[发明专利]彩色三维打印

说明书

技术领域

本教导涉及用于快速原型（RP）的分层物体制造（LOM）系统，尤其涉及一种用于在LOM系统中打印三维（3D）物体介质层以形成彩色3D物体的打印模块和方法。本教导还提供了一种用于该LOM系统中的油墨。

背景技术

快速原型定义为受计算机控制的增材制造，因为是通过增加材料而不是通过去除或减少材料的常规加工方法来制造物体。要理解，术语“快速”是一个相对术语，但是却是一个在本领域内具有特定含义的术语，其原因在于，构造一个三维物品成品要耗费几小时到几天不等，具体取决于所采用的方法以及模型的大小和复杂度。已知的在快速原型领域内采用的方法有许多种。分层物体制造（LOM）是快速原型（RP）的其中一种形式，涉及将涂有粘合剂的纸、塑料或金属层压板依次层叠，然后将它们依次地粘结在一起并且用刀具或激光切割机切割成形。

LOM类似于其他快速原型技术，通常涉及到使用待制造的物体/零件的三维（3D）计算机辅助设计（CAD），由此在CAD软件包内生成立体光刻（STL）文件或其他适合格式的文件。对STL文件进行处理，并且，实际上沿着Z轴在与所采用的基底材料的厚度相匹配的厚度处将该文件切开。这样便形成了该零件的一系列横截面，并且，各横截面在任何特定的高度处均具有简单的二维（2D）轮廓。可采用仿形或切割设备来描画2D轮廓并由此在薄片原料上切割出形状。在LOM中，可将各个单独薄片彼此上下堆叠和粘结，以生成3D物体成品。仿形、堆叠和粘结工艺的顺序是可以互换的。

彩色3D打印包括向在3D打印物品的制造中使用的各个层数字化地施加颜色。要求颜色在最终3D打印物品的以下各个表面上达到所要求的强度：    

前表面：打印介质的最上表面；

后表面：打印介质的底侧表面；

仿形边缘：3D物品中已经根据该层的数字轮廓进行切割的介质边缘。

由于各个物体层的整个体积上均对颜色有所要求，所以理想的情况是，油墨在介质层（诸如，纸）的整个厚度上被其吸收（称为透墨或透印）。然而，在常规彩色3D打印中，油墨往往在介质的整个开孔孔隙度上都会出现渗透，使得图像扩散出油墨与介质之间的初始接触区域。当仅从介质的一侧进行3D彩色打印时，这个问题变得尤为突出。

例如，如图1a所示，使用常规3D彩色打印机将颜色80a喷墨打印到介质（诸如，粉末层120）上是取决于仅从一侧进行的打印。在油墨吸收的过程中，油墨80a扩散到粉末层120的厚度中并且继续扩散到比原始接触区域更宽的区域中，如图1b所示。另外，也没有物理障碍来阻止油墨继续扩散到目标层120之下的先前打印层130中，这样可能会导致打印层之间出现互混，如图1b所示。互混区域通过附图标记80c标出。油墨的扩散以及层之间的互混均会使图像清晰度下降，即，出现图像模糊和颜色漫射。图1c图示了包括漫射表面和颜色混合区域80c的物体成品。要理解，该方案虽然在3D环境内提供了颜色，但是却未提供最佳的解决方案。此外，参考图1d，仅从介质层的一侧进行打印时，打印出彼此足够靠近的相邻点来确保没有介质层的区域出现漏印的情况是很有必要的，尤其是在下层表面上。将这些墨点集中在一起之后，它们随后在X和Y面内的渗色将会使得墨点发生聚合并产生混色，通常表现为棕色或黑色。为了避免颜色混合，必须降低打印密度，防止油墨之间互混，而这会使得表面的墨滴密度低于最佳的墨滴密度，如图1e所示。

在常规喷墨打印的另一方面中，用施胶剂或填料对介质进行处理，从而通过减小可供油墨寻找到流动路径的孔隙率来使得介质在物理上不容易受到油墨从前打印侧迁移到介质后侧所带来的影响。表面施胶剂（施加至介质表面）可以是改性淀粉、明胶等水状胶体、或烷基烯酮二聚体，表面施胶剂为两亲水脂分子，亲水端面朝纤维素纤维，而疏水性尾端面向油墨朝外，由此形成了针对油墨流动和渗透的一定程度的斥水性和抗水性。喷墨打印中通常使用的油墨将水用作主要溶剂。

在彩色3D打印中，理想的情况是，油墨完全地浸透介质，从而在三个维度对纸进行上色。那些适合于在常规LOM系统中使用的介质类型（诸如，纸）自身存在有限制。由于纸是由随机粘合的纤维层组成，所以由此断定，其结构可能具有不同的孔隙率。纸是一种高孔隙率的材料，内含有多达70%的空气。纸张的孔隙率是纸的吸湿性能的指标，或者说是特定纸张接受油墨或水的能力的指标。因此，在为LOM选择特定类型的纸时，重要的是要考虑介质的孔隙率。

通常，用来对纸进行桌面喷墨打印的油墨为水基性油墨，其具有粘合剂以及提供颜色的染料或颜料。