热该热熔性材料，并由所述打印头挤出所述热熔性材料，能够控制单一材质成型前的加热温度来改变其色彩，从而打印出彩色立体工件。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明一实施例的彩色立体打印装置中打印头的剖面示意图；
[0032]图2是本发明一实施例的彩色立体打印装置的立体示意图；
[0033]图3是本发明一实施例的彩色立体打印装置的模块图；
[0034]图4是本发明一实施例的彩色立体打印方法的模块图；
[0035]其中，100:彩色立体打印装置；110:打印台；112:彩色立体工件；120:打印头；122:挤型喷嘴；124:加热模块；126:挤压模块；128A, 128B:滚轮；129:挤压力量；130:热熔性材料供应模块；132，134:丝状热熔性材料；210:第一轴向；220:第二轴向；230:第三轴向；310:计算机辅助设计和制造模块；320:控制模块；400:流程图；410，420，430，440，450,460:步骤。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。值得注意的是，为了让本发明能更容易理解，附图仅为示意图，相关尺寸并非以实际比例绘示。这些实施例仅为本发明代表性的实施例，其中所举例的特定方法，装置，条件，材质等并非用以限定本发明或对应的实施例。
[0037]以熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)为例，一般会将要成型的工件，建立一实体模型(Solid Model)，比如在一个计算机辅助设计和制造模块(CAD/CAMmodule)中建立。且将此实体模型分为一层层极薄的截面，举例而言，比如在第一轴向上(例如Z轴)分割成一层层的截面。然后，生成控制打印头移动轨迹的二维几何信息，比如在第二轴向(例如X轴)上先分割成一条条的线段(垂直于X轴)，然后每一个线段在第三轴向(例如Y轴)上的所有点可以依照一定的顺序排列，比如从Y最大值到最小值的顺序，藉此就可以形成打印头移动的二维轨迹。打印头把热熔性材料(ABS树脂、尼龙、蜡等)加热到临界状态，呈现半流体性质，在控制模块的控制下，沿确定的二维几何信息运动轨迹，打印头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。当一层完毕后，透过垂直升降系统将打印台降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个工件的立体实体。
[0038]请参照图1，其绘示根据本发明实施例，一种彩色立体打印装置中打印头的剖面示意图。在本发明的某些实施例中，彩色立体打印装置100主要包括一打印台110，一打印头120及一热熔性材料供应模块130。打印台110用以承载欲成型的彩色立体工件112，并可以依需要上下移动位置。打印头120更包括一挤型喷嘴122 (extrusion nozzle), 一加热模块124，及一挤压模块126。而热熔性材料供应模块130，用以提供一热熔性材料132，比如为一丝状热熔性材料，或一丝状塑料。在本发明的某些实施例中，彩色立体打印装置中的热熔性材料供应模块130将丝状热熔性材料132提供给打印头120，打印头120中的挤压模块126，比如藉由二个滚轮128A，128B对于丝状热熔性材料132提供一挤压力量129，并且可以精确控制丝状热熔性材料132的挤出量。而加热模块124会依照控制模块(图中未示出)的指令，而加热来自挤压模块126的丝状热熔性材料132，到达指定的温度，并持续一指定的时间，而改变丝状热熔性材料132的颜色。变色后的丝状热熔性材料132，经由挤型喷嘴122挤出所需尺寸的丝状热熔性材料134，其中丝状热熔性材料134的尺寸小于丝状热熔性材料132的尺寸，以提高立体打印的分辨率。而打印头120亦会根据控制模块的指令，水平移动至指定位置，挤出所需色彩的热熔性材料。
[0039]在本发明的某些实施例中，上述的丝状热熔性材料132为热塑型色彩不可逆塑料，也就是一种可以依据加热温度及/或时间不同而改变色彩，并且不可逆的一种塑料。举例来说，热塑型色彩不可逆塑料可以是由石家庄纳伦化工科技有限公司所生产的多变色不可逆示温塑料(型号SW-M-1)，其精细度小于30微米，其温度与对应颜色如下:原色墨绿色，400°C—墨绿红，450°C—砖红色，500°C—酱紫色，550°C—淡灰绿色，600°C—芽绿色，其变色误差为±20°C，恒温时间约为10分钟。此种塑料可以依照不同的加热温度而呈现不同的颜色，所以可以用来成型彩色立体工件。然而，本发明所用的热熔性材料并不限于上述材料，可以是其他具有类似性质的材料，特别是恒温时间很短暂，变色温差更小的热熔性材料。熟习此技艺者应知，本发明的打印头组成并不限于上述的方式，立体打印的方法也不限于熔融沉积成型，任何可以控制熔融温度的立体打印方法，都可以应用于本发明中，诸如选择性雷射烧结，电子束融化成型等。而本发明的彩色立体打印装置及方法，将更进一步说明如后。
[0040]请同时参照图2和3，图2绘示根据本发明实施例，一种彩色立体打印装置的立体示意图。图3绘示根据本发明实施例，一种彩色立体打印装置的方块图。在本发明的某些实施例中，本发明的彩色立体打印装置及方法，首先对于欲打印的彩色立体工件，利用计算机辅助设计和制造模块310(如图3所示)建立3D实体模型。举例而言，可以利用计算机辅助设计和制造软件如Pro/E、SolidWorks、Unigraphics、AutoCAD等建立,或者透过其他方式如雷射扫描、计算机断层扫描，得到点云端数据后，也得建立相应的3D实体模型。值得注意的是，本发明中针对欲打印的彩色立体工件所建立的3D实体模型，除了记录相关的几何数据外，还包括实体模型中每一个点坐标所对应的色彩数据。
[0041]接着会利用计算机辅助设计和制造模块310(如图3所示)进行实体模型的离散处理:由于实体模型往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，比如曲线是无法完全实作的，实际制造时需要近似为极细小的直线段来模拟，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单实用，目前已经成为最常用的档案标准，用以和打印装置进行对接。它将复杂的模型用一系列的微小三角形平面来近似模拟，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小的选择则决定了这种模拟的精度。
[0042]接着利用计算机辅助设计和制造模块310 (如图3所示)进行实体模型的分层处理:需要依据实体模型的特征选择合适的打印方向，比如应当将较大面积的部分放在下方。随后成型的第一轴向210(比如高度方向Z)上用一系列固定间隔的平面切割被离散过的实体模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔可以小至亚毫米级，间隔越小，打印精度越高，但打印时间也越长。然后，生成控制打印头120移动轨迹的二维几何信息，比如在第二轴向220 (例如X轴)上先分割成一条条的线段(垂直于X轴)，然后每一个线段在第三轴向230(例如Y轴)上的所有点可以依照一定的顺序排列，比如从Y最大值到最小值的顺序，藉此就可以形成打印头120移动的二维轨迹。上述第一轴向210的各个截面，比如由下方至上方构成第一顺序，第二轴向220的各个线段，比如X最小值到最大值，构成第二顺序，第三轴向230的各个点，比如从Y最大值到最小值，构成第三顺序。由第三顺序的各个点，依序可以形成各线段，由第二顺序连接各个线段可以形成各截面的轮廓，由第一顺序将各个截面连接即可以构成彩色立体工件的实体模型。
[0043]如图3所示，控制模块320可以依照第三顺序，第二顺序，第一顺序，依序自计算机辅助设计和制造模块310取得各点的坐标及色彩数据，进而控制热熔性材料供应模块130，打印头120及打印台110进行彩色立体打印。控制模块320并依照所使用的热熔性材料，内建一温度和色彩对应表，记录热熔性材料对应不同之色彩所需的加热温度及加热时间。控制模块320控制素料供应模块130提供适当的热熔性材料132(如图2所示)给打印头120，并依据取得的点坐标控制打印头120的第二轴向(X轴)及第三轴向(Y轴)的位置，并控制打印台110的第一轴向(Z轴)位置。且控制模块320根据色彩数据，及温度和色彩对应表，控制加热模块124对热熔性材料132进行加热的温度，并藉由加热模块124与挤型喷嘴122控制加热时间，使得热熔性材料132达到所需的色彩，然后再控制挤型喷嘴122在对应位置挤出热熔性材料。依序打印出的点会构成线，进而构成面，并依序形成各截面的轮廓，最后迭加成彩色立体工件。
[0044]然而，熟习该技术者应知，上述的打印方式与顺序，仅为其中一实例，并非用以限制本发明，其他各种打印顺序都应在本发明的精神范围内，比如每个截面的打印顺序，可以依照相同色彩的点依序进行打印，比如先打印红色点，再打印绿色点，再打印黄色点等。再者，控制模块控制打印位置的方式，并非限定上述方式，亦可以控制打印台在X，Y轴方向移动，而打印头在Z方向移动，依照打印装置的设计而可以任意变更。
[0045]另外，打印头并非限定只有一个，也可以多个打印头，分别打印不同的热熔性材料以形成不同色彩，或者热熔性材料供应模块不只一个，可以提供多种基色之热熔性材料。而打印头除了打印彩色立体工件外，也可依需求打印某些截面所需的支撑件，以增加打印截面叠迭加时的稳定度。
[0046]请参照图4，其绘示根据本发明实施例，一种彩色立体打印方法的流程图400。综合上述的说明，本发明的彩色立体打印方法包括下列步骤。步骤410，建立彩色立体工件的实体模型，其中实体模型至少由多个点及每一个点所对应的色彩所组成。步骤420，建立一温度和色彩对应表，依据所使用的热熔性材料，记录热熔性材料对应不同色彩所需之加热温度及/或时间。步骤430，依照一预定顺序(比如前述的第三顺序，第二顺序及第一顺序)，读取各点的坐标与对应的色彩。步骤440，依照点的坐标控制打印台与打印头的位置。步骤450，并依据色彩及温度和色彩对应表，以加热热熔性材料(透过加热模块)。步骤460，待热熔性材料达成所需色彩，并由打印头挤出热熔性材料，进行立体打印。
[0047]藉由本发明的装置与方法，可以利用单一材质，控制其成型前的加热温度及/或时间，以改变其色彩，而打印出彩色立体工件。
[0048]藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明之特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明之范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请之专利范围的范畴内。虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本创作之精神和范围内，当可作各种之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。
【权利要求】
1.一种彩色立体打印装置，适用于一彩色立体工件的打印，其特征在于，包括: 打印台； 打印头，所述打印头至少具有一挤型喷嘴及一加热模块； 连接所述打印头的热熔性材料供应模块，用于提供热熔性材料至所述打印头，其中，所述热熔性材料根据不同温度而具有不同颜色； 计算机辅助设计和制造模块，用于建立所述彩色立体工件的实体模型，所述实体模型至少由复数个点及每一个点所对应的色彩组成；以及 连接所述计算机辅助设计和制造模块、打印台及打印头的控制模块，所述控制模块具有一温度和色彩对应表，所述控制模块用于依照一预定顺序，从所述计算机辅助设计和制造模块读取复数个点中的一个点的坐标和该点所对应的色彩，并依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置，依据所述色彩及该温度和色彩对应表控制所述加热模块加热所述热熔性材料，并由所述挤型喷嘴挤出所述热熔性材料。
2.如权利要求1所述的彩色立体打印装置，其特征在于，所述预定顺序设定于所述计算机辅助设计和制造模块中，所述预定顺序由所述实体模型在一第一轴向分割成复数个层的一第一顺序，每一层在一第二轴向分割成复数条线的一第二顺序，以及每一条线在一第三轴向的点的一第三顺序所组成。
3.如权利要求2所述的彩色立体打印装置，其特征在于，所述控制模块用于控制打印台在所述第一轴向上移动，且控制所述打印头在所述第二轴向及第三轴向上移动。
4.如权利要求1所述的彩色立体打印装置，其特征在于，所述温度和色彩对应表，用于记录所述热熔性材料对应不同的色彩所需的加热温度。
5.如权利要求1所述的彩色立体打印装置，其特征在于，所述温度和色彩对应表，用于记录所述热熔性材料对应不同的色彩所需的加热温度及加热时间。
6.如权利要求5所述的彩色立体打印装置，其特征在于，所述控制模块，用于依据所述色彩及温度和色彩对应表控制所述加热模块加热该热熔性材料的温度及时间。
7.如权利要求1所述的彩色立体打印装置，其特征在于，在所述热熔性材料供应模块中的热熔性材料成丝状； 所述打印头还包括一挤压模块，用于从所述热熔性材料供应模块接收丝状的热熔性材料，并施以一挤压力量至所述打印头的加热模块与挤型喷嘴。
8.如权利要求1所述的彩色立体打印装置，其特征在于，所述热熔性材料为热塑型色彩不可逆塑料。
9.一种彩色立体打印方法，适用于一彩色立体打印装置进行一彩色立体工件的打印，其特征在于，所述彩色立体打印装置至少包括一打印台及一打印头，所述彩色立体打印方法包括: 建立一彩色立体工件的实体模型，其中，所述实体模型至少由复数个点及每一个点所对应的色彩所组成； 建立一温度和色彩对应表以记录一热熔性材料对应不同色彩所需的加热温度； 依照一预定顺序，读取复数个点中的一个点的坐标和该点所对应的色彩，并依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置，依据所述色彩及温度和色彩对应表加热该热熔性材料，并由所述打印头挤出所述热熔性材料。
10.如权利要求9所述的彩色立体打印方法，其特征在于，所述预定顺序由所述实体模型在一第一轴向分割成复数个层的一第一顺序，每一层在一第二轴向分割成复数条线的一第二顺序，以及每一条线在一第三轴向的点的一第三顺序所组成。
11.如权利要求10所述的彩色立体打印方法，其特征在于，依照该点的坐标控制所述打印台与打印头的位置的步骤中: 依照该点的坐标控制所述打印台在所述第一轴向上移动，且控制所述打印头在所述第二轴向及第三轴向上移动。
12.如权利要求9所述的彩色立体打印方法，其特征在于，所述温度和色彩对应表中还记录有热熔性材料对应不同的色彩所需的加热时间。
13.如权利要求12所述的彩色立体打印方法，其特征在于，依据所述色彩及温度和色彩对应表加热该热熔性材料的步骤中: 依据所述色彩及温度和色彩对应表控制所述热熔性材料的加热时间。
14.如权利要求9所述的彩色立体打印方法，其特征在于，所述热熔性材料为热塑型色彩不可逆塑料。`
【文档编号】B29C67/00GK103817935SQ201410053587
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】虞立, 蔡世光 申请人:英华达（上海）科技有限公司, 英华达(上海)电子有限公司, 英华达股份有限公司