本發明涉及一種三維打印機，具體涉及一種具有支撐材料成型功能的三維打印機及其成型方法。

背景技術：

三維打印，也稱增材制造或者積層造型，是利用數字模型加工出物理對象的過程，在加工過程中，通過逐層填加材料而建造打印對象。

三維快速成型的方法主要包括的類型為：立體平板印刷或光固化（Stereolithography,SLA)、分層實體制造（Laminated object manufacturing, LOM)、選擇性激光熔化（Selective laser Melting, SLM)、熔融沉積成型（Fused deposition modeling, FDM)。

目前，市面上FDM 類型的三維（3D）打印最為常見，這種類型的三維打印機的生產成本較低，且打印的操作較為便利，初學者容易掌握。其主要原理是將線狀絲材如PLA （聚乳酸）等通過高溫噴嘴熔融，然后利用后續線材的連續擠壓，將熔融狀的材料通過噴嘴出口擠出，然后熔融狀材料層層堆積產生三維物體，例如在申請號為CN201410827191.9、CN201510054483.8 和CN201510313735.4 的中國發明專利申請文件中記載了FDM 類型的三維打印機及其工作原理。

然而，現有的三維打印機在打印懸空物體時存在很多問題，甚至無法打印懸空物體。例如，如圖1所示，是現有的一種具有懸空部的三維物體，該三維物體包括主體部10和懸空部11，懸空部11由于下底面沒有其它支撐，受限于重力因素，在三維打印中就無法實現該懸空部11的成型。當需要用三維打印機打印這種具有懸空部11的三維物體時。如圖2所示，三維打印機一般首先打印出主體部10，然后，打印出支撐部12，這樣才可以繼續在支撐部12上打印出懸空部11。然而，這種打印方式需要消耗過多的支撐材料，這就會造成資源的浪費，特別是在打印大型物體時，例如打印桌子、建筑物模型或實物時，支撐材料的消耗量非常龐大，嚴重增加三維物體的制造成本。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提供一種解決三維物體打印過程中支撐材料消耗過多的問題。

為了完成上述目的，本發明提供了一種具有支撐材料成型功能的三維打印機,其包括打印頭組件、打印平臺和控制器，打印頭組件可相對于打印平臺沿三維方向獨立地移動；控制器分別與打印頭組件和打印平臺電連接；打印頭組件包括熔融室，打印材料在熔融室內熔融后按照預定程序逐層沉積到打印平臺上；第一動力單元裝載有發泡劑，第一動力單元把發泡劑供應至熔融室內與打印材料混合熔融。

由上述方案可見，在打印支撐部的時候，把發泡劑加入到熔融室內，發泡劑與打印材料混合熔融后使得打印材料的體積發生膨脹，膨脹的熔融材料逐層沉積在打印平臺上形成支撐部，支撐部的密度相應降低，使用的支撐材料的重量相應減少，從而實現降低成本的目的。特別是針對大型物體，如人體、建筑物模型或實物的成型，支撐材料的成本節省非常顯著。

一個優選的方案是，打印主體材料為PLA三維成型絲料或ABS三維成型絲料或PP三維成型絲料；第一動力單元包括腔體、螺旋送粉棍和電機，腔體內設置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用電機驅動，在電機的工作下帶動螺旋送粉棍把發泡劑帶入至熔融室內，電機與控制器電性連接。腔體的上游端設置一個加粉口。

由上述方案可見，打印頭組件只有一個打印頭，該打印頭可以同時作為主體部或支撐部的打印。當打印主體部的時候，第一動力單元不工作，發泡劑不進入熔融室內。當打印支撐部的時候，第一動力單元把發泡劑加入到熔融室內，發泡劑與打印材料混合熔融后形成支撐材料，支撐材料逐層沉積在打印平臺上形成支撐部。

一個優選的方案是，打印頭組件包括第一打印頭和第二打印頭：第一打印頭裝載有打印主體材料,第一打印頭可相對打印平臺沿三維方向獨立地移動；第二打印頭包括熔融室,熔融室具有第一通孔和第二通孔，打印支撐材料沿第一通孔進入熔融室內，第一動力單元把發泡劑沿著第二通孔輸送至熔融室。

由上述方案可見，當需要打印支撐部的時候，第二打印頭預備工作，發泡劑與打印支撐材料混合熔融后體積發生膨脹，第二打印頭把體積膨脹后的支撐材料逐層沉積在打印平臺上。

進一步優選的方案是，打印主體材料為PLA三維成型絲料或ABS三維成型絲料或PP三維成型絲料，打印支撐材料為PLA三維成型粉末材料或ABS三維成型粉末材料或PP三維成型粉末材料；在第二通孔的位置設置有電磁閥，第一動力單元包括腔體、螺旋送粉棍和電機，腔體內設置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用電機驅動，在電機的工作下帶動螺旋送粉棍把發泡劑帶入熔融室內，電機、電磁閥均與控制器電性連接。

由上述方案可見，粉末狀態的支撐材料與發泡劑的混合過程更為迅速、均勻，混合效果更好，工作效率提高。

一個優選的方案是，在第二通孔的位置設置一個吹氣裝置，吹氣裝置把發泡劑均勻吹散在熔融室內。

本發明還提供了一種具有支撐材料成型功能的三維打印機的成型方法，三維打印機包括打印頭組件、打印平臺和控制器，打印頭組件可相對于打印平臺沿三維方向獨立地移動；控制器分別與打印頭組件和打印平臺電連接；打印頭組件包括熔融室，打印材料在熔融室內熔融后按照預定程序逐層沉積到打印平臺上；第一動力單元裝載有發泡劑，第一動力單元把發泡劑供應至熔融室內與打印材料混合熔融；

該成型方法包括下面的步驟：首先，執行預備步驟，保持三維打印機處于工作狀態；然后，執行三維物體主體部的成型步驟，打印頭組件把打印材料熔融后逐層沉積在打印平臺上形成三維物體的主體部；接著，執行控制器判斷步驟，當控制器判斷出需要打印三維物體的支撐部的時候，啟動第一動力單元工作；接著，執行支撐部打印步驟，第一動力單元工作，電機帶動螺桿旋轉后把發泡劑帶入至熔融室內與打印材料混合熔融形成支撐材料，打印材料在加入發泡劑之后體積發生膨脹；打印頭組件把混合熔融的支撐材料逐層沉積到打印平臺上形成支撐部；接著，交替執行上述三維物體主體部的成型步驟、控制器判斷步驟和支撐材料的打印步驟，直至完成整個三維物體的成型。

一個優選的方案是，支撐部打印步驟包括初期階段和后期階段，在初期階段，發泡劑以第一流量的速率加入至熔融室內，在后期階段，發泡劑以第二流量的速率加入至熔融室內，第一流量大于第二流量；同時，在初期階段形成的支撐材料的密度低于在后期階段形成的支撐材料的密度。

一個優選的方案是，支撐部打印步驟包括初期階段、中期階段和后期階段，在初期階段，發泡劑以第一流量的速率加入至熔融室內，在中期階段，發泡劑以第二流量的速率加入至熔融室內，在后期階段，發泡劑以第三流量的速率加入至熔融室內；第一流量大于第二流量，第二流量大于第三流量，第三流量為零；在初期階段形成的支撐材料的密度為第一密度，在中期階段形成的支撐材料的密度為第二密度，在后期階段形成的支撐材料的密度為第三密度；第一密度低于第二密度，第二密度低于第三密度，第三密度與三維物體的主體部密度相同。

一個優選的方案是，打印主體材料為PLA三維成型絲料或ABS三維成型絲料或PP三維成型絲料；第一動力單元包括腔體、螺旋送粉棍和電機，腔體內設置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用電機驅動，在電機的工作下帶動螺旋送粉棍把發泡劑帶入至熔融室內，電機與控制器電性連接。

一個優選的方案是，打印頭組件包括第一打印頭和第二打印頭：第一打印頭裝載有打印主體材料,第一打印頭可相對打印平臺沿三維方向獨立地移動；第二打印頭包括熔融室,熔融室具有第一通孔和第二通孔，打印支撐材料沿第一通孔進入熔融室內，第一動力單元把發泡劑沿著第二通孔輸送至熔融室。打印主體材料為PLA三維成型絲料或ABS三維成型絲料或PP三維成型絲料，打印支撐材料為PLA三維成型粉末材料或ABS三維成型粉末材料或PP三維成型粉末材料；在第二通孔的位置設置有電磁閥，第一動力單元包括腔體、螺旋送粉棍和電機，腔體內設置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用電機驅動，在電機的工作下帶動螺旋送粉棍把發泡劑帶入熔融室內，電機、電磁閥均與控制器電性連接。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是現有的一種三維物體的截面示意圖。

圖2是現有的一種通過三維打印機打印并具有支撐部的三維物體。

圖3是本發明的具有支撐材料成型功能的三維打印機的第一實施例的示意圖。

圖4是本發明的具有支撐材料成型功能的三維打印機的第一實施例的打印頭組件的示意圖。

圖5是本發明的具有支撐材料成型功能的三維打印機的第二實施例的示意圖。

圖6是本發明的三維打印機第三實施例的示意圖。

圖7是本發明的三維打印機第三實施例的打印平臺上具有主體部時的打印狀態示意圖；

圖8是本發明的三維打印機第三實施例預備打印支撐材料時的打印狀態示意圖；

圖9是本發明的三維打印機第三實施例打印支撐部和懸空部的打印狀態示意圖。

圖10是本發明的三維打印機第五實施例的結構示意圖。

圖11是本發明的三維打印機第五實施例的打印頭、第一供應單元、第二供應單元的結構示意圖。

圖12是本發明的三維打印機第五實施例的打印頭的結構示意圖。

圖13是本發明的三維打印機第五實施例的存儲模塊內預備打印的理論三維物體的結構示意圖。

圖14是本發明的三維打印機第五實施例的存儲模塊內預備打印的理論三維物體的中間部分的結構示意圖。

圖15是本發明的三維打印機第八實施例的結構示意圖。

圖16是本發明的三維打印機第八實施例的部分組件之間的連接示意圖。

具體實施方式

第一實施例

如圖3所示，本實施例提供一種具有支撐材料成型功能的三維打印機,其包括打印頭組件30、打印平臺13、控制器20和第一動力單元40。

打印頭組件30分別相對于打印平臺10沿三維方向獨立地移動。控制器20分別與打印頭組件30和打印平臺13電連接。在一種驅動方式中，控制器20驅動電機旋轉提供動力，電機通過傳動部件帶動打印平臺13或打印頭組件30的移動。第一動力單元40裝載有發泡劑，第一動力單元40把發泡劑供應至熔融室33內與打印材料混合熔融。

如圖4所示，打印頭組件30包括熔融室33，打印絲料38依靠主動輪39和支撐輪41的配合提供動力，打印絲料38可以逐漸進入到熔融室33內。打印絲料38在熔融室33內熔融后按照預定程序逐層沉積到打印平臺13上。

打印主體材料為PLA三維成型絲料或ABS三維成型絲料或PP三維成型絲料。優選地，第一動力單元40包括腔體、螺旋送粉棍和電機，腔體內設置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用電機驅動，在電機的工作下帶動螺旋送粉棍把發泡劑帶入至熔融室內，電機與控制器20電性連接。

在打印支撐部12的時候，第一動力單元40把發泡劑加入到熔融室33內，發泡劑與打印絲料38混合熔融后使得打印材料的體積發生膨脹，膨脹的熔融打印材料逐層沉積在打印平臺13上形成支撐部12，支撐部12的密度低于未經處理的打印絲料38的密度，使用的支撐材料的重量相應減少，從而實現降低成本的目的。特別是針對于大型物體，如人體模型，建筑物模型的成型，支撐材料的成本節省非常顯著。本實施例的打印頭組件30只有一個打印頭，該打印頭可以作為主體部10、支撐部12和懸空部11的打印，當打印主體部10的時候，第一動力單元40是不工作的，也就是發泡劑不進入熔融室33內。當打印支撐部12的時候，第一動力單元40把發泡劑加入到熔融室33內，發泡劑與打印絲料38混合熔融后形成支撐材料，支撐材料逐層沉積在打印平臺13上形成支撐部12。

本實施例的具有支撐材料成型功能的三維打印機的成型方法包括下面的步驟。

首先，執行預備步驟，保持三維打印機處于工作狀態。

然后，執行三維物體主體部10的成型步驟，打印頭組件30把打印絲料38熔融后逐層沉積在打印平臺13上形成三維物體的主體部10。

接著，執行控制器判斷步驟，當控制器判斷出需要打印三維物體的支撐部12的時候，啟動第一動力單元40工作。

接著，執行支撐部12的打印步驟，第一動力單元40工作，電機帶動螺桿旋轉后把發泡劑帶入至熔融室33內與打印絲料38混合熔融形成支撐材料，打印材料在加入發泡劑之后體積發生膨脹。打印頭組件30把混合熔融的支撐材料逐層沉積到打印平臺13上形成支撐部12。

最后，當完成支撐部12的打印步驟后，在支撐部12上打印形成懸空部11，完成整個三維物體的成型。

第二實施例

本實施例的具有支撐材料成型功能的三維打印機與第一實施例相同，下面僅就不同之處作出描述。如圖5所示，打印頭組件包括第一打印頭31和第二打印頭32。第一打印頭31內裝載有打印主體材料,第一打印頭31可相對打印平臺13沿三維方向獨立地移動。第二打印頭32包括熔融室33,熔融室33具有第一通孔和第二通孔，打印支撐材料沿第一通孔（熔融室的側面或頂面）進入熔融室33內，第一動力單元把發泡劑沿著第二通孔輸送至熔融室33。

第一打印頭31完成主體部10和懸空部11的打印步驟。在打印主體部10的時候，第二打印頭32已經完成發泡劑和打印絲料的混合熔融的步驟，體積發生膨脹。第二打印頭32預備工作，第二打印頭32把體積膨脹后的支撐材料逐層沉積在打印平臺13上形成支撐部12，這種方式相比第一實施例節省了時間。打印主體材料為PLA三維成型絲料或ABS三維成型絲料或PP三維成型絲料，打印支撐材料為PLA三維成型粉末材料或ABS三維成型粉末材料或PP三維成型粉末材料。

相比于第一實施例的一個打印頭，本實施例的兩個打印頭的技術方案可以顯著提高工作效率，在第一實施例中，一個打印頭在完成主體部10的打印步驟后，需要在熔融室33內混合加入發泡劑后才可以繼續支撐部12的打印步驟，顯然這種方式的工作效率較慢。相比而言，本實施例的第一打印頭31完成主體部10的打印工作后，第二打印頭32已經可以預先完成發泡劑與打印材料的混合熔融步驟，從而顯著提升工作效率。

在其它實施例中個，在第二通孔的位置設置有電磁閥。第一動力單元包括腔體、螺旋送粉棍和電機，腔體內設置螺旋送粉棍，螺旋送粉棍用電機驅動，在電機的工作下帶動螺旋送粉棍把發泡劑帶入熔融室33內，電機、電磁閥均與控制器電性連接。采用這種方式時，粉末材料的支撐材料與發泡劑混合過程更為迅速、均勻，混合效果更好，工作效率提高。在更優選的方案中，在第二通孔的位置設置一個吹氣裝置，吹氣裝置把發泡劑均勻吹散在熔融室33內。

在一些優選的實施例中，支撐部12的打印步驟包括初期階段和后期階段。在初期階段，發泡劑以第一流量的速率加入至熔融室內，在后期階段，發泡劑以第二流量的速率加入至熔融室內，第一流量大于第二流量。因此，在初期階段形成的支撐材料的密度低于在后期階段形成的支撐材料的密度，由此得到了不同位置的密度不同的支撐部12。

在一些優選的實施例中，支撐部打印步驟包括初期階段、中期階段和后期階段。在初期階段，發泡劑以第一流量的速率加入至熔融室內，在中期階段，發泡劑以第二流量的速率加入至熔融室內，在后期階段，發泡劑以第三流量的速率加入至熔融室內；第一流量大于第二流量，第二流量大于第三流量，第三流量為零。在初期階段形成的支撐材料的密度為第一密度，在中期階段形成的支撐材料的密度為第二密度，在后期階段形成的支撐材料的密度為第三密度；第一密度低于第二密度，第二密度低于第三密度，第三密度與三維物體的主體部密度相同。由此，支撐部12的密度由下向上依次包括第一密度支撐部、第二密度支撐部和第三密度支撐部，第三密度支撐部與原始打印絲料密度相同，這樣的方式有助于懸空部11的下底面成型在第三密度支撐部12上。

第三實施例

本實施例在第一實施例的三維打印機的基礎上,作出了進一步改進。如圖6所示，為本實施例提供的具有支撐材料打印頭的三維打印機，該三維打印機包括打印頭組件和打印平臺120。

打印頭組件可相對于打印平臺120沿三維方向獨立地移動。控制器130分別與打印頭組件和打印平臺120直接或間接地電連接，控制器可以是一個單片機或芯片處理器或電腦或PLC（可編程邏輯控制器）程序。打印頭組件包括第一打印頭141、第二打印頭142和第三打印頭143。第一打印頭141裝載有打印主體材料，第一打印頭141可相對打印平臺120沿三維方向獨立地移動。第二打印頭142裝載有打印支撐材料，第二打印頭142可相對打印平臺120沿三維方向獨立地移動。

第一打印頭141和第二打印頭142可以采取線狀絲料熔融沉積的方式進行打印，絲狀材料的傳動、熔融擠出成型的過程采用現有的三維打印機的打印頭。例如，第一打印頭141和第二打印頭142可以采用美國MakerBot公司的具有PLA、ABS等絲料傳送、熔融、打印功能的打印頭。打印主體材料和打印支撐材料可以選用現有的用于三維打印的絲狀材料，例如PLA（聚乳酸），ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)，PVC（聚氯乙烯），PC（聚碳酸酯）。

第三打印頭143內裝載有粘結劑，第三打印頭143可以是一個噴槍，噴槍把粘結劑噴涂在支撐板150上。第三打印頭143還可以是一個涂抹裝置，涂抹裝置可以在控制器130的控制下在支撐板150上涂抹一定厚度的粘結劑，粘結劑的作用在于把支撐部的下底面粘附牢固在支撐板150上，這樣可以避免支撐部的位置移動，如果發生位置移動則會造成打印物體的偏差。粘結劑例如可以選擇如下物質：氰基丙烯酸酯粘結劑、觸變性(假塑性)氰基丙烯酸酯粘結劑、儲存穩定的觸變性a-氰基丙烯酸酯粘結劑、快固化氰基丙烯酸酯酯結劑、氰基丙烯酸酯粘結劑的底漆、厭氣性可固化粘結劑、高強度儲存穩定的厭氣性粘結劑、工業膠水、醫用膠水等。

支撐板組件具有連接在一起的移動機構和支撐板150，移動機構帶動支撐板150相對于打印平臺120在三維方向上移動。支撐板150的邊緣部為柔性邊緣部，柔性邊緣部例如為硅膠，當支撐板150移動靠近主體部10的時候，柔性邊緣部可以起到一定的緩沖作用，避免在硬性撞擊到主體部10后對其表面造成損傷，或者硬性撞擊導致主體部10的位置發生移動，而這種位置移動造成的偏差會導致三維物體的精度下降。柔性邊緣部還可以設置有距離傳感器，距離傳感器例如可以是紅外傳感器或基于其它原理的距離傳感器，當傳感器感應到距離主體部10的距離小于一定距離后，控制器130控制并降低移動支撐板150的移動速率，距離傳感器可以是一個觸碰開關。距離傳感器、第一打印頭141、第二打印頭142、第三打印頭143、打印平臺120、支撐板150均直接或間接地與控制器130電性連接，控制器130由此控制它們的工作。例如在一種方式中，控制器130控制電機的旋轉，電機通過傳動部件實現對第一打印頭141、第二打印頭142、第三打印頭143、打印平臺120、支撐板150的移動控制。

本實施例的具有支撐材料打印頭的三維打印機的成型方法包括下面的步驟。

首先，執行準備步驟，啟動三維打印機的開關，對打印頭組件和打印平臺120的位置進行校準，控制器130獲得三維物體的各層數據信息，三維物體為如圖2所示的三維物體，該三維物體具有主體部10、懸空部11和支撐部12，懸空部11分別與支撐部12和主體部10連接。

然后，如圖7所示，執行主體部10的打印步驟，第一打印頭141把打印主體材料逐層沉積在打印平臺120上至打印平臺120上的第一高度121，由此形成主體部10，在執行這個步驟的時候，支撐板150距離打印平臺120的距離較遠，或者說，支撐板150不在打印平臺120的投影區域內。

接著，如圖8所示，執行移動支撐板150的步驟，控制器130發出指令預備打印三維物體的支撐部12。支撐板150的邊緣部的一部分移動并觸碰至主體部10。具體地，移動機構帶動支撐板150至打印平臺120上方的第二高度122，支撐板150首先以第一速率移動至靠近主體部10的豎直部分的位置，柔性邊緣部的傳感器感應到其距離主體部10的距離小于設定距離后，控制器130控制支撐板150以第二速率緩慢靠近主體部10，直到柔性邊緣部觸碰到支撐部10后，支撐板150則停止水平方向上的移動。由于柔性邊緣部具有彈性，因此可以起到很好的緩沖作用，柔性邊緣部優選采用能量吸收材料或者太空棉，太空棉可以最大限度減少支撐板150對主體部10的沖擊作用。第二高度122在第一高度121的下方。

接著，如圖9所示，執行支撐部12的打印步驟，第二打印頭142在支撐板150上逐層打印形成支撐部12。由于支撐板150可以移動到第二高度122的位置用于承接支撐部12，因此支撐部12需要打印的高度顯著較少。現有的支撐部12需要打印的正常高度為第一高度121。最后，執行懸空部11的打印步驟，第一打印頭141在支撐部12上逐層打印形成懸空部11。懸空部11打印完畢之后就可以完成整個三維物體的打印。

第四實施例：

本實施例與上述第三實施例基本相同，下面僅就不同之處給出詳細介紹。

本實施例的支撐部12的密度低于主體部10的密度，密度的大小可以根據具體的打印方式決定，打印頭在支撐板150上擠出一條熔融絲狀打印材料，橫向的絲狀材料與縱向的絲狀材料重疊交叉，最后形成一個層結構的三維物體。主體部10一般需要密度較高的結構，而支撐部12由于僅僅是為了暫時性起到一定的支撐作用，因此可以打印形成松散的、密度較低的結構。當三維物體成型之后，則需要去除支撐部12。主體部10的密度與懸空部11的密度相同。

本實施例的打印頭組件還包括第三打印頭143，第三打印頭143內裝載有粘結劑，在執行支撐部打印步驟之前，第三打印頭143在支撐板150上涂抹一層粘結劑，支撐部12的第一層（下面的底層）覆蓋在支撐板150上的粘結劑上。由于本實施例的支撐部12的密度較小，且較為松散，因此第二打印頭142在支撐板150上打印支撐材料時，支撐部12的下底面容易發生位置移動，在支撐板150上噴涂一層粘結劑之后，粘結劑可以對支撐部12的下底面起到粘附固定作用，從而避免支撐部12的意外位置移動。

在其它實施例中，支撐板150為圓形支撐板，圓形支撐板可以繞其圓心周向旋轉。在圓形支撐板上可以劃分出第一區域、第二區域、第三區域，其中，第一區域在打印第一個三維物體時作為承接支撐部的專用區域，第二區域作為打印第二個三維物體時承接支撐部的專用區域，第三區域在打印第三個三維物體時作為承接支撐部的專用區域。當打印完成第一個三維物體時，圓形支撐板上的第一區域上殘留的支撐部或粘結劑會妨礙第二個三維物體的打印。即使在支撐板上去除支撐部后，這種妨礙作用依然存在，因為在去除支撐部的時候，支撐部的下底面很可能會殘留固體在圓形支撐板的上表面，如果直接更換圓形支撐板或者對其進行清洗，則會降低工作效率。此時，圓形支撐板繞其圓心旋轉一定角度后，使得第二個三維物體的懸空部的投影可以正好在第二區域內，第二區域是干凈的表面，因此可以作為支撐部的打印。當完成第二個三維物體的打印后，圓形支撐板繞其圓心旋轉一定角度后，使得第三個預備打印的三維物體的懸空部的投影正好在第三區域內，由于第三區域是干凈的表面，因此可以作為第三個三維物體的支撐部的打印區域，第三區域內的支撐部的打印完成后，再完成第三個三維物體的懸空部的打印過程。

第五實施例

本實施例的三維打印在上面幾個實施例的基礎上，作出了進一步的改進。如圖10所示，本實施例的三維打印機包括打印頭組件、打印平臺210和控制器220。打印頭組件具有多個打印頭，本實施例的打印頭組件包括第一打印頭231、第二打印頭232和第三打印頭233。打印頭組件可相對于打印平臺210沿三維方向獨立地移動。控制器220分別與第一打印頭231、第二打印頭232、第三打印頭233和打印平臺210控制性電連接。例如在一種方式中，控制器220控制電機的旋轉，電機通過傳動部件實現對第一打印頭231、第二打印頭232、第三打印頭233、打印平臺210的移動控制。

每一個打印頭內裝載有一種顏色的打印絲料，具體地，第一打印頭231內裝載白色打印絲料，第二打印頭232內裝載紅色打印絲料，第三打印頭233內裝載藍色打印絲料。打印絲料為PLA（聚乳酸）三維成型絲料或ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物）三維成型絲料或PP（聚丙烯）三維成型絲料或PVC（聚氯乙烯）三維成型絲料或（PE）聚乙烯三維成型絲料。打印絲料具體還可以選擇其它顏色，如黃色、綠色、灰色等。

如圖11所示，打印頭包括熔融室234，打印絲料235在熔融室234內熔融后從噴嘴239噴出，并按照預定程序逐層沉積到打印平臺210上。打印絲料235可以靠兩個輸送輪移動打印絲料235至熔融室234內，兩個輸送輪包括一個主動輪236和一個從動輪237，主動輪236可以由電機帶動旋轉。打印絲料235的遠端纏繞在絲料盤上，絲料盤懸掛在三維打印機的機架上。

如圖12所示，第一動力單元包括第一腔體241、第一螺旋送粉棍242和第一電機243，第一腔體241內設置第一螺旋送粉棍242，第一螺旋送粉棍242用第一電機243驅動，在第一電機243的工作下帶動第一螺旋送粉棍242把玻璃纖維244帶入至熔融室234內，第一電機243與控制器220電性連接。控制器220通過控制第一電機243的轉速，進而控制第一螺旋送粉輥242的轉速，最終實現對第一動力單元供粉速率的控制。在其它實施例中，第一腔體241的第一出口245處設置一個第一電磁閥門，第一電磁閥門的大小可以根據流量大小進行調控，第一電磁閥門也可以實現供粉速率的調節。第一動力單元裝載有玻璃纖維244，第一動力單元把玻璃纖維244供應至熔融室234內與打印絲料235在熔融室234內混合熔融。

第二動力單元的圖示結構請參見上述第一動力單元的結構，它們基本相同。第二動力單元包括第二腔體、第二螺旋送粉棍和第二電機，第二腔體內設置第二螺旋送粉棍，第二螺旋送粉棍用第二電機驅動，在第二電機的工作下帶動第二螺旋送粉棍把塑料軟化劑帶入至熔融室234內，第二電機與控制器220電性連接。控制器220通過控制第二電機的轉速，進而控制第二螺旋送粉輥的轉速，最終實現對第二動力單元供粉速率的控制，在其它實施例中，第二腔體的第二出口處設置一個第二電磁閥門，第二電磁閥門的大小可以根據流量大小進行調控，第二電磁閥門也可以實現供粉速率的調節。第二動力單元裝載有塑料軟化劑，第二動力單元把塑料軟化劑供應至熔融室234內與打印絲料235混合熔融。塑料軟化劑具體可以選擇：PVC（聚氯乙烯）柔軟劑、 PE（聚乙烯）柔軟劑或PP（聚丙烯）柔軟劑或其它對應打印材料的柔軟劑。

玻璃纖維、塑料軟化劑的添加量根據具體需要進行調節。一般在千分之五到百分之一，具體根據需要添加不同量的塑料軟化劑或玻璃纖維，以得到不同軟化度的熔融打印材料，最后得到不同軟化度的三維物體。

本實施例的高精度彩色三維打印機的成型方法包括下面的步驟。本實施例預備打印如圖13所示的三維物體，該三維物體的數據信息存儲在存儲模塊中，該三維物體250具有下側部分251、中間部分252和上側部分253，其中下側部分251為白色、中間部分252為紅色、上側部分253為灰色。如圖14所示，中間部分252具體包括第一部分254、第二部分255和第三部分256，其中第一部分254的硬度與打印絲料235的硬度相同，第二部分255的硬度大于打印絲料235的硬度，第三部分256的硬度小于打印絲料235的硬度。

首先，執行預備步驟，保持三維打印機處于工作狀態。

然后，執行打印絲料顏色選擇步驟，選定一種顏色的絲料打印，由于預備打印的三維物體的下側部分251為白色，因此首先選擇第一種打印絲料的顏色為白色。控制器220控制第一打印頭231工作，第一打印頭231帶動白色的打印絲料熔融后沉積在打印平臺210上形成下側部分251。

接著，當下側部分251打印完畢后，開始進行中間部分252的打印過程，控制器220控制第二打印頭232把紅色絲料在熔融室234內熔融后沉積在打印平臺210上形成中間部分252。

執行判斷步驟，控制器220發出判斷信號，判斷執行打印第一部分254或第二部分255或第三部分256的命令。當執行打印第一部分254的命令時，選定的打印絲料在熔融室234內熔融后沉積在打印平臺210上形成第一部分254。當執行打印第二部分255的命令時，第一供應單元按照一定速率把玻璃纖維244供應至第二打印頭232的熔融室內與打印絲料混合熔融后沉積在打印平臺210上形成第二部分255。當執行打印第三部分256的命令時，第二供應單元按照一定速率把塑料軟化劑加入到第二打印頭232的熔融室內與打印絲料熔融混合后沉積在打印平臺210形成第三部分256。具體地，由于第一部分254在下端，因此控制器220首先控制打印第一部分254，再打印第二部分255，最后打印第三部分256。當打印第一部分254的時候，由于第一部分254需要的硬度與打印絲料的硬度相同，因此，只需要直接把紅色打印絲料熔融后沉積在打印平臺210上即可。第一部分254打印完成后，開始進行第二部分255的打印，第二部分255的硬度大于打印絲料的硬度，控制器220發出信號，啟動第一供應單元工作，第一供應單元按照第一流量的速率把玻璃纖維供應至熔融室234內與打印絲料混合熔融。混合熔融后的打印絲料的硬度要大于打印絲料的本身硬度，混合熔融后的打印材料逐層沉積在打印平臺210上，形成第二部分255。第二部分255打印完成后，開始進行第三部分256的打印，第三部分256的硬度小于打印絲料的硬度，控制器220發出信號，啟動第二供應單元工作，第二供應單元按照第二流量速率把塑料軟化劑供應至熔融室234內與打印絲料混合熔融。混合熔融后的打印絲料的硬度要小于打印絲料的本身硬度，混合熔融后的打印絲料逐層沉積在打印平臺上，形成第三部分256。

最后，重復執行上述絲料顏色選擇步驟和判讀步驟，直至完成整個三維物體的成型，形成高精度彩色三維物體。

由上述方案可見，單一絲料根據具體的需要可以調節硬度，進而得到在不同位置具有不同硬度的彩色三維物體。

第六實施例

本實施例的三維打印機與第五實施例基本相同，下面僅就不同之處詳細說明。

本實施例的三維打印機還包括表面硬度傳感器，表面硬度傳感器可以是超聲硬度傳感器或者其它現有的適合于測定固體表面硬度的傳感器。表面硬度傳感器用于檢測在打印平臺上形成的三維物體的硬度，表面硬度傳感器與控制器電連接。

控制器具有比較模塊和存儲模塊。比較模塊把表面硬度傳感器檢測到的硬度數據與存儲模塊內的硬度數據進行比較。在完成第一個三維物體的成型步驟后，可能需要重復打印該三維物體，以形成第二個、第三個或更多重復打印的三維物體。每完成一個三維物體的成型后,表面硬度傳感器即完成對該三維物體的表面的硬度的檢測并得到硬度數據。

本實施例通過比較模塊和存儲模塊的設置，增加了一個硬度校準的功能，具體實現該校準功能的步驟如下。在完成第一個三維物體的成型步驟后，表面硬度傳感器獲得第一個三維物體的第一部分、第二部分和第三部分的硬度數據，比較模塊把該硬度數據與存儲模塊內的硬度數據相互比較并發出判段信號。存儲模塊內的硬度數據為理論硬度數據，由于不同的打印機的結構不同，外界環境如溫度、濕度也不同，依據該理論硬度數據打印形成的三維物體的實際硬度與理論硬度數據會存在偏差，并且，這種偏差度有可能較大而超過一定的范圍。通過程序設定，如果表面硬度傳感器檢測到的硬度數據與存儲模塊內的硬度數據存在偏差，且偏差超過一定的閾值。控制器則相應調節第一供應單元加入至打印頭的熔融室內的玻璃纖維的速率，或者調節第二供應單元加入至熔融室內的塑料軟化劑的速率。具體地，當表面硬度傳感器檢測到三維物體的第二部分的硬度小于理論硬度的時候，在打印第二個三維物體的相同位置時，控制器則相應加快第一供應單元加入至熔融室內的玻璃纖維的速率，當玻璃纖維加入速率提高后，玻璃纖維與打印絲料混合熔融后得到的三維物體的硬度隨之增加。再比如，當表面硬度傳感器檢測到三維物體的第三部分的硬度大于理論硬度的時候，在打印第二個三維物體的相同位置時，控制器則相應加快第二供應單元加入至熔融室內的塑料軟化劑的速率，當塑料軟化劑的加入速率提高后，塑料軟化劑與打印絲料混合熔融后得到的三維物體的硬度隨之降低。

第七實施例

在第五實施例中，第一打印頭231用于打印下側部分251，第二打印頭232用于打印中間部分252，第三打印頭233用于打印上側部分253。本實施例的第二打印頭包括第一子打印頭、第二子打印頭和第三子打印頭。其中，第一子打印頭、第二子打印頭和第三子打印頭均為裝載紅色打印絲料，第二打印頭專門用于打印三維物體的紅色中間部分，本實施例的紅色中間部分也包括第一部分、第二部分和第三部分。第一子打印頭專門用于打印第一部分，在打印第一部分的時候，第二子打印頭則混合玻璃纖維和打印絲料形成硬度加強的打印材料，最后沉積在打印平臺上形成第二部分；同時，第三子打印頭則混合塑料軟化劑和打印絲料形成硬度降低的打印材料。這種打印方式可以明顯提升三維物體的成型效率。

第八實施例

本實施例在上述實施例的基礎上，作出了進一步的改進。本實施例的三維打印機包括打印頭組件和打印平臺，打印頭組件可相對于打印平臺沿三維方向獨立地移動。控制器分別與打印頭組件和打印平臺電連接。

如圖15和圖16所示，打印頭組件包括第一送粉件310、第二送粉件320和第三送粉件330。

第一送粉件310具有第一中空筒體311，第一中空筒體311內設置第一螺旋送粉棍312，第一中空筒體310的上游端設置有第一加粉口313，第一中空筒體311的下游端設置第一出口314。詞語“上游”是指粉末打印材料在第一中空筒體311內行進方向的前端，詞語“下游”是指粉末打印材料在第一中空筒體311內行進方向的后端。紅色粉末打印材料裝載在第一中空筒體311內，第一出口314的位置設置有第一流量傳感器和第一閥門，第一流量傳感器用于實時監測第一出口314位置的紅色粉末打印材料的流量，并實時把監測信號傳輸至控制器340。第一流量傳感器可以采用現有的粉末流量計或粉體流量計。紅色粉末打印材料沿第一加粉口313進入至第一中空筒體310內，第一螺旋送粉棍312帶動紅色粉末打印材料至第一中空筒體311的第一出口314的位置，控制器340通過調節第一螺旋送粉棍312的轉速或者第一閥門的開口大小而對紅色粉末打印材料進入到混合熔融室350的流量進行調節。第一閥門優選為控制粉末流動的粉體式電磁閥門。

第二送粉件320的結構與第一送粉件的結構基本相同。第二送粉件320具有第二中空筒體，第二中空筒體內設置第二螺旋送粉棍，第二中空筒體的上游端設置有第二加粉口，第二中空筒體的下游端設置第二出口。綠色粉末打印材料在第二中空筒體內，第二出口的位置設置有第二流量傳感器，第二流量傳感器用于實時監測第二出口位置的綠色粉末打印材料的流量，并實時把監測信號傳輸至控制器。第二流量傳感器采用現有的粉末流量計或粉體流量計。綠色粉末打印材料沿第二加粉口進入至第二中空筒體，第二螺旋送粉棍帶動綠色粉末打印材料至第二中空筒體的第二出口，控制器通過調節第二螺旋送粉棍的轉速以及第二閥門的開口大小對綠色粉末打印材料進入到混合熔融室350的流量進行調節。

第三送粉件330的結構與第一送粉件的結構也基本相同。第三送粉件330具有第三中空筒體，第三中空筒體內設置第三螺旋送粉棍，第三中空筒體的上游端設置有第三加粉口，第三中空筒體的下游端設置第三出口。藍色粉末打印材料在第三中空筒體內，第三出口的位置設置有第三流量傳感器，第三流量傳感器用于實時監測第三出口位置的藍色粉末打印材料的流量，并實時把監測信號傳輸至控制器。第三流量傳感器采用現有的粉末流量計或粉體流量計。藍色粉末打印材料沿第三加粉口進入至第三中空筒體，第三螺旋送粉棍帶動藍色粉末打印材料至第三中空筒體的第三出口，控制器通過調節第三螺旋送粉棍的轉速以及第三閥門的開口大小對藍色粉末打印材料進入到混合熔融室350的流量進行調節。

混合熔融室350具有第一進口351、第二進口352、第三進口353和打印噴嘴354，第一出口314和第一進口351接通，第二出口和第二進口352接通，第三出口和第三進口353接通。混合熔融室350內設置有攪拌元件341和加熱元件342，攪拌元件341和加熱元件342均與控制器340電性連接。打印平臺360上設置有重量傳感器343，重量傳感器343可以實時監測打印平臺360上的重量數據，并且把數據信號實時傳輸至控制器340。控制器340還分別與第一流量傳感器344、第二流量傳感器345和第三流量傳感器346電性連接。由此，控制器340可以實時獲得第一送粉件310加入到混合熔融室350內的紅色粉末打印材料的質量，還可以實時獲得第二送粉件320加入到混合熔融室350內的綠色粉末打印材料的質量，還可以實時獲得第三送粉件330加入到混合熔融室350內的藍色粉末打印材料的質量。

該成型方法包括下面的步驟。

首先，執行準備步驟，啟動三維打印機的開關，對打印頭組件和打印平臺360的位置進行校準，控制器340獲得三維物體的各層數據信息，各層數據信息包括顏色數據信息，三維打印機預備打印第一種顏色的熔融材料。控制器340包括一個處理器，處理器經過分析和計算，確定第一種顏色的熔融材料的重量配比為:加入紅色粉末打印材料10質量份，加入綠色粉末打印材料10質量份，加入藍色粉末打印材料10質量份。

接著，執行送粉步驟，第一送粉件310向混合熔融室350加入第一質量份（10質量份）的紅色粉末打印材料，第一流量傳感器344實時監測紅色粉末打印材料加入到混合熔融室350內的重量，并把信息傳輸至控制器340。當加入混合熔融室350內的量至10質量份時，第一送粉件310停止向混合熔融室350內再加入紅色粉末打印材料。第二送粉件320向混合熔融室350加入第二質量份（10質量份）的綠色粉末打印材料，第二流量傳感器345實時監測綠色粉末打印材料加入到混合熔融室350內的重量，并把信息傳輸至控制器340，當加入混合熔融室350內的量至10質量份時，控制器340控制停止第二送粉件320向混合熔融室350內再加入綠色粉末打印材料。第三送粉件330向混合熔融室350加入第三質量份（10質量份）的藍色粉末打印材料，第三流量傳感器346實時監測藍色粉末打印材料加入到混合熔融室350內的重量，并把信息傳輸至控制器340，當加入量至10質量份時，控制器340控制停止向混合熔融室350內再加入藍色粉末打印材料。通過控制器340、第一流量傳感器344、第二流量傳感器345和第三流量傳感器346的協同配合，實現了紅色粉末打印材料、綠色粉末打印材料和藍色粉末打印材料加入到混合熔融室350內的精確控制，由此可以實現高精度三維物體的成型。在一種替代的實施例中，也可以省略第一流量傳感器344、第二流量傳感器345和第三流量傳感器346，而是通過控制器340控制電機的轉速，電機帶動第一螺旋送粉棍312、第二螺旋送粉棍或第三螺旋送粉棍的旋轉而把固定流量的粉末材料輸送至混合熔融室350內，同時，需要記錄時間，根據時間與流量的關系得到加入混合熔融室350內的粉末打印材料的重量。雖然這種替代方式的精確度不如傳感器的方式，但是也可以獲得不同顏色的混合熔融材料。

接著，執行混合和熔融步驟，10質量份的紅色粉末打印材料、10質量份的綠色粉末打印材料和10質量份的藍色粉末打印材料在混合熔融室50內發生混合、熔融后得到第一種顏色的熔融材料，混合過程持續一定時間如30秒或1分鐘至均勻，熔融持續一定時間如45秒或2分鐘至均勻。

接著，執行層打印步驟，第一種顏色的熔融材料在打印平臺360上形成預定的三維圖形，重量傳感器343得到重量數據信息，監測到打印平臺360上增加了15質量份的三維物體，該數據信息實時傳輸至控制器340，控制器340經過運算后得知混合熔融室350內的熔融材料的總重量剩余應為15質量份，其中，紅色打印材料、綠色打印材料和藍色打印材料在總重量中的質量各為5質量份。

接著，如果控制器340預備打印第二種顏色的熔融材料，第二種顏色的熔融材料的理論重量配比為:加入紅色粉末打印材料8質量份，加入綠色粉末打印材料7質量份，加入藍色粉末打印材料6質量份。經過計算可知，執行顏色變化步驟，顏色變化步驟為：控制第一送粉件310向混合熔融室350內加入3質量份的紅色粉末打印材料，控制第二送粉件320向混合熔融室350內加入2質量份的綠色粉末打印材料，控制第三送粉件330向混合熔融室350內加入1質量份的藍色粉末打印材料。最后，經過混合和熔融步驟后得到第二種顏色的熔融材料。

接著，重復執行層打印步驟和顏色變化步驟，直至完成三維物體的成型。

在其它實施例中，打印頭組件還包括支撐材料打印頭，支撐材料打印頭可相對于打印平臺沿三維方向獨立地移動。三維打印機還包括警報裝置，警報裝置與控制器電性連接；當第一送粉件和/或第二送粉件和/或第三送粉件內裝載的粉末材料低于設定值后，控制器發出信號控制警報裝置發出警報。混合熔融室350內設置有一個或多個顏色識別傳感器，顏色識別傳感器與控制器電性連接，顏色識別傳感器可以加強對混合熔融室350內得到的混合熔融打印材料的顏色進行監測和測量，當其檢測到混合熔融室350內的顏色出現誤差后，通過顏色識別傳感器把檢測信號傳輸至控制器340，控制器340反饋控制調節第一送粉件、第二送粉件和第三送粉件加入到混合熔融室350內的粉末材料的量，由此實現三種顏色粉末材料在混合熔融室350內的比例調節，最終實現對混合熔融室內顏色的調節，從而得到一種彩色精度更高的三維物體。顏色識別傳感器最好設置在混合熔融室的噴嘴位置。在混合熔融室350內的上側部設置一個鼓風機，鼓風機的控制開關與控制器340電連接，鼓風機最好可以提供持續性旋轉的氣流，旋轉的氣流帶動紅色粉末打印材料、綠色粉末打印材料和藍色粉末打印材料預混合。混合熔融室350內還可以設置負壓裝置，負壓裝置向室內提供負壓氣流，負壓氣流特別需要提供在第一進口351、第二進口352和第三進口353的位置，負壓氣流的設置有助于不同的粉末材料沿著第一進口351、第二進口352和第三進口353快速、完全地進入到混合熔融室350內。為了使得混合熔融室350得到的混合熔融材料更容易從打印噴嘴354噴出,可以在混合熔融室350內設置一個螺桿,電機驅動螺桿旋轉后可以加快混合熔融材料由打印噴嘴354噴出。打印噴嘴354的開口位置設置有電磁閥門，電磁閥門與控制器340電性連接，當混合熔融室350內的各種顏色的粉末材料在混合熔融的時候，電磁閥門處于閉合狀態，直至顏色識別傳感器檢測到混合熔融室350內的熔融材料的顏色達到理論需求的顏色的時候，控制器340開啟打印噴嘴354位置的電磁閥門。

第一流量傳感器、第二流量傳感器、第三流量傳感器、顏色識別傳感器、重量傳感器可以直接或間接地與控制器連接。連接方式可以是有線連接或無線連接，無線連接例如為WiFi連接，藍牙連接等。傳感器可以包括一個發出信號天線，供電電池，控制器包括一個接收信號天線、供電電池。控制器包括一個PLC編程程序或者芯片處理器，或者控制器就是一個電腦或手機，工作人員可以通過該電腦或手機實現對三維打印機的控制。

根據顏色配比的原理，對三元色的重量比例進行調節后可以得到具體需要的顏色。具體地，三種顏色的粉末打印材料的流量均可以根據具體的需要進行調節，從而得到需要的混合熔融后的不同顏色的打印材料。