[發明專利]彩色三維打印

有效

• 申請號: 201380038164.7
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN104470705B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 詹姆斯·特拉弗;飛利浦·基南;芬坦·麥科馬克;康納·麥科馬克
• 申請（專利權）人: MCOR科技有限公司
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00;B41J3/60
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 武君

技術領域

本教導涉及用于快速原型（RP）的分層物體制造（LOM）系統，尤其涉及一種用于在LOM系統中打印三維（3D）物體介質層以形成彩色3D物體的打印模塊和方法。本教導還提供了一種用于該LOM系統中的油墨。

背景技術

快速原型定義為受計算機控制的增材制造，因為是通過增加材料而不是通過去除或減少材料的常規加工方法來制造物體。要理解，術語“快速”是一個相對術語，但是卻是一個在本領域內具有特定含義的術語，其原因在于，構造一個三維物品成品要耗費幾小時到幾天不等，具體取決于所采用的方法以及模型的大小和復雜度。已知的在快速原型領域內采用的方法有許多種。分層物體制造（LOM）是快速原型（RP）的其中一種形式，涉及將涂有粘合劑的紙、塑料或金屬層壓板依次層疊，然后將它們依次地粘結在一起并且用刀具或激光切割機切割成形。

LOM類似于其他快速原型技術，通常涉及到使用待制造的物體/零件的三維（3D）計算機輔助設計（CAD），由此在CAD軟件包內生成立體光刻（STL）文件或其他適合格式的文件。對STL文件進行處理，并且，實際上沿著Z軸在與所采用的基底材料的厚度相匹配的厚度處將該文件切開。這樣便形成了該零件的一系列橫截面，并且，各橫截面在任何特定的高度處均具有簡單的二維（2D）輪廓。可采用仿形或切割設備來描畫2D輪廓并由此在薄片原料上切割出形狀。在LOM中，可將各個單獨薄片彼此上下堆疊和粘結，以生成3D物體成品。仿形、堆疊和粘結工藝的順序是可以互換的。

彩色3D打印包括向在3D打印物品的制造中使用的各個層數字化地施加顏色。要求顏色在最終3D打印物品的以下各個表面上達到所要求的強度：????

前表面：打印介質的最上表面；

后表面：打印介質的底側表面；

仿形邊緣：3D物品中已經根據該層的數字輪廓進行切割的介質邊緣。

由于各個物體層的整個體積上均對顏色有所要求，所以理想的情況是，油墨在介質層（諸如，紙）的整個厚度上被其吸收（稱為透墨或透印）。然而，在常規彩色3D打印中，油墨往往在介質的整個開孔孔隙度上都會出現滲透，使得圖像擴散出油墨與介質之間的初始接觸區域。當僅從介質的一側進行3D彩色打印時，這個問題變得尤為突出。

例如，如圖1a所示，使用常規3D彩色打印機將顏色80a噴墨打印到介質（諸如，粉末層120）上是取決于僅從一側進行的打印。在油墨吸收的過程中，油墨80a擴散到粉末層120的厚度中并且繼續擴散到比原始接觸區域更寬的區域中，如圖1b所示。另外，也沒有物理障礙來阻止油墨繼續擴散到目標層120之下的先前打印層130中，這樣可能會導致打印層之間出現互混，如圖1b所示。互混區域通過附圖標記80c標出。油墨的擴散以及層之間的互混均會使圖像清晰度下降，即，出現圖像模糊和顏色漫射。圖1c圖示了包括漫射表面和顏色混合區域80c的物體成品。要理解，該方案雖然在3D環境內提供了顏色，但是卻未提供最佳的解決方案。此外，參考圖1d，僅從介質層的一側進行打印時，打印出彼此足夠靠近的相鄰點來確保沒有介質層的區域出現漏印的情況是很有必要的，尤其是在下層表面上。將這些墨點集中在一起之后，它們隨后在X和Y面內的滲色將會使得墨點發生聚合并產生混色，通常表現為棕色或黑色。為了避免顏色混合，必須降低打印密度，防止油墨之間互混，而這會使得表面的墨滴密度低于最佳的墨滴密度，如圖1e所示。

在常規噴墨打印的另一方面中，用施膠劑或填料對介質進行處理，從而通過減小可供油墨尋找到流動路徑的孔隙率來使得介質在物理上不容易受到油墨從前打印側遷移到介質后側所帶來的影響。表面施膠劑（施加至介質表面）可以是改性淀粉、明膠等水狀膠體、或烷基烯酮二聚體，表面施膠劑為兩親水脂分子，親水端面朝纖維素纖維，而疏水性尾端面向油墨朝外，由此形成了針對油墨流動和滲透的一定程度的斥水性和抗水性。噴墨打印中通常使用的油墨將水用作主要溶劑。

在彩色3D打印中，理想的情況是，油墨完全地浸透介質，從而在三個維度對紙進行上色。那些適合于在常規LOM系統中使用的介質類型（諸如，紙）自身存在有限制。由于紙是由隨機粘合的纖維層組成，所以由此斷定，其結構可能具有不同的孔隙率。紙是一種高孔隙率的材料，內含有多達70%的空氣。紙張的孔隙率是紙的吸濕性能的指標，或者說是特定紙張接受油墨或水的能力的指標。因此，在為LOM選擇特定類型的紙時，重要的是要考慮介質的孔隙率。

通常，用來對紙進行桌面噴墨打印的油墨為水基性油墨，其具有粘合劑以及提供顏色的染料或顏料。