彩色三维打印机及其打印方法与流程

本发明涉及三维打印机，特别是一种彩色三维打印机及其打印方法。

背景技术：

现今三维打印技术使用广泛，比较普遍的是使用熔融沉积技术的打印机。现有的采用熔融技术的三维打印机以预制的塑料线为材料并大多由单一喷嘴对塑料进行熔融并挤出，完成工件的成型，一般情况下，对于单一模型只能使用一种材料或一种颜色。

对打印颜色或材料的单一问题，现有三维打印机也有一些改进方案。

第一种改进方案是使用多个热端固定在三维打印机活动平台上，使用多种线材输入从而实现多色打印，由于多个热端并行固定在三维打印机活动平台上，喷嘴间存在距离，这个距离需要精确的测定并在软件中进行校正，否则会带来多色打印时的颜色重叠。在多喷头系统中，多个安装在同一平面的喷头由于安装误差，不在工作的喷头有几率和打印出的模型产生剐蹭，严重时可能破坏模型和喷头。在三维打印机使用中，不在工作的喷头内部可能仍存在融化的塑料，带来塑料的溢漏，污染模型。更重要的是，这种方案并不能实现真正意义上的彩色三维打印。打印的颜色仍受制于输入的线材颜色。

第二种改进方案是采用定制的热端，使用多种耗材直接输入到喷头中并最终使用一个喷头挤出，实现了多种不同耗材的混色。本方案在使用时必须同时插入三种颜色的耗材，否则会由于融化耗材的回流而导致喉管处堵塞。由于采用熔融沉积技术的三维打印机在正常工作中为了避免耗材的溢漏污染模型，需要喷头不挤出材料时对耗材进行回抽，该操作在一个模型的成型中会被大量执行，然而由于本方案的定制热端拥有复杂的几何形状，增大了阻力，从而会增加所需的挤出力度并且削弱了耗材高速回抽的有效性，容易导致耗材残留，削弱了回抽本可带来的有益效果，同时在设计使用中，回抽设置不当极易带来堵塞。另外在喷嘴中进行混色时，由于混色腔小，容易出现混色不均匀而导致挤出的颜色不可控，也就是说尽管能够输出彩色的效果，但颜色不可准确控制。因此，本方案使用不便、易堵塞、不稳定、颜色不可控的弊端限制了其在生产中应用。

技术实现要素：

本发明所要达到的目的就是提供一种彩色三维打印机，避免耗材过度回流导致喉管处堵塞。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：彩色三维打印机，包括控制器、挤出装置和打印平台，控制器控制挤出装置和打印平台工作，打印平台设有打印喷头，挤出装置与打印喷头连通，挤出装置包括进料组件和混色组件，进料组件位于混色组件的上游侧并与混色组件连通，进料组件设有多套，混色组件包括一热熔腔和多根喉管，喉管与进料组件一一对应，进料组件将耗材送至喉管，喉管的下游端与热熔腔连通，喉管的管孔内设有在耗材回流时跟随耗材运动后将喉管关闭的止逆件。

进一步的，所述喉管的管孔包括相连接的第一孔段和第二孔段，第一孔段的孔径D1小于第二孔段的孔径D2，第一孔段位于第二孔段的上游侧，第一孔段与第二孔段的连接处形成扩口，止逆件设于第二孔段内，止逆件在耗材回流时跟随耗材运动至扩口与扩口配合密封。

进一步的，所述止逆件为球体，扩口为圆锥面结构，球体的直径为D3，D3大于D1且小于D2。

进一步的，所述第二孔段内设有防止止逆件随耗材运动出第二孔段的限位件，限位件伸入第二孔段内的部分与第二孔段的孔壁形成流通口，流通口的横截面积不小于第二孔段横截面积的1/3。

进一步的，所述限位件为螺钉，喉管设有与螺钉配合的螺纹孔。

进一步的，所述进料组件包括用于存放线状耗材的放置架和用于将放置架上的线状耗材输入混色组件的送料器，送料器与喉管一对一连通。

进一步的，所述进料组件包括存放耗材原料的料斗和用于将耗材原料挤成线状耗材的挤出器，料斗与挤出器一对一连通，挤出器与喉管一对一连通。

进一步的，所述挤出器与混色组件之间设有压料组件，压料组件包括成对设置的压料辊，挤出器挤出的线状耗材从成对的压料辊之间穿过后达到目标直径。

进一步的，所述混色组件的下游侧设有用于将混色后的耗材输出的输出器，输出器包括输出座、输出主动轮、输出从动轮和输出电机，输出电机带动输出主动轮，输出从动轮转动连接在输出座上，输出主动轮与输出从动轮之间形成输出间隙，输出座上设有进料口和出料口，进料口的进料方向、输出间隙与出料口的出料方向在同一直线上。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：止逆件在喉管的管孔内可以随耗材流动而运动，即在喉管的管孔内具有行程，当耗材从上游向下游流动时，会带动止逆件在喉管的管孔内向下游运动，从而将喉管打开，让耗材可以正常流动，当耗材回流时，喉管内的耗材从下游向上游回流，会带动止逆件在喉管的管孔内向上游运动，在运动一定行程后将喉管关闭，不仅能够避免耗材过度回流导致喉管处堵塞，而且因为止逆件不会在耗材回流时马上将喉管关闭，使得喉管的上游端与下游端压力可以在回流过程中保持平衡，不会因为喉管上游回流而混色组件继续输出导致喉管下游形成负压，有利于让止逆件将喉管可靠关闭，同时在重新开始顺流后，又有利于止逆件及时运动将喉管快速打开。

本发明还提供一种使用上述任一彩色三维打印机的打印方法，包括以下步骤：

1)在控制器设置打印参数；

2)各个进料组件内添加不同颜色的耗材，控制器根据打印参数分别控制各套进料组件以各自的进给速率向混色组件输送耗材；

3)混色组件对耗材进行混色；

4)混色后的耗材输送至打印平台；

5)控制器根据打印参数控制打印平台，由打印喷头打印目标物品；

6)打印喷头进行打印的同时，控制器根据打印参数分别控制各套进料组件以各自的进给速率向混色组件输送耗材进行调色。

进一步的，所述控制器根据目标物品上每种颜色所用的耗材量计算挤出装置输出每种颜色耗材的体积，挤出装置输出预定体积的前一颜色的耗材后开始混色输出后一颜色的耗材。

进一步的，所述控制器对挤出装置输出耗材的直径和速率进行检测记录并获得挤出装置输出耗材的流量，并与打印参数中设定的流量进行比较，然后对进料组件的进给速率进行调整。

进一步的，所述打印平台上设有辅助块，在挤出装置从前一颜色变换成后一颜色的过程中，打印喷头将耗材打印到辅助块上。

进一步的，所述控制器在耗材回抽时降低挤出装置的耗材输出速率，回抽结束后，挤出装置保持同样的耗材输出速率输出耗材，直到挤出装置到打印喷头之间的耗材体积恢复正常后，挤出装置恢复原来的耗材输出速率。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：由于喉管在回流时可以被止逆件关闭，因此可以配合打印喷头的回抽来降低挤出装置的进给速率，使得挤出装置与打印喷头之间的耗材体积不会发生大的变化，也有利于停止回抽后快速恢复正常的打印工作，从而提高打印效率及打印质量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一中挤出装置的内部结构示意图；

图3为本发明实施例一中挤出装置的内部结构示意图(轴测)；

图4为本发明实施例一中挤出装置的分解示意图；

图5为本发明实施例一中混色组件的示意图；

图6为本发明实施例一中输出器的示意图；

图7为本发明实施例二中进料组件的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本发明首先提供一种彩色三维打印机，如图1所示，包括控制器K、挤出装置J和打印平台P，控制器K控制挤出装置J和打印平台P工作，打印平台P设有打印喷头P1，挤出装置J与打印喷头P1连通。挤出装置包括进料组件和混色组件，进料组件位于混色组件的上游侧并与混色组件连通，进料组件设有多套，混色组件包括一热熔腔和多根喉管，喉管与进料组件一一对应，进料组件将耗材送至喉管，喉管的下游端与热熔腔连通，喉管的管孔内设有在耗材回流时跟随耗材运动后可将喉管关闭的止逆件。

首先作出说明，本发明中所指的上游、下游等描述，是参照打印机打印时耗材的流动方向来定义的，耗材从进料组件流动到三维打印机的打印平台进行打印，因此进料组件可以认为是起点，而打印平台的喷头可以认为是终点。止逆件在喉管的管孔内可以随耗材流动而运动，即在喉管的管孔内具有行程，当耗材从上游向下游流动时，会带动止逆件在喉管的管孔内向下游运动，从而将喉管打开，让耗材可以正常流动，当耗材回流时，喉管内的耗材从下游向上游回流，会带动止逆件在喉管的管孔内向上游运动，在运动一定行程后将喉管关闭，不仅能够避免耗材过度回流导致喉管处堵塞，而且因为止逆件不会在耗材回流时马上将喉管关闭，使得喉管的上游端与下游端压力可以在回流过程中保持平衡，不会因为喉管上游回流而热熔腔继续输出导致喉管下游形成负压，有利于让止逆件将喉管可靠关闭，同时在重新开始顺流后，又有利于止逆件及时运动将喉管快速打开。止逆件将喉管关闭，熔化的耗材留在加热的区域而不流入喉管的上游端(冷端)，从而避免喉管堵塞。由于混色过程在一独立的热熔腔中进行，而不是在喷嘴中，这意味着有更大的混合空间以促进颜色的充分混合。

如图2所示，在本实施例中，挤出装置J从上游到下游依次设置包括进料组件A、压料组件B、混色组件C和输出器D，进料组件、压料组件、混色组件和输出器均固定在挤出装置J的壳体1上。进料组件和压料组件分别设有四套，为了减少空间的占用，进料组件和压料组件分成两层设置，每层各两套，为此在壳体1包括一搁板11和一底板12，搁板11用来安装位于上层的两套进料组件和压料组件，另外两套进料组件和压料组件固定在壳体1的底板12上。为了增加壳体1的强度，可以增加框架，框架由多根杆体13组成，然后将板体14、搁板11和一底板12安装到杆体13上形成壳体1。

结合图3和图4看，进料组件包括存放耗材原料的料斗2和用于将耗材原料挤成线状耗材9的挤出器，料斗2与挤出器一对一连通，挤出器与喉管41一对一连通。采用料斗2后，可以采用成本较低的颗粒状或其他非线状的耗材原料。为了避免设备空转，可以在料斗2设有用于检测耗材原料的检测器，当料斗2内的耗材原料将要耗尽时由检测器发出信号来提醒用户添加耗材原料。耗材原料可以是自带颜色的原料，也可以通过混合色粉，通过进料组件混合处理后获得目标颜色的耗材。

而为了将颗粒状的耗材原料制成线状耗材9，需要挤出器来实现。挤出器包括挤料筒21和挤出螺杆22，挤出螺杆22设在挤料筒21内，料斗2通过进料管201与挤料筒21连通，将耗材原料送入挤料筒21，为了进料方便，挤料筒21的上游端连接进料槽体23，进料槽体23的顶部设置进料孔231，进料管201与进料孔231连接，进料槽体23通过进料支架24固定在壳体1上。在壳体1上设置驱动电机25来带动挤出螺杆22，挤出螺杆22穿过进料槽体23和进料支架24与驱动电机25传动连接，由于混色时可以是两种、三种或四种颜色的耗材进行混色，因此不同进料组件的进料动作可以互不关联，因此每个挤出螺杆22都设有一个驱动电机25来带动，驱动电机25可以采用伺服电机。驱动电机25与挤出螺杆22之间的传动连接方式可以采用齿轮传动，在驱动电机25的电机轴上设置主动齿轮251，在挤出螺杆22上设置从动齿轮221，主动齿轮251与从动齿轮221啮合来实现传动。此外也可以采用皮带带轮传动或链条链轮传动等等常见的传动方式。挤出器还包括对挤出的耗材进行加热熔化的加热器26，加热器26设在挤料筒21的下游端，加热器26通过第一隔热件27与加热支架28连接，加热支架28固定在壳体1上，加热器26上设有挤出喷嘴29，经过加热器26加热熔化的耗材从挤出喷嘴29挤出形成线状耗材9。挤出喷嘴29的外侧设有第一散热片291，促进耗材散热，避免耗材挤出后下垂。由于第一散热片291的散热效果有限，线状耗材9挤出后仍然可能受重力影响而下垂，因此在壳体1上设置了第一冷却风扇20对线状耗材9进行降温固形，但是线状耗材9仍然处于相对柔软的形态，可以进行塑形加工。

为了让线状耗材9的直径能够满足喉管41的管孔内径的要求，挤出器与混色组件之间设有压料组件，压料组件包括成对设置的压料辊31，挤出器挤出的线状耗材9从成对的压料辊31之间穿过后达到目标直径。压料辊31是被动辊，线状耗材9向下游运动时会带动压料辊31转动。压料辊31安装在压料支架32上，压料支架32安装在壳体1上。目标直径可以根据需要进行设置。

由于混色组件只有一套，而为了将多根线状耗材9输入到混色组件中，压料组件的下游设有导料管33，线状耗材9穿过压料组件后进入导料管33，导料管33的下游端与喉管41接通。耗材采用塑料时，导料管33可以采用特氟龙管，特氟龙管可以有特定的形状，将多根线状耗材9引导到混色组件中。

混色组件包括一热熔腔4和四根喉管41，每根喉管41对应连接一根导料管33，本实施例中共设置四根喉管41，喉管41的下游端与热熔腔4连通，热熔腔4具有较大的空间可以将四根线状耗材9再次熔化并混合到一起。喉管41的下游端伸入热熔腔4中，因此热熔腔4在加热过程中也会对喉管41进行加热，因此进入喉管41中的耗材可以先进行预热熔化。

结合图5，喉管41的管孔包括相连接的第一孔段411和第二孔段412，第一孔段411的孔径D1小于第二孔段412的孔径D2，第一孔段411位于第二孔段412的上游侧，第一孔段411与第二孔段412的连接处形成扩口413，止逆件42设于第二孔段412内，止逆件42在耗材回流时跟随耗材运动至扩口413与扩口413配合密封。在本实施例中，止逆件42为球体，扩口413为圆锥面结构，球体的直径为D3，D3大于D1且小于D2。此外，止逆件42也可以采用栓柱，栓柱的上游端设置圆锥面结构，从而与扩口413配合实现密封。除了圆锥面结构，也可以采用平面结构或圆弧面结构等实现密封。

由于止逆件42可以在第二孔段412内自由运动，为了防止止逆件42随耗材运动出第二孔段412，第二孔段412内设有限位件43，为了避免限位件43影响耗材的流动，限位件43伸入第二孔段412内的部分与第二孔段412的孔壁形成流通口，流通口的横截面积不小于第二孔段412横截面积的1/3。限位件43可以采用螺钉，喉管41设有与螺钉配合的螺纹孔，可以通过调节限位件43的位置对流通口的横截面积进行调整，实现耗材流速的控制。当然除了螺钉，限位件43也可以采用销钉或挡圈等零件，或者在第二孔段412是分成两个部分加工的基础上，限位件43也可以是直接在第二孔段412内成型的凸筋。

回到图3，混色组件还包括热熔支架44，热熔支架44固定在壳体1上，热熔支架44上设有第二隔热件45，热熔腔4固定在第二隔热件45上，喉管41穿过第二隔热件45设置，热熔腔4的下游端设有将混色后的耗材输出的第二喷嘴46。第二喷嘴46的外侧可以设置第二散热片461。

最初的进给压力已不能满足混色后耗材高速出料的需求，因此第二喷嘴46挤出混色后的线状耗材9，通过输出器输出。输出器位于混色组件的下游侧，结合图3和图6所示，输出器包括输出座51、输出主动轮52、输出从动轮53和输出电机5，输出电机5的输出轴穿过输出座51，输出主动轮52可以直接安装在输出电机5的输出轴上，输出电机5带动输出主动轮52，输出从动轮53转动连接在输出座51上，输出主动轮52与输出从动轮53之间形成输出间隙，输出座51上设有进料口501和出料口502，进料口501的进料方向、输出间隙与出料口502的出料方向在同一直线上。输出座51包括基体511和盖体512，基体511设有容置输出主动轮52、输出从动轮53的容置槽503，盖体512盖住容置槽503。输出主动轮52可以采用齿轮，在旋转时能够对线状耗材9产生轴向拉力，将线状耗材9输出。输出电机5固定在壳体1上，输出座51固定在输出电机5上，输出电机5可以采用伺服电机。为了对第二喷嘴46挤出的线状耗材9进行快速降温，可以在盖体512上设置第二冷却风扇54，盖体512上设置有通风孔504，同时在容置槽503的侧面设置散热孔505，第二冷却风扇54旋转产生的冷却气流依次从通风孔504、容置槽503和散热孔505经过，实现耗材的快速降温，第二冷却风扇54也可以采用吸风方式，冷却气流则从散热孔505、容置槽503和通孔孔依次流过。第二冷却风扇54也可以设置在第二喷嘴46与输出座51之间。出料口502上可以设置气动接头，方便连接输送耗材的管道。出料口502可以设置传感器，用于检测线状耗材9的直径并将读取到的数据传入打印机的控制器K。

本实施例中的耗材采用塑料颗粒，提高了混色的精确性，同时也减少了耗材的浪费，而且塑料颗粒的价格也要比塑料线的价格低得多。此外也可以使用其他与塑料具有类似性能的材料。

实施例二：

除了采用料斗2来存放耗材原料，也可以直接采用线状耗材9来混色，因此如图7所示，本实施例中的进料组件包括用于存放线状耗材9的放置架6和用于将放置架上的线状耗材9输入混色组件的送料器E，线状耗材9一般成卷放在放置架上，为此放置架上设置放置杆61，收卷器62套在放置杆61上并在送料时旋转，送料器与喉管41一对一连通。送料器与实施例一中的输出器类似，包括送料座71、送料主动轮、送料从动轮和送料电机7，送料电机7的输出轴穿过送料座，送料主动轮可以直接安装在送料电机7的输出轴上，送料电机7带动送料主动轮，送料从动轮转动连接在送料座上，送料主动轮与送料从动轮之间形成送料间隙，送料支架71上设有入料口和送料口，入料口的进料方向、送料间隙与送料口的出料方向在同一直线上。由于直接采用线状耗材9，因此送料口可以直接与热熔腔4连通。

上述实施例中，进料组件设置四套，实际产品中可以根据需要增减进料组件的数量，而且也可以根据混色需要选择进料组件具体工作的套数。由于不同的进料组件可以单独控制，因此可以控制不同颜色的耗材的进给速度来混合不同的目标颜色，按照不同的比例可以混合获得几乎所有颜色。

实施例三：

本发明还提供一种使用上述实施例中的彩色三维打印机的打印方法，包括以下步骤：

1)在控制器设置打印参数；

2)各个进料组件内添加不同颜色的耗材，控制器根据打印参数分别控制各套进料组件以各自的进给速率向混色组件输送耗材；

3)混色组件对耗材进行混色；

4)混色后的耗材输送至打印平台；

5)控制器根据打印参数控制打印平台，由打印喷头打印目标物品；

6)打印喷头进行打印的同时，控制器根据打印参数分别控制各套进料组件以各自的进给速率向混色组件输送耗材进行调色。

设置打印参数，是指通过计算机进行目标物品的三维模型设计，生成带有颜色数据的三维模型文件，使用切片软件形成层片数据，获得打印喷头在X、Y、Z轴上的运动数据。可以使用软件将目标物品的颜色数据单独处理生成混色文件来控制挤出装置工作，包括每种颜色的打印顺序、所需耗材的体积等参数。将所有文件存入控制器。

在本发明中，混色文件给出的指令将和打印平台的各轴运动指令一一对应，由一个控制器统一进行控制。打印平台和挤出装置使用同一个控制器进行控制，这对于挤出耗材的速率控制是有利的，可以有效避免因不同控制器发送命令存在时差或某一控制器出现问题而另一控制器仍在工作而引发的问题，且用户在打印过程进行暂停、取消等操作均能及时响应，不受影响。

在具体打印过程中，控制器根据目标物品上每种颜色所用的耗材量计算挤出装置输出每种颜色耗材的体积，挤出装置输出预定体积的前一颜色的耗材后开始混色输出后一颜色的耗材。由于挤出装置到打印喷头之间有一定距离，因此打印喷头打印出来的耗材要提前混色好挤出，所以根据挤出装置输出每种颜色耗材的体积来匹配打印参数中每种颜色所需耗材的体积参数，两者保持一致即可实现不同颜色的精确打印。

本实施例中，控制器对挤出装置输出耗材的直径和速率进行检测记录并获得挤出装置输出耗材的流量，并与打印参数中设定的流量进行比较，然后对进料组件的进给速率进行调整。通过流量和时间来计算出耗材挤出的体积，而且通过流量的比较可以进行及时调整，使得耗材挤出的体积更加精确。同时，在打印过程中，打印喷头的打印速率是不断变化的，挤出装置挤出耗材的速率也不断变化。因此通过控制器对挤出装置输出耗材的直径和速率进行检测记录，可以反馈回来控制调整，使得挤出装置输出耗材时实际的挤出速率能够与打印参数相匹配。

由于不同颜色的变换需要一定时间进行混色，因此在打印平台上设有辅助块，在挤出装置从前一颜色变换成后一颜色的过程中，打印喷头将耗材打印到辅助块上，避免将不需要的颜色打印到目标物品上。

控制器在耗材回抽时降低挤出装置的耗材输出速率，即进料组件的进给速率下降，此时混色后挤出的耗材直径会变小，但是由于回抽作用，挤出装置到打印喷头之间的耗材体积略微增加，因此回抽结束后，挤出装置保持同样的耗材输出速率输出耗材，直到挤出装置到打印喷头之间的耗材体积恢复正常后，挤出装置恢复原来的耗材输出速率，在实际操作中，这个过程是非常快的，因为耗材体积变化不大，所以恢复的速度较快，有利于提高打印效率及打印质量。由于混色后形成的塑料细丝具有一定的柔性，因此不会影响三维打印机的正常回抽。

另外，控制器通过料斗内设置的检测器判断料斗内的耗材原料将要耗尽时，会控制打印喷头移开目标物品，暂停打印，并提醒用户添加耗材原料，并在耗材原料添加后重新开始打印。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。