彩色或多材质3d打印机的制作方法
【专利说明】彩色或多材质3D打印机
[0001 ] 本案声明2013年11月18日申请的美国临时申请案号61/962869与2014年8月24日申请的美国临时申请案号62/041105的优先权。
技术领域
[0002]本发明有关于一种3D打印机。
【背景技术】
[0003]快速成型(Rapidprototyping)与快速制程(Rapid manufacturing processes)尽量在没有人力介入和使用模具的情形下将3D电脑辅助设计(CAD ,Computer aideddesign)资料直接且快速地转换成工件。大多数的打印机都是单色打印机，然而，随着打印的潮流，消费者会更要求高品质且价格合理的彩色打印。
[0004]目前的3D彩色打印面临的其中一个挑战是所使用的构筑原料。常见的低成本热塑性3D打印机仅使用单一热押出机来提供热熔的能量。亦有多个热押出机的3D打印机，但并不实际，因为熔融的塑料接触到支撑床就马上固化、冷却。这类的多个热押出机的3D打印机因液滴太大(比桌上型喷墨印表机的墨水液滴还大得多)而无法将固化的液滴混合来获得连续全彩物件。有些彩色3D打印机试着在押出之前将不同颜色的材料混合，但不同颜色的热塑性塑料(常见的构筑原料)熔点超过200 °C且易在没有隔热的状态下快速地冷却，因此混合它们是很困难的。
[0005]已知的快速成型制程可分为两类:使用雷射的制程以及不使用雷射的制程。其中一种是立体光刻(SLA，Stereolithography)，以雷射将福射固化聚化物的液体混合物一层一层地硬化，若希望立体光刻制成的工件上具有色彩，则将该工件的表面进行染色，相当复杂且耗时。另一种方法是选择性雷射烧结(SLS，Selective laser sintering)，与立体光刻类似，是将粉状原料(例如热塑性塑料或可烧结金属)以雷射选择性地一层一层烧结。此方法也是只能制造单色或色彩不特定的3D物件。第三种使用雷射的制程是层状实体制造(LOM,Laminated object manufacturing)，具有粘着剂的多层的纸网或塑胶箔被粘着在一起并以雷射切割。其后的染色实例则如专利US 6,713,125所揭示。
[0006]UV喷墨制程是一种常用已知可用以制造彩色物件的3D打印制程。在这个三阶段制程中，粉状原料被施用在薄膜上，一UV固化液体被印刷在薄膜上，薄膜是用以叠合成立体产物，最后，以UV光源将经过印刷的薄膜固化，这些步骤在每一层薄膜不断重复。
[0007]在WO 2008/077850中，在制程的上游，多色彩的液体与固化剂在一腔室中直接混合，因此，选择性的上色是可能的。然而，由于该腔室，锐利的色彩转换是不可能的，这种制程因为固化过程的限制而缺乏锐利度，降低了表面平滑度，且常导致上色不均匀。在WO2001/26023中，两个喷头具有不同色彩的固化剂混合物，提供产物不同的弹性，然而，色彩不超过两种。
[0008]WO 2009/139395的制程类似于3D喷墨打印，一彩色液体一层一层地施作，且一种可与第一液体产生固化反应的第二液体被印刷于上，这种制程除非未固化液体层之间有混合情形，否则制造的结构仅能各层不同颜色。
[0009]在US 2004/0251574中，热塑性塑料的打印之后进行了以颜料选择性地印刷。这种制程的优点是较高选择性，然而，这种制程的缺点是，由于颜料无法均匀地穿透陶瓷粉末与粘结剂的混合物，因此无法达到均匀的色彩解析度或是明亮的色彩。
[0010]美国专利US6，401，002中，多样化的液体与不同的染料及结合剂一同使用。这些液体可以是分离地滴落或是以喷嘴连续线的方式混合。本领域技术人员能以任一种方式获得理想的色彩解析度。在前者中，染料的混合是在表面的粘性液体中进行，因此，这种混合很少能完全完成。在第二种程序中，连续线的压力差异会导致极端的颜色差异。
[0011]在众多立体物件打印制程中，材料上最为经济且在机械设计上较佳的是熔融沉积成型(FDM,Fused deposit1n modeling)。它牵涉到一种押出成型的数位制造系统。此外还有其他已知制程与之类似而仅有些微差异，例如熔丝制造(FFF ,Fused filamentfabricat1n)、恪体押出制造(MEM，Melted extrus1n manufacturing)、选择性沉积成型(SDM,Selective deposit1n modeling)。在恪融沉积成型制法中，两种不同的聚合物丝在一喷嘴中被熔融并被选择性地打印。另牵涉到一种支撑原料，其只有在3D物件的悬空部分位置需要，支撑原料可在之后移除，例如以酸、碱或水溶解。其他的原料(构筑原料)形成确切的3D物件。打印是一层一层完成的。FDM制程在专利US 5，121,329中首先揭露。US 2002/0111707提及一般的冷却，但未提到细节。在US 6，165,406的3D彩色打印方法中，各别染料使用了各别的喷嘴，因此几乎不太可能混合染料，能达到的色彩效果极为简单。在US 7，648，664的FDM变化型中，使用了粒状的不同色彩构筑原料，各自熔融再由押出机混合以符合色彩需求，之后再进行打印，这种方法需要很复杂的设备，且失去了很多FDM的优点。US6,129,872揭露一种制程，构筑原料在一喷嘴中熔融，多种染料混合物在喷嘴的末端选择性地加入熔融物中，然而，这会造成混合的不充分且无法提供干净的色泽。
[0012]US 2010/0327479揭露一种制程，多种色丝在一微押出机里结合而连续地押出，以提供新的色丝，新的色丝进入喷头以进行打印，这个方法需要极为精巧且复杂的设备。在另一实施例中，多种颜色的色丝亦可以直接被导入嗔头中而在嗔头中混合。
[0013]美国专利申请案20140134334揭露一种3D押出打印制程用以制造多色彩的3D物件。此制程根据涂布用来制造实际物件的聚合物串(印刷头的上游)以及聚合物串涂布上游进入印刷头的固定，印刷头中的下游主要留在押出串的表面。
【发明内容】
[0014]本发明提供一种3D连续彩色打印机，包含至少一料匣，该料匣内容纳有一构筑原料;一混合器，连接于该料匣；以及一单一喷头，连接于该混合器的一出口；其中，容纳于该料匣的构筑原料被送至该混合器与该单一喷头以形成一连续彩色物件。
[0015]实际的实施例可包含以下所述。较佳地，四个料匣连接至管体进而连接至该混合器使不同色彩的构筑原料能在往该喷头的路径上较佳地混合。该混合器可为一五通管接头(或具有不同数量开放端的接头)。选择性地，一静态混合搅拌管(如液体连续搅拌器)或一主动混合器可被选用为该混合器的核心部分。该接头的材质可为塑胶、金属或其他材质，视所封止的液体种类而定。由接头一端流出的液体色彩取决于流入的不同色彩液体的相对流速，无论混合液体的颜色为何，流出的液体流速为使用者所定义的一定值。也就是说，流入的不同色彩原料的流速总和为使用者所定义的一定值，而流入的不同色彩原料的流速的比值决定了流出原料的色彩。混合器与喷头模组之间的距离为可变因子。当距离短，色彩过渡的间隔较短，但原料没有太多时间可以混合;相反地，当距离长，色彩过渡的间隔较长，混合品质较好。用以连接各模组的管体的内径够细以尽量降低色彩过渡之间的迟滞，且须够长以避免限制了喷嘴的动作。该混合器可为抛弃式的以维持打印品质。
[0016]该喷头模组供构筑原料流入并将之押出以打印3D物件，喷头尖端的尺寸决定了打印物件的解析度。喷头可选自但不限于针体、喷嘴或圆珠笔头。该喷头可根据原料选择、解析度需求或防止阻塞进行替换。在一些实施例中，喷头能混合构筑原料，例如，静态混合搅拌管喷嘴可作为打印头又可混合构筑原料并押出之。静态混合搅拌管可在可负担