彩色或多材質(zhì)3d打印機(jī)的制作方法
【專利說(shuō)明】彩色或多材質(zhì)3D打印機(jī)
[0001 ] 本案聲明2013年11月18日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案號(hào)61/962869與2014年8月24日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案號(hào)62/041105的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明有關(guān)于一種3D打印機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0003]快速成型(Rapidprototyping)與快速制程(Rapid manufacturing processes)盡量在沒(méi)有人力介入和使用模具的情形下將3D電腦輔助設(shè)計(jì)(CAD ,Computer aideddesign)資料直接且快速地轉(zhuǎn)換成工件。大多數(shù)的打印機(jī)都是單色打印機(jī)，然而，隨著打印的潮流，消費(fèi)者會(huì)更要求高品質(zhì)且價(jià)格合理的彩色打印。
[0004]目前的3D彩色打印面臨的其中一個(gè)挑戰(zhàn)是所使用的構(gòu)筑原料。常見(jiàn)的低成本熱塑性3D打印機(jī)僅使用單一熱押出機(jī)來(lái)提供熱熔的能量。亦有多個(gè)熱押出機(jī)的3D打印機(jī)，但并不實(shí)際，因?yàn)槿廴诘乃芰辖佑|到支撐床就馬上固化、冷卻。這類的多個(gè)熱押出機(jī)的3D打印機(jī)因液滴太大(比桌上型噴墨印表機(jī)的墨水液滴還大得多)而無(wú)法將固化的液滴混合來(lái)獲得連續(xù)全彩物件。有些彩色3D打印機(jī)試著在押出之前將不同顏色的材料混合，但不同顏色的熱塑性塑料(常見(jiàn)的構(gòu)筑原料)熔點(diǎn)超過(guò)200 °C且易在沒(méi)有隔熱的狀態(tài)下快速地冷卻，因此混合它們是很困難的。
[0005]已知的快速成型制程可分為兩類:使用雷射的制程以及不使用雷射的制程。其中一種是立體光刻(SLA，Stereolithography)，以雷射將福射固化聚化物的液體混合物一層一層地硬化，若希望立體光刻制成的工件上具有色彩，則將該工件的表面進(jìn)行染色，相當(dāng)復(fù)雜且耗時(shí)。另一種方法是選擇性雷射燒結(jié)(SLS，Selective laser sintering)，與立體光刻類似，是將粉狀原料(例如熱塑性塑料或可燒結(jié)金屬)以雷射選擇性地一層一層燒結(jié)。此方法也是只能制造單色或色彩不特定的3D物件。第三種使用雷射的制程是層狀實(shí)體制造(LOM,Laminated object manufacturing)，具有粘著劑的多層的紙網(wǎng)或塑膠箔被粘著在一起并以雷射切割。其后的染色實(shí)例則如專利US 6,713,125所揭示。
[0006]UV噴墨制程是一種常用已知可用以制造彩色物件的3D打印制程。在這個(gè)三階段制程中，粉狀原料被施用在薄膜上，一UV固化液體被印刷在薄膜上，薄膜是用以疊合成立體產(chǎn)物，最后，以UV光源將經(jīng)過(guò)印刷的薄膜固化，這些步驟在每一層薄膜不斷重復(fù)。
[0007]在WO 2008/077850中，在制程的上游，多色彩的液體與固化劑在一腔室中直接混合，因此，選擇性的上色是可能的。然而，由于該腔室，銳利的色彩轉(zhuǎn)換是不可能的，這種制程因?yàn)楣袒^(guò)程的限制而缺乏銳利度，降低了表面平滑度，且常導(dǎo)致上色不均勻。在WO2001/26023中，兩個(gè)噴頭具有不同色彩的固化劑混合物，提供產(chǎn)物不同的彈性，然而，色彩不超過(guò)兩種。
[0008]WO 2009/139395的制程類似于3D噴墨打印，一彩色液體一層一層地施作，且一種可與第一液體產(chǎn)生固化反應(yīng)的第二液體被印刷于上，這種制程除非未固化液體層之間有混合情形，否則制造的結(jié)構(gòu)僅能各層不同顏色。
[0009]在US 2004/0251574中，熱塑性塑料的打印之后進(jìn)行了以顏料選擇性地印刷。這種制程的優(yōu)點(diǎn)是較高選擇性，然而，這種制程的缺點(diǎn)是，由于顏料無(wú)法均勻地穿透陶瓷粉末與粘結(jié)劑的混合物，因此無(wú)法達(dá)到均勻的色彩解析度或是明亮的色彩。
[0010]美國(guó)專利US6，401，002中，多樣化的液體與不同的染料及結(jié)合劑一同使用。這些液體可以是分離地滴落或是以噴嘴連續(xù)線的方式混合。本領(lǐng)域技術(shù)人員能以任一種方式獲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體中進(jìn)行，因此，這種混合很少能完全完成。在第二種程序中，連續(xù)線的壓力差異會(huì)導(dǎo)致極端的顏色差異。
[0011]在眾多立體物件打印制程中，材料上最為經(jīng)濟(jì)且在機(jī)械設(shè)計(jì)上較佳的是熔融沉積成型(FDM,Fused deposit1n modeling)。它牽涉到一種押出成型的數(shù)位制造系統(tǒng)。此外還有其他已知制程與之類似而僅有些微差異，例如熔絲制造(FFF ,Fused filamentfabricat1n)、恪體押出制造(MEM，Melted extrus1n manufacturing)、選擇性沉積成型(SDM,Selective deposit1n modeling)。在恪融沉積成型制法中，兩種不同的聚合物絲在一噴嘴中被熔融并被選擇性地打印。另牽涉到一種支撐原料，其只有在3D物件的懸空部分位置需要，支撐原料可在之后移除，例如以酸、堿或水溶解。其他的原料(構(gòu)筑原料)形成確切的3D物件。打印是一層一層完成的。FDM制程在專利US 5，121,329中首先揭露。US 2002/0111707提及一般的冷卻，但未提到細(xì)節(jié)。在US 6，165,406的3D彩色打印方法中，各別染料使用了各別的噴嘴，因此幾乎不太可能混合染料，能達(dá)到的色彩效果極為簡(jiǎn)單。在US 7，648，664的FDM變化型中，使用了粒狀的不同色彩構(gòu)筑原料，各自熔融再由押出機(jī)混合以符合色彩需求，之后再進(jìn)行打印，這種方法需要很復(fù)雜的設(shè)備，且失去了很多FDM的優(yōu)點(diǎn)。US6,129,872揭露一種制程，構(gòu)筑原料在一噴嘴中熔融，多種染料混合物在噴嘴的末端選擇性地加入熔融物中，然而，這會(huì)造成混合的不充分且無(wú)法提供干凈的色澤。
[0012]US 2010/0327479揭露一種制程，多種色絲在一微押出機(jī)里結(jié)合而連續(xù)地押出，以提供新的色絲，新的色絲進(jìn)入噴頭以進(jìn)行打印，這個(gè)方法需要極為精巧且復(fù)雜的設(shè)備。在另一實(shí)施例中，多種顏色的色絲亦可以直接被導(dǎo)入嗔頭中而在嗔頭中混合。
[0013]美國(guó)專利申請(qǐng)案20140134334揭露一種3D押出打印制程用以制造多色彩的3D物件。此制程根據(jù)涂布用來(lái)制造實(shí)際物件的聚合物串(印刷頭的上游)以及聚合物串涂布上游進(jìn)入印刷頭的固定，印刷頭中的下游主要留在押出串的表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明提供一種3D連續(xù)彩色打印機(jī)，包含至少一料匣，該料匣內(nèi)容納有一構(gòu)筑原料;一混合器，連接于該料匣；以及一單一噴頭，連接于該混合器的一出口；其中，容納于該料匣的構(gòu)筑原料被送至該混合器與該單一噴頭以形成一連續(xù)彩色物件。
[0015]實(shí)際的實(shí)施例可包含以下所述。較佳地，四個(gè)料匣連接至管體進(jìn)而連接至該混合器使不同色彩的構(gòu)筑原料能在往該噴頭的路徑上較佳地混合。該混合器可為一五通管接頭(或具有不同數(shù)量開(kāi)放端的接頭)。選擇性地，一靜態(tài)混合攪拌管(如液體連續(xù)攪拌器)或一主動(dòng)混合器可被選用為該混合器的核心部分。該接頭的材質(zhì)可為塑膠、金屬或其他材質(zhì)，視所封止的液體種類而定。由接頭一端流出的液體色彩取決于流入的不同色彩液體的相對(duì)流速，無(wú)論混合液體的顏色為何，流出的液體流速為使用者所定義的一定值。也就是說(shuō)，流入的不同色彩原料的流速總和為使用者所定義的一定值，而流入的不同色彩原料的流速的比值決定了流出原料的色彩?；旌掀髋c噴頭模組之間的距離為可變因子。當(dāng)距離短，色彩過(guò)渡的間隔較短，但原料沒(méi)有太多時(shí)間可以混合;相反地，當(dāng)距離長(zhǎng)，色彩過(guò)渡的間隔較長(zhǎng)，混合品質(zhì)較好。用以連接各模組的管體的內(nèi)徑夠細(xì)以盡量降低色彩過(guò)渡之間的遲滯，且須夠長(zhǎng)以避免限制了噴嘴的動(dòng)作。該混合器可為拋棄式的以維持打印品質(zhì)。
[0016]該噴頭模組供構(gòu)筑原料流入并將之押出以打印3D物件，噴頭尖端的尺寸決定了打印物件的解析度。噴頭可選自但不限于針體、噴嘴或圓珠筆頭。該噴頭可根據(jù)原料選擇、解析度需求或防止阻塞進(jìn)行替換。在一些實(shí)施例中，噴頭能混合構(gòu)筑原料，例如，靜態(tài)混合攪拌管噴嘴可作為打印頭又可混合構(gòu)筑原料并押出之。靜態(tài)混合攪拌管可在可負(fù)擔(dān)