可变色光固化3D打印机、打印方法、设备及其存储介质与流程

可变色光固化3d打印机、打印方法、设备及其存储介质
技术领域
1.本发明涉及3d打印机技术领域，特别是涉及一种可变色光固化3d打印机、打印方法、设备及其存储介质。


背景技术：

2.3d打印又称增材制造，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新型制造技术。3d打印设备可以对产品进行个性化、定制化的特殊结构进行加工。
3.3d打印光固化成型技术，打印精度更高，打印时间更短，因此3d打印光固化成型技术发展迅速。dlp(digital light processing，数字光处理)快速成型技术原理是利用切片软件将物体的三维模型切成薄片，将三维物体转化到二维层面上，然后利用数字光源照射使光敏树脂一层一层的固化，最后层层叠加得到实体材料。
4.目前现有光固化3d打印技术中，使用紫外光照射使液态光敏树脂固化。最终打印成型模型的颜色只能取决于树脂的本色，无法做到多色打印，或变色打印，这就限制了dlp打印设备的应用和推广。当人们对产品要求底部颜色(或性能)和其它部位颜色(或性能)不一样时，dlp打印机无法做到，不能满足人们对不同部位有不同颜色、性能等个性化要求的需要，限制了dlp打印机的应用。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对现有的光固化3d打印技术不能做到多色打印的问题，提供一种可变色光固化3d打印机、打印方法、设备及其存储介质。
6.本发明提供了一种可变色光固化3d打印机，包括：
7.机架，所述机架上设置有盖板；
8.立柱组件，所述立柱组件设置在所述盖板的上表面；
9.成型平台组件，所述成型平台组件设置在所述立柱组件上，且所述成型平台组件能够沿所述立柱组件上的立柱的轴向移动；
10.料盒，所述料盒设置在所述盖板的上表面，且所述料盒位于所述成型平台组件的下方；
11.树脂混合物，所述树脂混合物设置在所述料盒内；
12.dlp投影机，所述dlp投影机设置在所述机架上，所述dlp投影机位于所述盖板的下方，且所述dlp投影机发出的光的灰度等级可调；
13.当所述dlp投影机发出的光照射到所述成型平台组件上的树脂混合物后，所述树脂混合物的颜色会发生改变。
14.本发明还提供了一种可变色光固化3d打印方法，该方法包括：
15.s1、将三维模型的切片数据文件导入3d打印机；
16.s2、向所述3d打印机上的料盒内加入感温树脂；
17.s3、控制所述3d打印机上的成型平台与料盒底部的距离为一个层厚的距离；
18.s4、将所述数据文件上每层切片层的颜色信号发送给3d打印机上的投影装置；
19.s5、3d打印机上的控制器控制所述投影装置，以使所述投影装置产生不同亮度的灰度等级图像，所述灰度等级图像与所述每层切片层上的颜色信号相匹配；
20.s6、开启所述投影装置，使得所述感温树脂在所述成型平台上形成所述每层切片层对应的固化层；
21.s7、控制所述成型平台运动，在所述固化层上重复步骤s6，逐层叠加，形成彩色三维模型。
22.在其中一个实施例中，所述投影装置包括dlp投影机和显示屏，所述dlp投影机位于所述显示屏下方，所述显示屏位于所述dlp投影机与所述感温树脂所在料盒之间；
23.当所述3d打印机上的控制器控制所述dlp投影机时，所述显示屏上产生不同亮度的灰度等级图像。
24.在其中一个实施例中，还包括红外光源，在s5之后，该方法还包括：所述3d打印机上的控制器控制红外光源，以使得显示屏上的图像上的每个像素点通过的能量不同。
25.在其中一个实施例中，所述将所述数据文件上每层切片层的颜色信号发送给3d打印机上的投影装置，包括：
26.将所述数据文件上每层切片层上的颜色信号对应的温度范围信号发送给3d打印机上的投影装置。
27.在其中一个实施例中，所述控制所述成型平台运动，包括：控制所述成型平台逐步向上移动一个层厚的距离。
28.在其中一个实施例中，所述在所述固化层上重复步骤s6包括：判断投影装置是否完成最后一层切面轮廓的投影，若完成则停止打印，若没完成则重复步骤s6。
29.在其中一个实施例中，在形成彩色三维模型之后，该方法还包括：对比所述彩色三维模型尺寸与预设模型尺寸之间的误差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则打印产品合格；若超过阈值，则调整3d打印机后重新打印。
30.本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本技术实施例描述中任一所述的方法。
31.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：所述计算机程序被处理器执行时实现如本技术实施例描述中任一所述的方法。
32.本发明的有益效果包括：
33.本发明在光敏树脂中加入感温色母，将打印时的工作温度调整为基准温度使耗材在基准温度时不发生变色，这种树脂在经受不同温度时会显现不同的颜色，因此只需要通过dlp投影机控制每个像素点的灰度，使每个像素点都能照射到不同的能量，不同像素点的精准变色，即可得到切片时预设颜色，实现多色打印。
附图说明
34.图1为本发明一实施例提供的可变色光固化3d打印机的打印方法流程图；
35.图2示出了适于用来实现本技术实施例的打印方法的计算机系统的结构示意图；
36.图3为本发明一实施例提供的可变色光固化3d打印机的结构示意图；
37.图4为图3的又一示意图；
38.图5为图3中的dlp投影机发出的光的示意图；
39.图6为图3中的料盒示意图。
40.图中标记如下：
41.10、机架；101、盖板；20、立柱组件；30、成型平台组件；40、料盒；50、dlp投影机；501、反射镜；60、树脂混合物。
具体实施方式
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
45.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语、“水平的”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
48.如图3并结合图4、图6所示，本发明一实施例中，提供了一种可变色光固化的3d打印机，包括：机架10、立柱组件20、成型平台组件30、料盒40、树脂混合物60、dlp投影机50，其中，机架10上设置有盖板101，立柱组件20设置在盖板101的上表面，成型平台组件30设置在立柱组件20上，且成型平台组件30能够沿立柱组件20上的立柱的轴向移动，料盒40设置在盖板101的上表面，且料盒40位于成型平台组件30的下方，树脂混合物60设置在料盒40内，
dlp投影机50设置在机架10上，且dlp投影机50位于盖板101的下方。
49.具体地，上述立柱组件20包括导轨，该导轨沿整体3d打印机的高度方向垂直安装在盖板101的上表面，成型平台组件30包括模型平台、滑块、丝杆以及驱动电机，其中，驱动电机设置在机架10上，模型平台与滑块连接，滑块与导轨连接，同时滑块上设置有螺纹孔，丝杆的一端穿过滑块上的螺纹孔与滑块螺纹连接，另一端通过联轴器与驱动电机上的输出轴连接，当启动驱动电机时，驱动电机带动丝杆转动，从而带动滑块沿导轨的延伸方向移动，在滑块移动的时候，由于模型平台与滑块连接，所以模型平台能够随滑块同步运动；
50.当3d打印机在工作时，启动驱动电机，以使得驱动电机间接带动模型平台朝向料盒40移动，当模型平台与料盒底部的距离为一个层厚的距离时，驱动电机停止转动，同时将每层切片文件上的颜色信号发送给3d打印机上的dlp投影机；
51.然后调节dlp投影机上的dmd芯片，例如在一块dmd上共有1024
×
768个小反射镜，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器dlp调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像，使得该灰度等级图像与每层切片文件上的颜色信号相匹配；
52.此时，开启dlp投影机，使得树脂混合物在模型平台上形成模型的一层固化层；然后再利用驱动电机带动模型平台运动，使固化层上覆盖一层新的感温树脂，开启dlp投影仪对感温树脂进行第二层固化，重复上述步骤生成彩色三维模型。
53.在一些实施例中，本技术中的树脂混合物60包括光敏树脂和感温色母，当经过紫外光照射的光敏树脂固化在成型平台组件30上后，dlp投影机50发出的光照射到固化在成型平台组件30上的光敏树脂中的感温色母上，以使得固化后的光敏树脂的颜色会发生改变。
54.光敏树脂是一种在原料状态下为稳定液态的打印材料，这些树脂通常包括聚合物单体、预聚体和紫外光引发剂等组分，在打印过程中，紫外激光的照射能令其瞬间固化。因此，这类打印耗材有很好的表干性能，成型后表面平滑光洁，产品分辨率高，细节展示出色，质量甚至超过注塑产品。这些突出的优势令光敏树脂成为高端、艺术类3d打印制品的首选材料。然而，目前的光敏树脂成本依旧偏高，且机械强度、耐热和耐候性大多低于fdm用的工程塑料耗材，在一定程度影响了材料的应用范围。当前已经报道的3d打印用光敏树脂种类繁多，研发也较为活跃，但能够进入实用商业化的较为有限，主要种类有环氧丙烯酸酯类、不饱和聚酯、聚氨酯丙烯酸酯等，这些树脂均有各自不同的优势和不足，其中，环氧丙烯酸酯具有固化后硬度高、体积收缩率小、化学稳定性好等优点，但黏度偏大，不利于成型加工；而不饱和聚酯粘度适宜且容易成型，但固化后硬度和强度较差，容易收缩；聚氨酯丙烯酸酯具有较好的韧性、耐磨性和光学性能，但其聚合活性和色度控制较为困难。因此，商业化的光敏树脂往往为多种光敏聚合物的组合，以达到取长补短的效果。例如，黄笔武等采用脂环族缩水甘油酯、双酚a型环氧树脂、环氧丙烯酸酯、脂环族环氧树脂、1，4
‑
环己基二甲醇二乙烯基醚、聚丙二醇二缩水甘油醚二丙烯酸酯与适当引发剂共混，制备了黏度适中，光敏性较好，固化物体积收缩率小，且具有较好力学性能和热性能的新型光敏树脂。
55.与需要制备成线材或粉材的工程塑料或生物塑料相比，液态的光敏树脂在设计和制备上有较大的灵活性，可以根据实际需求进行共混、掺杂或分子裁剪，从而大幅提升打印
材料的性能或获得具有特殊性能的3d打印材料。杨桂生等以尼龙微球改性光敏树脂，获得了成型速度快、力学强度高、尺寸稳定性好的3d打印材料。江阳等将丙烯酸通过环氧化、双乙烯酮酯化等步骤合成得到除醛功能分子，并以此分子合成一种可清除甲醛的3d打印光敏树脂。
56.本技术中的感温色母，dlp投影机50包括dlp投影机，该dlp投影机是以数字微镜装置dmd芯片作为成像器件，通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。它与液晶投影机有很大的不同，它的成像是通过成千上万个微小的镜片反射光线来实现的；
57.本技术以1024
×
768分辨率为例，如图5所示，在一块dmd上共有1024
×
768个反射镜501，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器dlp调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像，当dlp投影机发出的光产生不同亮度的灰度等级图像照射在感温色母上，就会使得固化后的光敏树脂的颜色发生改变。
58.在一些实施例中，为了使得料盒40内固化的模型方便分离，本技术中的可变色光固化的3d打印机还包括分层薄膜，该分层薄膜设置在料盒40与盖板101之间。
59.具体地，上述分层薄膜包括fep薄膜。聚全氟乙丙烯共聚物
‑
fep又名氟塑料，以透明粒料(悬浮聚合物)或水分散液(乳液聚合手)，聚全氟乙丙烯共聚物
‑
fep的共聚物的各种性能与ptee相似，但耐热性稍低，可长期在
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85度+205度、短期于
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200度～+300度下工作；冲击强度高，抗蠕变性，低温柔韧性优于ptee；结晶度随热处理温度而不同，成型加工性好；无毒、不粘性、电绝缘性、耐磨性、化学稳定性都比ptee相当；可着色、废料可回收再用。
60.需要说明的是，本技术实施例中的分层薄膜为fep薄膜的结构仅为示例，在其他可替代的方案中，也可以采用其它结构，例如，分层薄膜为tpu膜。本技术对分层薄膜的具体种类不作特殊限制，只要上述结构能实现本技术的目的便可。
61.在一些实施例中，本技术中的成型平台组件30包括模型平台和连接臂，连接臂的一端与模型平台连接，另一端与立柱组件20连接，且连接臂能够沿立柱组件20上的立柱的轴向移动，本实施例中的连接臂与立柱组件的连接结构以及连接臂的能够沿立柱的轴向运动的结构都为现有技术，此处不再累述。
62.如图1所示，本发明还提供了一种可变色光固化的3d打印机的打印方法，用于如本技术实施例描述中任意一项的可变色光固化的3d打印机，该方法包括：
63.s1、将三维模型的切片数据文件导入3d打印机；
64.s2、向3d打印机上的料盒内加入感温树脂；
65.s3、控制3d打印机上的成型平台与料盒底部的距离为一个层厚的距离；
66.s4、将数据文件上每层切片层的颜色信号发送给3d打印机上的投影装置；
67.s5、3d打印机上的控制器控制投影装置，以使投影装置产生不同亮度的灰度等级图像，灰度等级图像与每层切片层上的颜色信号相匹配；
68.s6、开启投影装置，使得感温树脂在成型平台上形成每层切片层对应的固化层；
69.s7、控制成型平台运动，在固化层上重复步骤s6，逐层叠加，形成彩色三维模型。
70.具体地，上述投影装置包括dlp投影机和显示屏，dlp投影机位于显示屏下方，显示屏位于dlp投影机与感温树脂所在料盒之间；当3d打印机上的控制器控制dlp投影机时，显
示屏上产生不同亮度的灰度等级图像。
71.首先利用作图软件创建产品模型，并生成数据模型文件，然后根据设定的每层厚度，对数据模型进行切片处理得到切片文件，此时向3d打印机上的料盒内加入感温树脂，然后控制3d打印机上的成型平台组件朝向料盒运动，当成型平台组件上的成型平台与料盒底部的距离为一个层厚的距离时，控制成型平台组件停止运动；
72.此时，调节dlp投影机上产生的不同亮度的灰度等级图像，使得所述灰度等级图像与每层切片文件上的颜色信号相匹配，由于dlp投影机上的dmd上的反射镜都具有独立控制光线的开关能力，小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器dlp调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像，当dlp投影机发出的光产生不同亮度的灰度等级图像照射在感温色母上，就会使得固化后的光敏树脂的颜色发生改变，从而在成型平台上形成模型的一层截面。
73.采用上述技术方案，将打印时的工作温度调整为基准温度使耗材在基准温度时不发生变色，这种树脂在经受不同温度时会显现不同的颜色，因此只需要通过dlp投影机控制每个像素点的灰度，使每个像素点都能照射到不同的能量，不同像素点的精准变色，即可得到切片时预设颜色，实现多色打印。
74.在一些实施例中，本技术中还包括红外光源，在s5之后，该方法还包括：3d打印机上的控制器控制红外光源，以使得显示屏上的图像上的每个像素点通过的能量不同。
75.在一些实施例中，本技术中的感温树脂包括光敏树脂和感温色母。由于dlp投影机是以数字微镜装置dmd芯片作为成像器件，通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。它与液晶投影机有很大的不同，它的成像是通过成千上万个微小的镜片反射光线来实现的；本技术以1024
×
768分辨率为例，在一块dmd上共有1024
×
768个反射镜501，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器dlp调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像，当dlp投影机发出的光产生不同亮度的灰度等级图像照射在感温色母上，就会使得固化后的光敏树脂的颜色发生改变。
76.在一些实施例中，本技术中的将数据文件上每层切片层的颜色信号发送给3d打印机上的投影装置，包括：将数据文件上每层切片层上的颜色信号对应的温度范围信号发送给3d打印机上的投影装置。
77.在一些实施例中，本技术中的控制成型平台运动，包括：控制成型平台逐步向上移动一个层厚的距离。
78.在一些实施例中，本技术在固化层上重复步骤s6包括：判断投影装置是否完成最后一层切面轮廓的投影，若完成则停止打印，若没完成则重复步骤s6。
79.在一些实施例中，本技术中的在形成彩色三维模型之后，该方法还包括：对比彩色三维模型尺寸与预设模型尺寸之间的误差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则打印产品合格；若超过阈值，则重新打印。
80.本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如本技术实施例描述中的任一的方
法。
81.下面参考图2，其示出了适于用来实现本技术实施例的终端设备或服务器的计算机系统200的结构示意图。
82.如图2所示，计算机系统200包括中央处理单元(cpu)201，其可以根据存储在只读存储器(rom)202中的程序或者从存储部分208加载到随机访问存储器(ram)203中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 203中，还存储有系统200操作所需的各种程序和数据。cpu 201、rom 202以及ram 203通过总线204彼此相连。输入/输出(i/o)接口205也连接至总线204。
83.以下部件连接至i/o接口205：包括键盘、鼠标等的输入部分206；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分207；包括硬盘等的存储部分208；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分209。通信部分209经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器210也根据需要连接至i/o接口205。可拆卸介质211，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器210上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分208。
84.特别地，根据本公开的实施例，上文参考图1描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，上述计算机程序包含用于执行图1的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分209从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质211被安装。
85.附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，前述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
86.描述于本技术实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括发送单元、接收单元以及判断单元。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定，例如，接收单元还可以被描述为“用于接收与所述地址信息任务指令对应的地址答案信息的单元。”87.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中前述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，前述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本技术的应用于地址信息判断的方法。
88.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
89.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。