三维打印机、三维打印机的打印方法及其打印装置

摘要

本发明提供一种三维打印机、三维打印机的打印方法及其打印装置。打印方法包括启动三维打印机；向存储器输入具有目标实体模型数据的模型文件，三维打印机包括用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，该打印方法还包括：处理器根据目标实体模型数据进行切片分层，并处理得出多个分层模型数据；打印头根据每一个分层模型数据进行实体成像；喷墨头根据同一层的分层模型数据在分层模型上进行色彩成像。以及可应用上述方法的打印装置和三维打印机。通过在每一分层模型上进行色彩成像，最终实现整个三维实体的彩色打印，继而简化三维打印机的结构，也使得其具有成像成本较低，色彩还原精度高，图样分辨率高、成像方法简单等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及打印领域，尤其涉及一种三维打印机、三维打印机的打印方法以及三维打印机的打印装置。

背景技术

3D打印机又称三维打印机，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过累积成型的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用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，即切片分层，从而控制3D打印机逐层打印。

目前常用分层方法可以分为三种。一种是等层高分层方法，这种方法在大多数的三维打印机上普遍使用着;一种是针对STL 模型的自适应分层方法，这种方法是根据STL 模型中面片的法向量等信息进行分层;最后一种是直接针对CAD 实体模型进行自适应分层，用精确地三维模型来进行自适应分层，这样也能够精确地对实体模型进行成像。例如王卫辰等发表在<<机械科学与技术>>2010年第29 卷第5 期的文章《基于3D CAD 模型表面Z 向特征曲线的自适应分层方法》提出一种基于模型表面多处兴趣特征的快速自适应分层算法，该算法利用Z 向特征曲线提取CAD 模型表面的兴趣特征，通过特征曲线几何特征到层厚的直接映射关系快速确定分层点处的适应性层厚，整个层厚计算过程不存在冗余计算。

现有的常用的分层误差计算标准有以下几种:一是尖顶高度准则，根据模型的拓扑信息以及所允许的最大尖顶高度计算得到层厚，这种准则普遍使用，但是当模型法向量接近竖直方向时就会失效;二是面积差比率准则，根据相邻两层轮廓的面积差来判断分层高度是否合适，当面积差很大时就减小分层高度，否则增大分层高度，这种方法在处理简单的模型具有较大的优势。用户可以针对不同模型的形状和尺寸来选择采用上述三种方法中的一种进行三维实体成像。

而对三维实体模型进行彩色成像时，一般是在打印头中对丝料进行颜色混合后，在从打印头中喷出，从而形成彩色的三维实体模型，然而，由于需要在打印头中进行不同颜色的混色，造成了该打印头相比于其他单色的打印头更为复杂，所以这种彩色三维打印机的造价高，打印成本也比较高。同时，由于该打印头无法对较多的色彩进行混合，造成了三维实体模型的颜色也较为复杂，也造成了色彩还原度低、图像分辨率低，这样给用户带来不便。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种成像成本较低且成像过程简易的制造彩色三维实体模型的三维打印机打印方法。

本发明的第二目的是提供一种成像成本较低且成像过程简易的制造彩色三维实体模型的三维打印机打印装置。

本发明的第三目的是提供一种低成像成本且结构简单的制造彩色三维实体模型的三维打印机。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种三维打印机的打印方法，其包括启动三维打印机；向存储器输入具有目标实体模型数据的模型文件，其中，三维打印机包括用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，该打印方法还包括：处理器根据目标实体模型数据进行切片分层，并处理得出多个分层模型数据；打印头根据每一个分层模型数据进行实体成像；喷墨头根据同一层的分层模型数据在分层模型上进行色彩成像。

由上述方案可见，通过在三维打印机上设置有用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，并通过打印头在完成一个分层模型的实体成像后，喷墨头就在该分层模型上进行色彩成像，由于喷墨头喷出的墨水可与三维成型材料相溶合，使得可在该层分层模型为整体具有彩色图样的彩色分层模型，随后打印头在该彩色分层模型上继续对下一个分层模型进行实体成像，而喷墨头则继续在该下一个的分层模型上进行色彩成像，以此类推，最终将整个目标实体模型打印成彩色的目标实体模型。可见，通过在分层模型上进行色彩成像，有利于简化打印头结构，继而简化三维打印机的结构，通过具有成像成本较低、成像过程简易等特点的打印方法即可实现对彩色三维模型的成像。

更进一步的方案是，在处理器处理得出多个分层模型数据后，打印方法还包括处理器根据每一个分层模型数据划分彩色区域和单色区域；打印头根据每一个分层模型数据进行实体成像的步骤包括打印头根据彩色区域进行实体成像的步骤和打印头根据单色区域进行实体成像的步骤；喷墨头根据同一层的分层模型数据在分层模型上进行色彩成像的步骤包括喷墨头根据彩色区域进行色彩成像的步骤。

由上可见，对三维实体模型进行彩色打印时，为了节约打印成本，所以只要对三维实体模型的外表面进行彩色打印即可，而通过分层模型划分彩色区域和单色区域，再利用喷墨头针对彩色区域进行色彩成像即可，由于彩色区域设置在分层模型的外侧，而单色区域设置在分层模型的外侧的内侧，所以可实现在不影响彩色打印效果的前提下，更进一步地节约打印成本。

更进一步的方案是，打印头的实体成像步骤和喷墨头的色彩成像步骤的先后顺序为：打印头根据分层模型数据进行实体成像；喷墨头根据彩色区域进行色彩成像。

由上可见，根据不同目标实体模型的形状和尺寸，可以采用不同的成像顺序，如打印头可对单层的分层模型全部实体成像完毕后，喷墨头再进行色彩成像，由于打印头和喷墨头在成像过程中不互相干扰，此成像顺序有利于提高成像速度。

更进一步的方案是，打印头的实体成像步骤和喷墨头的色彩成像步骤的先后顺序为：打印头根据彩色区域进行实体成像；喷墨头根据彩色区域进行色彩成像；打印头根据单色区域进行实体成像。

由上可见，打印头在对彩色区域进行实体成像后，喷墨头对还在熔融状态的成像丝料喷出墨水，有利于墨水更好地与成像丝料融合，使得颜色更加均匀，再者，打印头在对彩色区域进行实体成像的同时，喷墨头也可同时进行工作，即对打印头刚挤出成型的丝料进行色彩成像，在有利于颜色融合的更加均匀同时，也提高了成像速度。

更进一步的方案是，打印头的实体成像步骤和喷墨头的色彩成像步骤的先后顺序为：打印头根据单色区域进行实体成像；打印头根据彩色区域进行实体成像；喷墨头根据彩色区域进行色彩成像。

由上可见，打印头也可根据不同的目标实体模型的形状和尺寸，亦可先对单色区域进行实体成像，此有利于提高打印方法的灵活性和适用性。

更进一步的方案是，彩色区域分布在位于分层模型的内侧边缘和/或外侧边缘。

由上可见，将彩色区域设置在位于分层模型的内侧边缘或外侧边缘，有利于节省打印成本，也不会对彩色打印效果造成影响。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种三维打印机的打印装置，该打印装置包括启动单元和存储单元，启动单元用于启动三维打印机，存储单元用于存储具有目标实体模型数据的模型文件，其中，三维打印机包括用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，打印装置还包括处理单元、实体成像单元和色彩成像单元，处理单元用于根据目标实体模型数据进行切片分层，并处理得出多个分层模型数据；实体成像单元用于驱动打印头根据每一个分层模型数据进行实体成像；色彩成像单元用于驱动喷墨头根据同一层的分层模型数据在分层模型上进行色彩成像。

由上述方案可见，通过在三维打印机上设置有用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，并通过实体成像单元驱动打印头在完成一个分层模型的实体成像后，色彩成像单元驱动喷墨头就在该分层模型上进行色彩成像，由于喷墨头喷出的墨水可与三维成型材料相溶合，使得可在该层分层模型为整体具有彩色图样的彩色分层模型，在多个彩色分层模型叠堆后便完成彩色三维模型的成像。可见，通过在分层模型上进行色彩成像，有利于简化打印头结构，继而简化三维打印机的结构，通过具有成像成本较低、成像过程简易等特点的打印装置即可实现对彩色三维模型的成像。

更进一步的方案是，处理单元包括彩色区域划分模块和单色区域划分模块，彩色区域划分模块用于根据每一个分层模型数据划分出彩色区域，单色区域划分模块用于根据每一个分层模型数据划分出单色区域；实体成像单元根据彩色区域进行实体成像；实体成像单元根据单色区域进行实体成像；色彩成像单元根据彩色区域进行色彩成像。

由上可见，通过彩色区域划分模块和单色区域划分模块对彩色区域和单色区域进行划分，有利于节约打印成本，只要对三维实体模型的外表面进行彩色打印即可不影响其外观效果。

为了实现本发明的第三目的，本发明提供一种三维打印机，包括打印盒、打印盒安装架、移动框架和驱动头组件，打印盒内容纳有耗材，打印盒安装架用于安装打印盒，移动框架上安装有滑架组件，驱动头组件安装在滑架组件上，其中，三维打印机还包括用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，打印头和喷墨头安装在驱动头组件。

由上述方案可见，通过在三维打印机上设置有用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，并通过打印头在完成一个分层模型的实体成像后，喷墨头就在该分层模型上进行色彩成像，由于喷墨头喷出的墨水可与三维成型材料相溶合，使得可在该层分层模型为整体具有彩色图样的彩色分层模型，在多个彩色分层模型叠堆后便完成彩色三维模型的成像。可见，通过在分层模型上进行色彩成像，有利于简化打印头结构，继而简化三维打印机的结构，也有利于降低彩色三维成像的成本。

更进一步的方案是，滑架组件包括第一滑架和第二滑架，驱动头组件包括第一驱动头和第二驱动头，第一驱动头安装在第一滑架上，第二驱动头安装在第二滑架上，打印头安装在第一驱动头上，喷墨头安装在第二驱动头上。

由上可见，打印头和喷墨头既可设置在同一驱动头上，亦可分开设置，分开设置时，由于打印头和喷墨头可同时进行工作，有利于提高成像速度。

附图说明

图1是本发明三维打印机实施例的结构图。

图2是本发明三维打印机实施例中的打印头和喷墨头的结构图。

图3是本发明三维打印机打印方法第一实施例的流程图。

图4是本发明三维打印机打印方法第一实施例中的目标实体模型结构图。

图5是图4中A-A处的剖视图。

图6是本发明三维打印机打印方法第一实施例中的成像步骤的流程图。

图7是本发明三维打印机打印方法第二实施例中的成像步骤的流程图。

图8是本发明三维打印机打印方法第三实施例中的成像步骤的流程图。

图9是本发明三维打印机打印装置实施例的系统框图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

三维打印机实施例：

参照图1和图2，图1是三维打印机1的结构图，图2是打印头2和喷墨头3的结构图。三维打印机1包括打印盒安装架17，打印盒安装架17内安装有打印盒18，打印盒18在其内容纳的耗材191，该耗材191为固态丝状耗材。

三维打印机1还包括底板11、四根螺杆12、成型座13、移动框架14、滑架15和滑架16，底板11上安装有成型座13，底板11上有设置四根螺杆12，移动框架14安装在四根螺杆12上，移动框架14可沿螺杆12上下移动，滑架15和滑架16安装移动框架14上，滑架15和滑架16可在移动框架14确定的平面内前后移动。

在滑架15上安装有驱动头21，驱动头21可沿着滑架15左右移动，驱动头21上安装有打印头2，打印头2包括位于打印头2上端的进料端24、位于打印头2下端的出料端23以及位于进料端24和出料端23之间的主体22。耗材191通过进料端24输入到由主体22围成的耗材腔体内。在出料端23的最下端形成有一出料口，出料口用于将耗材腔体内的耗材喷出，继而在成型座13上对三维实体19进行实体成像。

在滑架16上安装有驱动头31，驱动头31可沿着滑架16左右移动，驱动头31上安装有喷墨头3，喷墨头3内设置有多个墨盒并在喷墨头3的下端设置有出墨口(未标示)，墨盒内安装有用于色彩成像的墨水，耗材191通过进料端24输入到由主体22围成的耗材腔体内。在出料端23的最下端形成有一出料口，出料口用于将混合后的墨水喷出到三维实体19的耗材上，通过墨水并与耗材融合，继而实现三维实体模型19的色彩成像。

三维打印机的打印方法第一实施例：

参照图3，图3是三维打印机的打印方法流程图。对三维实体模型19进行彩色实体成像时，首先执行步骤S1，启动三维打印机1。然后执行步骤S2，向三维打印机1的存储器输入具有三维实体模型19数据的模型文件，随后执行步骤S3，三维打印机的处理器根据如图4所示的三维实体模型19进行切片分层，三维实体模型19为一圆锥体，并沿三维实体模型19的轴线Z开设有通孔，通过处理器经过对三维实体模型19沿轴线Z进行切片分层后，处理得出N个具有不同直径的分层模型的数据，其中一个分层模型如图5所示的分层模型192。随后执行步骤S4，处理器将每一个分层模型划出出彩色区域和单色区域，以图5的分层模型192进行举例说明，处理器将分层模型192最靠外侧的边缘部分设置为彩色区域193，处理器将分层模型192最靠内侧的边缘部分设置为彩色区域195，彩色区域193和彩色区域195均呈环状分布，处理器将彩色区域193和彩色区域195之间的区域设置为单色区域194。

对彩色区域和单色区域完成划分后，随后执行步骤S5，打印头2和喷墨头3根据彩色区域和单色区域进行彩色实体成像，具体地，参照图6，图6是打印头2和喷墨头3成像步骤的流程图。执行步骤S5时，首先执行步骤S51，打印头2首先根据单色区域194喷出熔融状态下的丝料进行实体成像，待打印头2完成单色区域194的实体成像后执行步骤S52，打印头2根据彩色区域193和彩色区域195喷出熔融状态下的丝料进行实体成像，随后，执行步骤S53，喷墨头3根据彩色区域193和彩色区域195在分层模型192上进行喷出墨水。由于丝料的材料一般为ABS塑料，熔融状态下的丝料可与喷出的墨水相溶，从而实现将分层模型进行色彩成像。当然，如丝料的材料为聚氯乙烯 (PVA), 则墨水可采用水性墨水，因为水性墨水与PVA进行相溶，亦可实现对分层模型进行色彩成像。

另外，上述的实施例中的喷墨头3是在打印头2完成彩色区域193和彩色区域195的实体成像后再进行工作的，而喷墨头3亦可以与打印头2同时工作，即喷墨头3跟随打印头2的运动轨迹，喷墨头3对打印头2刚挤出成型的丝料进行色彩成像，其有利于颜色融合的更加均匀同时，也提高了成像速度。

打印头2和喷墨头3完成一层的分层模型彩色实体成像后，处理器执行步骤S6，将成像次数M累加一，随后执行判断步骤S7，即判断成像次数M是否等于分层模型数量N，如果M小于N，则表示实体模型19未完成成像，将返回步骤S5继续对下一分层的分层模型进行彩色实体成像。直至实体模型19完成全部的彩色实体成像，即成像次数M等于分层模型数量N，随后执行步骤S8，等待实体模型19冷却固化后，从三维打印机中取出,继而完成对三维实体模型的彩色成像。

由上可见，由于每一分层的分层模型的边缘部分均进行了色彩成像，所以将每一带色彩的分层模型叠堆后，实现了彩色三维实体成像。当然上述分层模型192只是去实体模型19中的一层分层模型进行举例说明，而实际上的分层模型既可以对其全部区域设置为彩色区域，亦可对其全部区域设置为单色区域，而彩色区域和单色区域的占比还可以是根据用户的实际需求进行调整。

三维打印机的打印方法第二实施例：

在上述三维打印机的打印方法第一实施例的基础上，其打印头2和喷墨头3的成像步骤S5还可以采用如图7所述的步骤顺序，具体地，执行步骤S5时，首先执行步骤S54，打印头2根据彩色区域193和彩色区域195喷出熔融状态下的丝料进行实体成像，随后，执行步骤S55，喷墨头3根据彩色区域193和彩色区域195在分层模型192上进行喷出墨水，待打印头2和喷墨头3完成对彩色区域的成像后，执行步骤S56，打印头2首先根据单色区域194喷出熔融状态下的丝料进行实体成像。当然，喷墨头3同样亦可与打印头2同时工作，即喷墨头3跟随打印头2的运动轨迹，喷墨头3对打印头2刚挤出成型的丝料进行色彩成像。对成像步骤S5中的步骤进行顺序调整，在同样可实现彩色成像的同时，也有利于用户可根据不同实体模型来调整实际成像的先后顺序，有利于提高三维模型的品质。

三维打印机的打印方法第三实施例：

在上述三维打印机的打印方法第一实施例的基础上，其打印头2和喷墨头3的成像步骤S5还可以采用如图8所述的步骤顺序，具体地，执行步骤S5时，首先执行步骤S57，打印头2根据单层的分层实体模型数据进行对分层模型192实体成像，待分层模型192完成成像后，再执行步骤S58，喷墨头3根据彩色区域193和彩色区域195在分层模型192上进行喷出墨水，使用该方法同样可实现彩色三维实体成型，该方法的打印头2和喷墨头3是分开不同时段进行工作的，其相互之间不会相互干扰，所以该打印方法较为简单。

三维打印机的打印装置实施例：

参照图9，图9是三维打印机的打印装置的系统框图。该打印装置包括启动单元91、存储单元92、处理单元93、色彩成像单元95和实体成像单元94，其中，处理单元93包括彩色区域划分模块96和单色区域划分模块97。三维打印机包括用于实体成像的打印头2和用于色彩成像的喷墨头3。启动单元91用于启动三维打印机，三维打印机启动后，存储单元92可接收外部输入的模型文件，而存储单元92则存储有具有实体模型19(见图4)数据的模型文件。

处理单元19根据实体模型19沿轴线Z进行切片分层，并处理得出多个分层模型数据，彩色区域划分模块96根据每一个分层模型数据划分出彩色区域，单色区域划分模块97用于根据每一个分层模型数据划分出单色区域，具体地，参照图5，分层模型192是多个分层模型的其中一个，以分层模型192进行举例说明，彩色区域划分模块96将分层模型192最靠外侧的边缘部分设置为彩色区域193，单彩色区域划分模块96将分层模型192最靠内侧的边缘部分设置为彩色区域195，彩色区域193和彩色区域195均呈环状分布，单色区域划分模块97将彩色区域193和彩色区域195之间的区域设置为单色区域194。

实体成像单元94根据彩色区域193、195和单色区域194驱动打印头2进行实体成像，色彩成像单元95根据彩色区域193、195驱动喷墨头3进行色彩成像。实体成像单元94和色彩成像单元95完成一层分层模型的彩色实体成像后，则根据下一层的分层模型数据继续成像。

由上述方案可见，通过上述的三维打印机、三维打印机的打印方法、打印装置均可实现彩色三维实体的成像。通过设置有用于实体成像的打印头和用于色彩成像的喷墨头，并通过打印头在完成一个分层模型的实体成像后，喷墨头就在该分层模型上进行色彩成像，由于喷墨头喷出的墨水可与三维成型材料相溶合，使得可在该层分层模型为整体具有彩色图样的彩色分层模型，随后打印头在该彩色分层模型上继续对下一个分层模型进行实体成像，而喷墨头则继续在该下一个的分层模型上进行色彩成像，以此类推，最终将整个目标实体模型打印成彩色的目标实体模型。可见，通过在分层模型上进行色彩成像，有利于简化打印头结构，继而简化三维打印机的结构，也使得其具有成像成本较低，色彩还原精度高，图样分辨率高、成像方法简单等特点。

然而，上述实施例均为本发明较佳的实施例，本发明的实施方式还可以为如下几种方式，如在三维打印机的打印方法实施例中，其存储器和处理器还可以设置在远离三维打印机的计算机上，通过单独的计算机对数据进行处理并通过数据线驱动三维打印机的打印头和喷墨头，同样是可以实现本发明的目的。

又例如在三维打印机的打印装置实施例，存储单元、处理单元、色彩成像单元和实体成像单元均可设置在远离三维打印机的计算机上，利用相同原理即可实现本发明的目的，所以本发明存储器件以及处理器件即可设置在三维打印机上，也可设置在远离三维打印机的计算机上，在不同的存放位置下均可以实现本发明的目的，其应该均在本发明的保护范围之内。

又例如上述实施例中的喷墨头是通过墨水进行色彩成像的，然而，喷墨头还可以是通过喷出不同色粉进行色彩成像的，是由于色粉可与在熔融状态下的丝料进行溶合，同样可实现本发明的目的。以及喷墨头采用的是外置供墨的方式，即喷墨头通过导管与外部供墨装置进行连接，亦可实现喷墨头的喷墨，即亦可实现本发明的目的，上述这些改变也应该在本发明的保护范围内。