基于逐层光固化的全彩壳层3D打印机及彩壳物件的制作方法

本发明属机械—光电技术领域。确切的讲是借助于多喷嘴喷射逐层固化成型mjp(multijetmodelingpringting)及立体光固化成型sla(stereolithographyappearance)，采用逐层构建方式，通过sla、3dp方式包裹或外露该薄层，由彩色墨料喷嘴生成彩色壳层，而形成彩色夹层的全彩3d打印方法及打印彩壳物件。

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背景技术：
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3d打印的总体历史发展概况：

1986年美国博士charleswhull在其一篇论文中提出使用激光照射光敏树脂表面，并固化制作三维物体的概念。之后，charleswhull申请相关专利。harleshull开发了第一台商业3d印刷机。1986年便出现sla的雏形，sla是最早提出并实现商业应用的成型技术。1988年，3d打印行业巨头3dsystems公司根据sla成型技术原理制作世界上第一台sla打印机。

3d打印机——sla250，并将其商业化。自此，基于sla成型技术的机型如雨后春笋，相继出现。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3d打印飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3d打印机打印出人造肝脏组织。

2012年formlabs团队在众筹平台推出了一款基于sla成型技术的3d打印机——form1，并在该平台发起众筹以筹集资金。

2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ono之神”的3d打印艺术品。2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3d打印公司“固体概”(solidconcepts)设计制造出3d打印金属手枪。[2]2017年1月16日，科技公司bellus3d可完整拍下高分辨率的人脸3d照片，这些照片进行3d打印出的面具与真正的人脸。

2017年4月7日，德国运动品牌阿迪达斯(adidas)推出了全球首款鞋底3d打印制成的运动鞋，计划2018年开始批量生产，以应对快速变化的时尚潮流，生产更多定制产品。时至今日，研究和生产sla技术的组织、企业、团队已然众多。国内相关机构有华中科技大学、西安交通大学、珠海西通、智垒等；国外有3dsystems公司、eos公司、zcorporation、cmet公司、d-mec公司、teijinseiki公司、formlabs公司等。

已成功打印一辆f1赛车日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3d打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3d打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3d打印机是可以“打印”出真实的3d物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3d立体打印技术。3d打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3d打印常用材料有尼龙玻纤、聚乳酸、abs树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

3d制造技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用sla原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。sla技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

光固化3d打印机基本构造包括以下组件：机械系统：保持及调整升降台高度的机械装置；包括电机、z轴导轨、丝杠及传感器等部件。

控制系统：采用电子技术，保持整个系统运行及控制。对于sla还有，保持及调整升降台高度的机械装置、树脂刮板的驱动装置及树脂液面的高度控制装置。

结构壳体：使用钣金、塑料等材料，将各个组件固定安装在壳体内部。

光固化3d打印分2种：

*多喷嘴喷射逐层固化成型mjp(multijetmodelingpringting)及

*立体光固化成型sla(stereolithographyappearance)。

多喷嘴打印(mjp:multijetmodeling(pringting))：

mjp是一种新的快速成型工艺，它能够提供光滑、高分辨率和具有复杂几何形状的塑料件。整个过程只需要uv灯和光敏材料。该技术最早起源于：三维印刷(3dp)工艺的3d打印技术。是美国麻省理工学院emanualsachs等人研制的。e.m.sachs于1989年申请了3dp(three-dimensionalprinting)专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。之后美国的3dsystems品牌，将上述“非成形材料微滴喷射”改变为：“光敏树脂类的成形材料微滴喷射，结合光固化进行逐层类似印刷成型”,因而生成另一类彩色打印技术及商业机型：如3dsystems品牌的型号:projet3600机型。

多喷嘴打印(mjp:multijetmodeling(pringting))原理性技术概况：

基础打印过程：英国工程师“打印”出无人飞机三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是stl文件格式。一个stl文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。ply是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的vrml或者wrl文件经常被用作全彩打印的输入文件。

切片处理：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度(即z方向)以及平面方向即x-y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如objetconnex系列还有三维systems'projet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

完成打印：三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样)，要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。

应用多喷嘴打印(mjp:multijetmodeling(pringting))原理的打印机有：projet3600机型，该机型采用的方法与基于“激光振镜扫描固化”及基于“lcd、dlp光固化”的slasla(stereolithographyappearance即立体光固化成型法)技术原理的3d打印机的原理不同，无需沉寖成型物件的储液槽及铺粉，而是工作时打印机采用了3dp技术路线层层堆叠出三维物件，成型物料及支撑材料都是由喷嘴直接喷出；喷嘴将一层极薄的液态光敏树脂喷涂在升降台上，此涂层然后被置于紫外线下进行固化处理。之后升降台下降一段极小的等于一个切层的高度，以供下一层的堆叠操作，周而复始。安装在打印头上的嘴分为2类：成型物料喷嘴及支撑材料喷嘴，其中支撑材料喷嘴所喷射的支撑材料，最终使用溶剂从成型物件上被去除。

每一层的喷涂，打印头的2维的平面运动，是由独立的正交的x导轨y来实现，2根导轨水平正交放置，也可以是通过1个固定垂直轴的连杆驱动1个垂直动轴的双轴铰链构造，获得打印头的平面位移。一般打印头同步驱动2中喷嘴，喷嘴距打印切片的成型表面的距离在1毫米之内。由于多喷嘴喷射已经是按物件切片的选择性的喷射，因而固化光源的照射位置无需选择，用大面积的紫外光普照在整个切片的面上，使得喷有待固化的材料部位被固化了；这样就无需激光扫描或dlp/lcd等区域选择性的光阀光源。结构被简化。最后，这种工艺打印完成之后，然后再进行对物体的清理。这样就可以实现一个完成清洁的物体，将原型从树脂中取出后，进行最终固化，当然还需要二次加工，通常我们先将支撑点，也就是打印的物体附加的结构进行分离或者用工具、溶剂去除，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

表性的公司及产品：国外有3dsystems公司、eos公司、zcorporation、cmet公司、d-mec公司、teijinseiki公司、formlabs公司等。3dsystems公司在sla技术研究领域起步最早，相应生产的机型也众多，如：projet1500、objet3600以及在欧洲模展上推出的prox800等。

时至今日，中国国内研究和生产mjp、也只有山东青岛尤尼科技公司。

立体光固化成型法sla：(stereolithographyappearance)：

sla是30多年前，3d打印面世那天，就是从光固化技术sla立体光刻技术开始的。1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺，现在的快速成型设备中，以sla的研究最为深入，运用也最为广泛。

(lcd、dlp光固化)sla发展历程

1990年代，激光sla发展十多年后才有lcd、dlp固化3d技术，dlp、lcd光固化打印技术是连续曝光，一个是面成型，理论速度达到激光振镜方式的百倍。dlp、lcd的面成型促成了很多有特色的机器，例如很多珠宝级的机器只能用dlp的原理，才能达到100微米以下的精度。sla固有光源亮斑太大，或者小亮斑扫描时间太长，不适合超高精度及快速打印，dlp限制了大尺寸打印的可能性，因为几乎所有dlp都是用德州仪器的dmd芯片一直停留在1280分辨率左右。于是很多dlp机器要么打印大而粗糙，要么小而精细。因为x轴上那区区1000个像素，拉大了就颗粒粗，精细了就范围小；y轴同理。

lcd固化技术稍晚于dlp技术。因为显示技术包括面板和投影两大类，都是十多年前发展的。dlp恰好能够承受和处理405nm的光波，于是有了3d打印的dlp技术。同理，少数lcd面板也能忍受405nm紫外，于是有了lcdmasking这个技术。

立体光固化成型法sla：(stereolithographyappearance)技术原理：

基于激光振镜扫描固化的3d打印机的原理：

光固化主流技术，第一代sla，利用紫外激光器(355nm或405nm)为光源，用振镜系统来控制激光光斑扫描，激光聚焦到存储于储料槽中的光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，扫过之处的液体树脂薄层就选择性的固化了，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

在每一层固化前要使用树脂刮板；因为光敏树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。

树脂液面高度控制装置是控制液面高度的稳定，一般使用与升降台反向移动的浮筒作与升降台反向的位移，下降的升降台所导致的液面的上升，将被浮筒的上升所导致液面下降所抵消。

温度控制装置：采用加温装置，配合传感器及控制系统，使得树脂的温度保持在预定的范围内，且恒温。

当然，事先需要通过cad设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；其次，激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后，升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。

当然升降台是升或降有2种方案选择，所有光固化技术的z轴方向分为两种方案：桌面型都是光源在下，通过窗口和离型膜，成型往上拉出来，但液面需要离型膜；工业大型的都是光源在上，成型下沉到液面以下，液面不需要离型膜。

最后，这种工艺打印完成之后，然后再进行对物体的清理。这样就可以实现一个完成清洁的物体，将原型从树脂中取出后，进行最终固化，当然还需要二次加工，通常我们先将支撑点，也就是打印的物体附加的结构进行分离或者用工具去除，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

sla技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用sla原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。sla技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

基于dlp及lcd面光源成像固化的3d打印机原理：

dlp及lcd紫外数字投影技术，利用405nm光源，通过德州仪器的数字微镜技术，选择性的将面光源投射到液态树脂使之固化。其中dlp技术包括大名鼎鼎的速度快100倍的clip连续打印技术。

从激光扫描到数字投影的dlp，再到最新的lcd一种新的固化技术，就是使用dlp及lcd的光学像素点阵来代替原来的激光振镜扫描系统。其分光源波长可以延伸到可见光范围，一个是405nm紫外，一个是400-600nm可见光。lcd掩膜光固化：用405nm紫外光(和dlp一样)，加上lcd面板作为选择性透光的技术，是lcd掩膜技术(lcdmasking)或者行业里有很多各自的名字，例如选择数字光处理液晶dlp技术，紫外掩膜固化等等。

lcd掩膜技术从2013年就有人开始研制。有兴趣可以搜到最早的创客用普通电脑lcd显示器去掉背光板，加上405的led灯珠做背光，试着打印uv树脂。z轴的解决方案无非是滑块，丝杠和步进电机，电机驱动板都可以用单片机类或者目前fdm最流行的ramps板解决方案。lcd的驱动其实和所有显示器的驱动一样，vga或者hdmi接液晶驱动板再接lcd面板，背光用405nm灯泡或者led阵列，加菲林镜片来均匀分布光照。可见光固化：另一种就是visiblelightcure，简写vlc，完全放弃以前所有光固化必须使用紫外光的条件，使用普通光(可见光，405nm-600nm)就可以使树脂固化，实现打印。按原理区分就是光源再一次升级，用普通的lcd显示面板，不加任何改装或改背光，直接作为光源。当然，可见光固化不只局限于lcd屏幕，可以扩展到任何显示器(等离子，crt，背投，led阵列，oled)和任何投影(dlp，3lcd，simplelcd，lcos)以及其他任何显示技术(激光扫描成像，光纤阵列等等)。

机器代号或者厂家包含：wanhao、kld1260、yld01、斯泰克、zhiyao、诺瓦、easy3d.....当然还有其他不同解决方案。主要取决于采用不同屏幕作为透光的掩膜，lcd下面一般都是405led灯作为背光。这里大家自行搜索吧。

采用2k屏幕的，这里不得不提到lcd技术的一个硬伤：光效率没有dlp高。但凡通过加大405nm灯的亮度来达到更多光通量，或者普通光通量的可见光lcd配合高敏感树脂，得到的固化速度不能和dlp的成型速度相比的。有个实际参考值，同样100微米厚固化，dlp是零点几秒到几秒，405nm紫外lcd或者可见光lcd需要十几秒到几十秒来固化。这里引出一个新的解决方案，用dlp以外的投影加上可见光技术达到一秒以内的高速度，投影可以同时达到高速度，大尺寸，高精度，还有低成本。简直完美，但目前还没有商业化。

综上所述，sla赛跑起步较早，但发展受核心器件和专利制约。dlp起步较晚，但越来越体现出其强大优势，唯一的问题是这架马车只有德州仪器一人驾驭。lcd起步更晚，只是萌芽，还触及不到主流设备的门槛，相关技术成熟度高，未来将奋起直追。当然，光固化技术，核心问题光源之外，还有软件，自动化，应用和工业很多配套问题。另一个核心问题，光固化树脂，也是一个核心技术。

sla技术的优势：光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。由cad数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具使cad数字模型直观化，降低错误修复的成本。同时打印多个零件不牺牲速度。因为这个和dlp技术一样，是面成型光源。

sla技术的缺陷：sla系统造价高昂，使用和维护成本过高。sla系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高。软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。

dlp及lcd光源与激光光源相比的一些缺点：lcd可选范围很少：这个技术关键部件lcd，需要对405光有很好的选择性透过，还要经得住几十瓦405led灯珠的数小时高强度烘烤，还有散热和耐温性能的考验。所以不是每款lcd屏都能用的上。以上解决方案已经解决lcd选择这个重要问题了。同时，建议用户做好烧毁lcd屏虚更换的心理准备。这个lcd屏是易耗件。

时至今日，中国国内研究和生产sla技术的组织、企业、团队已然众多。国内相关机构有华中科技大学、西安交通大学、珠海西通、智垒等；有西通光固化3d打印机、铭展mbotform13d打印机、atsmake3d打印机等。

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技术实现要素：
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本发明目的：

解决无铺粉的3dp/sla技术都无法生成真实彩色打印物件的问题，克服用于构建打印物件的树脂材料无法互相扩散混合成全彩色，而彩色uv墨水虽然易于扩散混合全彩色，但如果作为构建打印物件的材料而言，其一方面理化性能差，另一方面，即使将构建打印物件的树脂材料以微量喷出，满足各色堆积的视觉均匀混色的目的，堆积构建打印物件切片的速度将大大降低，打印物件的时间也将无法承受，且也克服了由于喷射彩色uv墨水的打印头的高分分辨率对打印速度限制；再有，要克服成型物件的反角度表面(按照北上南下的规则，南半球属于反角度表面)无法着色的问题。

解决目前sla技术都无法生成彩色打印物件的这一缺陷。而且这一缺陷无法使用简单的补喷uv墨水的方法解决：因为料池存放的单一颜色的树脂液料就在原理上就限定了彩色的实现；如果简单的在成型物件的边界额外的喷涂颜色，就会导致2个难题：首先，要想使彩色墨水覆盖成型物件的表面，就需要在切片边界处的额外喷涂色料，固化后的残余墨水就会污染整个树脂液料；其次，对于成型物件的反斜角的表面，将面临着对颜料墨水铺层的直接固化，如果固化深度太浅则产生残留物料污染，如果太深则被固化的料池树脂遮盖成型物件的表面；再有色墨水彩层之间的无缝连接也是一个障碍！因而必须采取创新的技术思路及手段才能达到表面着色而又不产生其他不良影响。

本发明特点：

结合喷绘技术及合理的安排彩色壳层的位置，附加构造简单、成熟、运行可靠及色彩细腻、色分辨率高，更重要的是对色墨水的自身强度、牢固度等特性的要求大大的放宽了，如果将彩色壳层的位置安排在打印物件的深层内部时，在透明打印材料的衬托下，可以表达内部构造。

技术关键为：

本发明分为：彩色壳层是由喷绘彩色的方式逐层建立起来的，又分为：

*喷绘彩色夹层方案和*喷绘彩色表层方案。

支持该方法的硬软件包括：运动机械系统、控制系统、供墨系统、投射光系统、光固化材料和分层软件。通过对打印物件的逐个切层的光固化，同时逐个切层的将彩色uv墨水覆着于打印物件表面或夹层于打印物件的内部，形成彩色壳层；因而将打印物件的彩色壳层的打印与其余部分的打印分别使用微量(单位时间喷量少)的打印喷头及相对大量(单位时间喷量大)的打印喷头来完成，即能同时满足打印物件结构部分的快速打印的需要又能满足打印物件彩色壳层的扩散细微分辨率的需要；开创喷绘彩色夹层方案或喷绘彩色表层方案的工作流程，创造性的提出“彩色墨水壳层”概念，使得构建树脂材料包裹“彩色墨水壳层”，当打印物件的浅表(含深部)或表面获得真实彩色壳层后，完美的彩色三维打印品将被展现出来。

多喷嘴打印技术(mjp:multijetmodelingpringting)的结构特点为：

多喷嘴打印头(组件)的喷嘴包含3类喷嘴：用于生成彩色壳层彩色墨料喷嘴、用于生成物件主体的成型物料喷嘴及用于生成支撑的支撑材料喷嘴，每类喷嘴的喷孔数量不少于1个，至少需要拥有3类储料盒：色墨储墨盒(6)、成型储料盒(7)及支撑储料盒(8)。或2类储料盒：色墨储墨盒(6)、成型储料盒(7)；可以由成型储料盒(7)的成型物料喷嘴兼顾喷涂支撑构造部分，最后机械去除支撑构造部分，而省略去支撑材料喷嘴等，简化了多喷嘴打印头的结构，但去支撑难度增加了。

多喷嘴打印技术的打印装置的重要部件还包括：升降台、结构部件、电子控制系统，具体连接关系为：通过机械系统保持升降台与多喷嘴打印头之间产生可控的3维相对运动，多喷嘴打印头(1)与色墨储墨盒(6)、成型储料盒(7)及支撑储料盒(8)之间是通过输液管(9)相连；它们之间是分体化安装，或是一体化安装的紧凑结构。其它的部件温度控制装置及电子控制等，都是常规技术，无需复述。

在使用喷绘彩色夹层方案中，成型物料的储料盒a(7)中必须储有：透明物料或浅色半透明的物料。而在喷绘彩色表层方案中无需要求这样，任意颜色的材料均可以使用。而电子控制系统的执行指令采取了本发明的：喷绘彩色壳层方案或喷绘彩色表层方案的工作流程，成型物件为带有喷绘彩色壳层的成型物件。

喷绘彩色夹层方案或喷绘彩色表层方案的工作流程：

2个方案都有其共同部分，与通用3d打印过程一样，预先需要对待打印的物件的cad图像数据进行3维建模并切片，形成切片文件，再输入到3d打印机中，并启动打印机。

首先：控制系统确立升降台与多喷嘴打印头喷嘴的相对位置，使得喷嘴与升降台的底部的距离在1个—2个切层高度左右；然后再由多喷嘴打印头的支撑材料喷嘴喷涂支撑材料进行打底切层铺设(往往是需要1-8层)。

接下来就开始构建彩色成型物件的首个切层：

对于喷绘彩色夹层方案的切层构建包含：由成型物料喷嘴喷涂的外围围墙、内体部分，但外围围墙部分一定使用透明或半透明树脂料，支撑材料喷嘴在需要的支撑部分位喷涂支撑材料，完成除了彩色夹层以外的的阶段性的切层构建内容。

而对于喷绘彩色表层方案的切层构建包含：由成型物料喷嘴喷涂的内体部分及由支撑材料喷嘴除了在需要的支撑部分位喷涂支撑材料外还需要喷涂构建外围围墙部分，完成除了彩色壳层以外的喷涂过程的阶段性的切层构建内容。

接下来的4种模式是完成光固化及彩色壳层的喷涂铺设过程：

第1种模式：同步固化------先用彩色墨料喷嘴对围墙与内体之间的狭缝间隙进行彩色墨水的喷涂后进行一次性的光固化处理，但彩色墨水的对已经铺设内容产生冲击。

第2种模式：异步固化1-------先对上述已经喷涂铺设内容(围墙与内体)进行光固化，形成了较为坚实的狭缝凹陷的间隙，再使用彩色墨料喷嘴对围墙与内体之间的进行彩色墨水的喷涂后再次进行光固化处理。

第3种模式：异步固化2--------使用彩色墨料喷嘴在平整的基础上喷涂，建立并固化彩色矮墙；再在彩色矮墙的2侧喷涂铺设内容(围墙与内体)后，再进行光固化，形成了较为坚实的围墙与内体来包裹彩色矮墙。

第4种模式：混合模式-------兼顾模式1-2-3，灵活处理，目的是获得尽可能高的速度及彩色效果。

完成上述1层完整切层的打印后，控制系统驱动升降台与多喷嘴打印头喷嘴的间距增加1个切层的高度，为下一切层的打印做好准备。重复上述过程，1层层的终而复始的铺设，直至整个成型物件的完成，最后除去支撑材料，光滑化处理表面，获得完美的全彩3d物品。

进一步：我们将彩色墨料喷嘴对围墙与内体之间的狭缝间隙进行彩色墨水的喷涂的称为：喷涂建立墨水子层：围墙及喷涂的“彩色壳层”，的厚度为毫米数量级。由于彩色墨水的颜色光波长的吸收特性不同，往往不易被堆积过高的厚度，这就需要减薄厚度，多层墨水子层堆叠成物件切层的厚度，在对每一喷涂的墨水子层进行光固化，当然如果物件切层本身就很薄，就不用选取多层子层啦。子层与打印切层的数量比可以是是1:1的关系，打印速度最快；2层及2层以上的情形下，打印速度有所下降。对于1个打印切层来说，子层是单层的厚度与切层相同，或者子层是多层堆叠的，物1层或2-10层的厚度等于1个打印的切层厚度。

进一步：喷绘彩色表层方案与喷绘彩色夹层方案除了上述不同之外，另一个差别在于：成型物料的储料盒a(7)中的物料，成型物料不必被选取为透明物料或浅色半透明的物料为必要条件，对物料的色泽不需要再加以限制。

进一步：对于喷绘彩色表层方案，支撑树脂物料所打印的外围围墙部分的位置是超出实际打印物件切层的边界(打印物体的实际大小为：于喷绘彩色表层物件的几何大小)，将形成一个包裹整个成型物件建立在彩色表层上的外围“支撑壳层”，去掉支撑的剥离时将冲击彩色表层，加大了对彩色墨料的理化性质的要求，需要材质坚固、与成型物料结合牢固，酸碱中抗溶性优良。“支撑壳层”不需要是闭合的，主要是用于解决反角度表面(按照北上南下的规则，南半球属于反角度表面，曲面指向外侧法线方向与垂直的向上的方向的2矢量的夹角大于90度的表面部分)无法着色的问题，该支撑部分也作为承载彩色墨料的支撑部分，同时对于正角度表面(上述2矢量的夹角小于90度的表面部分)，起到了遮盖、保护及助于保持彩色墨料的扩散覆着于物件的表面。

立体光固化成型法sla：(stereolithographyappearance)的结构特点为：

分为储料槽载体方案或传送带载体方案。

储料槽载体方案：

在技术原理上继承了：是光源在上，固化成型液面暴露在上方，不需要表面离型膜，固化成型层下沉到液面以下。因而支持本发明的硬件系统包括：dlp、lcd数字光学投影装置或激光振镜扫描装置；储料槽、升降台、树脂刮板、树脂液面高度控制装置、温度控制装置及电子控制系统。

该打印装置的具体连接关系：

用于喷绘彩色墨水的彩色喷汇头(1)安装在可以作2维平面运动的垂直平行轴运动合成的机构上，他们是由运动转动轴a(4)及固定转动轴(6)共同组成的平面运动系统；储墨盒(3)通过输墨管(2)向彩色喷汇头(1)传输彩色(uv)墨水；

在电机的驱动下，升降台支架(19)支撑着升降台(14)承载着成型物件(12)每次下降1个打印切层的高度，形成了升降运动方向(11)是垂直方向的；为保证树脂液面的平整度，升降台(14)每次下降之后树脂刮板(15)沿着刮板的运动方向(16)所示的的水平方向运动，以刮平液面。树脂刮板(15)是选择性部件，可用可不用。

储料槽(10)的液面高度控制装置是由浮筒(17)及控制浮筒垂直高度的驱动装置构成，而形成了浮筒位移方向(18)所示的垂直方向，工作时需要保持液面高度的稳定性。

每一层的固化是由：振镜(7)偏转激光器(9所发出的)激光束(8)按照打印物件的切片模型扫描液面，如液面光固化瞬时作用点(13)所示。

彩色夹层是在完成上述2个相邻的打印切层之间的时间段完成的：在升降台底层或前层(21)上建立墨水子层(22)，该子层的位置靠近打印物件的边缘，该边缘就是未来成型物件的表面浅部(约：20---100丝米深度)，基本上就是人们观察视线的成型物件的外表部分；因而储料槽(10)的树脂必须是透明或浅色的；由于在无旁边支撑的情况下，墨水靠其自身的表面张力无法支持太高的高度，因此往往需要2层或2层以上的子层的铺设，墨水子层表层(23)的铺设就是这样的需要，当1到多层(最多10层)的子层铺设完毕后，由固化光子层选择性固化光(24)进行根据彩色夹层的子切层的图片进行扫描固化，且该固化的光所覆盖的面积必须超出子切层的面积，进行完全过盈固化，否则即将的刮平过程将刮走未固化的彩色墨水而污染料池；之后升降台(14)下降1个打印切层的高度，树脂液层(25)的树脂液层液面高度(26)浸没刚刚固化的子切层的顶部，同时树脂刮板(15)再次刮平液面；子层是1层或2-10层，可以是等宽度喷绘(指的是：各个子层都是等宽度的)或是交错喷绘；交错喷绘的目的是使彩色夹层的子切层能充分遮盖成型物件内部，需要在为固化子层上方的透明树脂上再铺设1层子层，该子层要宽于下面的1层子层，由于重力及扩散的作用，在相对较短的固化了的下一层子层的非全面支撑下，该子层将会弯曲。详细表述为：在固化子层上方的透明树脂上再铺设1层子层，该子层要宽于下面的1层子层的宽度，由于重力及液体扩散的作用，该子层将会弯曲，而遮挡从表面看透内部的视线，使彩色夹层能充分遮盖成型物件表面。

然后按照打印物件切片的图形，形成打印层选择性固化光(28)完成本切片的固化。循环往复，直至打印完整个物件。

进一步：储墨盒(3)、输墨管(2)及彩色喷汇头(1)可以是分体的或是一体化的，无需分离的输墨管及储墨盒的喷绘装置构成。

进一步：储料槽(10)的液面高度控制装置是由浮筒(17)或是采用在壁上所开有的液面部位的孔，当下降升降台(14)每时，由于结构组件的浸入，液面会上升一定高度该孔起到了的自溢作用，保持了液面的高度。

进一步：子层的数量是物件切层数量的2倍或2倍以上10倍以下，或者子层的数量与物件切层数量相等，此时增加了打印速度，但是降低了彩色品质，尤其在透光方面上。

传送带载体方案：

在技术原理上继承了：美国3d-system公司传送带的运载光敏树脂液的思路。支持本发明的硬件系统包括：dlp、lcd数字光学投影装置或激光振镜扫描装置或非相干的面固化光源；升降台、墨水喷绘组件、温度控制装置及电子控制系统。

该装置组件之间的具体连接关系：与储料槽载体方案相比，该方案省去了储料槽，固化光线(44)使用非相干的固化光源(43)进行无选择的全面光照；由储墨盒(32)通过输墨管(33)向喷汇头(30)输送uv墨水，当喷绘头沿着导轨(35)进行如喷绘头位移方向(34)所示的往复运动时，会在被滚筒固定转轴(40)约束的滚筒(41)驱动下的透光传送带(42)上按成型物件的切片喷涂出彩色墨水，形成喷涂物件切片(45)，经过透光传送带(42)的传送，被传送到承载成型物件(37)的升降台(36)的下方，如待固化物件切片(39)所示；该升降台在电机的驱动下可以沿着垂直方向上下位移，如升降台位移方向(38)所示的方向；当需要固化切片时，升降台下降1层打印切片的高度，贴近透光传送带(42)上，并保持贴靠所喷涂的墨水，进行完光固化后，升降台上升一定的的高度，为下一次切片固化作准备。

杂物刮板(46)的前端靠紧透光传送带(42)，是用来清洁透光传送带(42)的杂物，所刮掉的杂物的掉落方向如：杂物下落方向(31)所示。

其它的温度控制装置及电子控制系统等，都是常规技术，无需复述。

进一步：固化光线(44)可以使用非相干的固化光源(43)进行无选择的全面光照或是使用激光扫描、dlp及lcd的选择性光照的光源，可以克服由于透光传送带(42)的不平整或墨量的不均匀一致所造成的，成型切片的待固化的切层的外形误差。

进一步：储墨盒、输墨管及彩色喷汇头可以是分体的或是一体化的，无需分离的输墨管及储墨盒。

进一步：对于以上各个方案中所述升降台、喷绘头及浮筒的驱动，是电动或气动或液压驱动

进一步：所述清洁透光传送带(42)的杂物是使用杂物刮板(46)的或使用气体、液体冲刷，或震动的非接触方式来实现。

基于逐层光固化的全彩壳层3d打印法所生成的彩壳物件：

彩壳物件分为彩色夹层物件和彩色表层物件：

彩色夹层物件，是指彩色壳层(简称彩壳)是以彩色夹层方式与结构物料结合，整个彩壳被结构物料包裹起来，完全处于结构物料的内部，的位置也可以安排在打印物件的深部，用来表达内部结构，裸露在最外层的结构物料必须是透明的或半透明的，不应遮挡光线。

彩色表层物件，是指彩色壳层(简称彩壳)是以彩色表层方式与结构物料结合，整个彩壳包裹结构物料，结构物料完全处于彩色表层的内部，而彩色表层又被支撑物料包裹；支撑物料最后被使用溶剂溶解除去，最终彩色表层暴露在最外表。

本发明的有益效果：

对于多喷嘴方案：彩色壳层方式的提出将使通用彩色墨水对三维物体表面着色的实现提供了理论及方法上的可行依据，更适合于将综合理化性能欠佳的而混合特性优良的墨料，易于喷涂在由成型物料及支撑材料预留的，由外围围墙、内体部分及所围成的微小的凹缝隙内，而采取壳层方式有能着色物件反斜角的表面，最终能达到表面着色而又不产生其他不良影响。

储料槽载体方案：将使彩色物件实现，不会产生未固化的残余墨水而污染整个树脂液料；而采取夹层方式有能着色物件反斜角的表面，最终能达到表面着色而又不产生其他不良影响。

传送带载体方案：将能省去储料槽，甚至省去选择性的投射光，而彩色夹层又可以直接暴露在成型物件的表面上，而且省去了3dp光固化方案中的支撑材料，彩色物件的真实感更加逼真。

[附图说明]

图1基于全彩壳层的3dp全彩3d打印装置主要构件示意图

图2彩壳物件的彩色夹层物件和彩色表层物件的对比示意图

图3储料槽载体方案的喷绘彩色夹层的sla全彩3d打印装置示意图

图4由子层所构建的彩色夹层的堆叠方法示意图

图5传送带载体方案的喷绘彩色夹层的sla全彩3d打印装置示意图

标号说明：

(1)多喷嘴打印头(可以是一体化的，无需分离的输墨管及储墨盒)

(2)丝杠

(3)导向柱体

(4)z轴电机

(6)色墨储墨盒

(7)成型储料盒

(8)支撑储料盒

(9)输液管

(10)升降台

(11)升降运动方向

(12)成型物件

(13)运动转动轴

(14)固定转动轴

(15)升降台打底层

(16)升降台支架

(17)固化光

(18)结构壳体

(19)支撑材料喷嘴、彩色墨料喷嘴、成型物料喷嘴

(20)紫外线固化灯

(21)内体

(22)墨水子层

(23)彩色壳层

(24)彩色壳层

(25)彩色内容

(26)支撑围墙

(27)透明围墙

(28)支撑构造

(29)物件内空

(30)

(31)围墙局剖

(32)围墙局剖

(33)打底层

(34)打印切层

(41)彩色喷汇头(可以是一体化的，无需分离的输墨管及储墨盒)

(42)输墨管

(43)储墨盒

(44)运动转动轴a

(46)固定转动轴

(47)振镜

(48)激光束

(49)激光器

(50)储料槽

(51)升降运动方向

(12)成型物件

(53)液面光固化瞬时作用点

(54)升降台

(55)树脂刮板

(56)刮板的运动方向

(57)液面高度控制装置(或自溢式：自溢孔)

(58)浮筒位移方向

(59)升降台支架

(61)升降台底层或前层

(62)墨水子层

(63)墨水子层表层

(64)子层选择性固化光

(65)树脂液层

(66)树脂液层液面高度

(67)初始液面高度

(68)打印层选择性固化光

(70)喷汇头

(71)杂物下落方向

(72)储墨盒

(73)输墨管

(74)喷绘头位移方向

(75)导轨

(76)升降台

(77)成型物件

(78)升降台位移方向

(79)待固化物件切片

(80)滚筒固定转轴

(81)滚筒

(82)透光传送带

(83)固化光源

(84)固化光线

(85)喷涂物件切片

(86)杂物刮板

[最佳实施例]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示：

目前市场上通用3dp(无铺粉)打印机构造示意图，本发明的改造的结构特点仅仅是在多喷嘴打印头(1)(可以是一体化的，无需分离的输墨管及储墨盒)的通路中增加了色墨储墨盒(6)：区别于打印方式及程序。

其它基本构造为：z轴电机(4)带动丝杠(2)在导向柱体(3)的约束下使得升降台(10)产生垂直位移，如升降运动方向(11)所示；多喷嘴打印头(1)的水平面位移是通过，独立转动固定转动轴(14)与运动转动轴(13)协调生成。

色墨储墨盒(6)、成型储料盒(7)、支撑储料盒(8)经由输液管(9)通往多喷嘴打印头(1)，分别由支撑材料喷嘴、彩色墨料喷嘴、成型物料喷嘴(19)喷涂打印。

升降台支架(16)承载着成型物件(12)，升降台打底层(15)生成于升降台支架(16)承载着成型物件(12)之间。

紫外线固化灯(20)发出固化光(17)照射每一切层，结构壳体(18)及其它组件：如机械系统、控制系统等属于公知技术，不再复述。

如图2所示：和

左图为：喷绘彩色夹层物件的打印物件及切层图,右图为：喷绘彩色表层物件的打印物件及切层图。

从左图打印切层(34)可以看出：围墙局剖(31)显示出，彩色壳层(23)(彩色夹层)被透明围墙(27)包裹，彩色内容(25)由墨水子层(22)的堆叠表达，支撑构造(28)是支撑材料喷嘴喷涂支撑材料生成的；内体(21)可以是透明材料，也可以是非透明材料；物件内空(29)是为了节约材料设定的。

这样除去支撑构造(28)后，透明围墙(27)使得彩色壳层(23)的彩色内容(25)完全暴露，显示出了彩色打印物件。

从右图打印切层(34)可以看出：围墙局剖(32)显示出，彩色壳层(24)被支撑围墙(26)包裹，彩色内容(25)由墨水子层(22)的堆叠表达，支撑构造(28)是支撑材料喷嘴喷涂支撑材料生成的；内体(21)可以是透明材料，也可以是非透明材料；物件内空(29)是为了节约材料设定的。

这样除去支撑构造(28)后，支撑围墙(26)仍然不透光但与支撑构造(28)是同样的材料，也容易被除去，使得彩色壳层(23)(彩色表层)的彩色内容(25)完全暴露，也显示出了彩色打印物件。打底层(33)是打印物件是常用的手段，目的是找平及扩展面积，以增加牢固度。

因此：喷绘彩色表层方案与喷绘彩色壳层方案除了上述不同之外，另一个差别在于：成型物料的储料盒a(7)中的物料，成型物料不必被选取为透明物料或浅色半透明的物料为必要条件，对物料的色泽不需要再加以限制。

如图3所示：

用于喷绘彩色墨水的彩色喷汇头(41)安装在可以作2维平面运动的垂直平行轴运动合成的机构上，他们是由运动转动轴a(44)及固定转动轴(46)共同组成的平面运动系统；储墨盒(43)通过输墨管(42)向彩色喷汇头(41)传输彩色(uv)墨水；

在电机的驱动下，升降台支架(59)支撑着升降台(54)承载着成型物件(52)每次下降1个打印切层的高度，形成了升降运动方向(51)是垂直方向的；为保证树脂液面的平整度，升降台(54)每次下降之后树脂刮板(55)沿着刮板的运动方向(56)所示的的水平方向运动，以刮平液面。

储料槽(50)的液面高度控制装置是由浮筒(57)及控制浮筒垂直高度的驱动装置构成，而形成了浮筒位移方向(58)所示的垂直方向，工作时需要保持液面高度的稳定性。

每一层的固化是由：振镜(47)偏转激光器(49)所发出的)激光束(48)按照打印物件的切片模型扫描液面，如液面光固化瞬时作用点(53)所示。

如图4所示：

彩色夹层是在完成上述2个相邻的打印切层之间的时间段完成的：在升降台底层或前层(61)上建立墨水子层(62)，该子层的位置靠近打印物件的边缘，该边缘就是未来成型物件的表面浅部(约：20---100丝米深度)，基本上就是人们观察视线的成型物件的外表部分；因而储料槽(50)的树脂必须是透明或浅色的；由于在无旁边支撑的情况下，墨水靠其自身的表面张力无法支持太高的高度，因此往往需要2层或2层以上的子层的铺设，墨水子层表层(63)的铺设就是这样的需要，当1到多层(最多10层)的子层铺设完毕后，由固化光子层选择性固化光(64)进行根据彩色夹层的子切层的图片进行扫描固化，且该固化的光必须超出子切层的面积，进行完全过盈固化，否则即将的刮平过程将刮走未固化的彩色墨水而污染料池；之后升降台(54)下降1个打印切层的高度，树脂液层(65)的树脂液层液面高度(66)浸没刚刚固化的子切层的顶部，同时树脂刮板(55)再次刮平液面；为使彩色夹层的子切层能充分遮盖成型物件内部，需要在为固化子层上方的透明树脂上再铺设1层子层，该子层要宽于下面的1层子层，由于重力及扩散的作用，在相对较短的固化了的下一层子层的非全面支撑下，该子层将会弯曲，完成未来遮挡视线的目的。然后按照打印物件切片的图形，形成打印层选择性固化光(68)完成本切片的固化。(67)为初始液面高度。

如图5所示：

该装置组件之间的具体连接关系：与储料槽载体方案相比，该方案省去了储料槽，固化光线(84)可以使用非相干的固化光源(83)进行无选择的全面光照：或激光扫描、dlp及lcd的选择性光照的光源；由储墨盒(72)通过输墨管(73)向喷汇头(70)输送uv墨水，当喷绘头沿着导轨(75)进行如喷绘头位移方向(74)所示的往复运动时，会在被滚筒固定转轴(80)约束的滚筒(81)驱动下的透光传送带(82)上按成型物件的切片喷涂出彩色墨水，形成喷涂物件切片(85)，经过透光传送带(82)的传送，被传送到承载成型物件(77)的升降台(76)的下方，如待固化物件切片(79)所示；该升降台在电机的驱动下可以沿着垂直方向上下位移，如升降台位移方向(78)所示的方向；当需要固化切片时，升降台下降1层打印切片的高度，贴近透光传送带(82)上，并保持贴靠所喷涂的墨水，进行完光固化后，升降台上升一定的的高度，为下一次切片固化作准备。

储存透明及其它颜色树脂物料的喷汇头已经画在喷汇头(70)的旁边，它们通过导管与储墨盒输墨连接，属于公知技术。

杂物刮板(86)的前端靠紧透光传送带(82)，是用来清洁透光传送带(82)的杂物，所刮掉的杂物的掉落方向如：杂物下落方向(71)所示。