TWI665079B - ３ｄ連續彩色列印機、列印連續彩色３ｄ物件之方法以及３ｄ列印機 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種3D連續彩色列印機，包含至少一料匣、一混合器以及一單一噴頭，該料匣內容納有一構築原料，該混合器與該料匣連接，該單一噴頭連接至該混合器的一出口，其中容納於該料匣的構築原料被送至該混合器與該單一噴頭以形成一連續彩色物件。

Description

3D連續彩色列印機、列印連續彩色3D物件之方法以及3D列印機

本發明係有關於一種3D連續彩色列印機、一種列印連續彩色3D物件之方法以及一種3D列印機。

快速成型(Rapid prototyping)與快速製程(Rapid manufacturing processes)係盡量在沒有人力介入和使用模具的情形下將3D電腦輔助設計(CAD，Computer aided design)資料直接且快速地轉換成工件。大多數的列印機都是單色列印機，然而，隨著列印的潮流，消費者會更要求高品質且價格合理的彩色列印。

目前的3D彩色列印面臨的其中一個挑戰是所使用的構築原料。常見的低成本熱塑性3D列印機僅使用單一熱押出機來提供熱熔的能量。亦有多個熱押出機的3D列印機，但並不實際，因為熔融的塑料接觸到支撐床就馬上固化、冷卻。這類的多個熱押出機的3D列印機因液滴太大(比桌上型噴墨印表機的墨水液滴還大得多)而無法將固化的液滴混合來獲得連續全彩物件。有些彩色3D列印機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(常見的構築原料)熔點超過200℃且易在沒有隔熱的狀態下快速地冷卻，因此混合它們是很困難的。

習知的快速成型製程可分為兩類：使用雷射的製程以及不使用雷射的製程。其中一種是立體光刻(SLA，Stereolithography)，以雷射將輻射固化聚化物的液體混合物一層一層地硬化，若希望立體光刻製成的工件上具有色彩，則將該工件的表面進行染色，相當複雜且耗時。另一種方法是選擇性雷射燒結(SLS，Selective laser sintering)，與立體光刻類似，係將粉狀原料(例如熱塑性塑料或可燒結金屬)以雷射選擇性地一層一層燒結。此方法也是只能製造單色或色彩不特定的3D物件。第三種使用雷射的製程是層狀實體製造(LOM，Laminated object manufacturing)，具有黏著劑的多層的紙網或塑膠箔被黏著在一起並以雷射切割。其後的染色實例則如專利US 6,713,125所揭者。

UV噴墨製程是一種習用已知可用以製造彩色物件的3D列印製程。在這個三階段製程中，粉狀原料被施用在薄膜上，一UV固化液體被印刷在薄膜上，薄膜係用以疊合成立體產物，最後，以UV光源將經過印刷的薄膜固化，這些步驟在每一層薄膜不斷重複。

在WO 2008/077850中，在製程的上游，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，由於該腔室，銳利的色彩轉換是不可能的，這種製程因為固化過程的限制而缺乏銳利度，降低了表面平滑度，且常導致上色不均勻。在WO 2001/26023中，兩個噴頭具有不同色彩的固化劑混合物，提供產物不同的彈性，然而，色彩不超過兩種。

WO 2009/139395的製程類似於3D噴墨列印，一彩色液體一層一層地施作，且一種可與第一液體產生固化反應的第二液體被印刷於 上，這種製程除非未固化液體層之間有混合情形，否則製造的結構僅能各層不同顏色。

在US 2004/0251574中，熱塑性塑料的列印之後進行了以顏料選擇性地印刷。這種製程的優點是較高選擇性，然而，這種製程的缺點是，由於顏料無法均勻地穿透陶瓷粉末與黏結劑的混合物，因此無法達到均勻的色彩解析度或是明亮的色彩。

在眾多立體物件列印製程中，材料上最為經濟且在機械設計上較佳的是熔融沉積成型(FDM，Fused deposition modeling)。它牽涉到一種押出成型的數位製造系統。此外還有其他已知製程與之類似而僅有些微差異，例如熔絲製造(FFF，Fused filament fabrication)、熔體押出製造(MEM，Melted extrusion manufacturing)、選擇性沉積成型(SDM，Selective deposition modeling)。在熔融沉積成型製法中，兩種不同的聚合物絲在一噴嘴中被熔融並被選擇性地列印。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，支撐原料可在之後移除，例如以酸、鹼或水溶解。其他的原料(構築原料)形成確切的3D物件。列印是一層一層完成的。FDM製程在專利US 5,121,329中首先揭露。US 2002/0111707提及一般的冷卻，但未提到細節。在US 6,165,406的3D彩色列印方法中，各別染料係使用了各別的噴嘴，因此幾乎不太可能混合染料，能達到的色彩效果極為簡單。在US 7,648,664的FDM變化型中，使用了粒狀的不同色彩構築原料，各自熔融再由押出機混合以符合色彩需求，之後再進行列印，這種方法需要很複雜的設備，且失去了很多FDM的優點。US 6,129,872揭露一種製程，構築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，這會造成混合的不充分且無法提供乾淨的色澤。

US 2010/0327479揭露一種製程，多種色絲在一微押出機裡結合而連續地押出，以提供新的色絲，新的色絲進入噴頭以進行列印，這個方法需要極為精巧且複雜的設備。在另一實施例中，多種顏色的色絲亦可以直接被導入噴頭中而在噴頭中混合。

一種3D連續彩色列印機，包含至少一料匣，該料匣內容納有一構築原料；一混合器，連接於該料匣；以及一單一噴頭，連接於該混合器的一出口；其中，容納於該料匣的構築原料被送至該混合器與該單一噴頭以形成一連續彩色物件。

實際的實施例可包含以下所述。較佳地，四個料匣連接至管體進而連接至該混合器使不同色彩的構築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(或具有不同數量開放端的接頭)。選擇性地，一靜態混合攪拌管(如液體連續攪拌器)或一主動混合器可被選用為該混合器的核心部分。該接頭的材質可為塑膠、金屬或其他材質，端看所封止的液體種類。由接頭一端流出的液體色彩係取決於流入的不同色彩液體的相對流速，無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，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。混合器與噴頭模組之間的距離為可變因子。當距離短，色彩過渡的間隔較短，但原料沒有太多時間可以混合；相反地，當距離長，色彩過渡的間隔較長，混合品質較好。用以連接各模組的管體的內徑夠細以盡量降低 色彩過渡之間的遲滯，且須夠長以避免限制了噴嘴的動作。該混合器可為拋棄式的以維持列印品質。

該噴頭模組供構築原料流入並將之押出以列印3D物件，噴頭尖端的尺寸決定了列印物件的解析度。噴頭可選自但不限於針體、噴嘴或圓珠筆頭。該噴頭可根據原料選擇、解析度需求或防止阻塞進行替換。在一些實施例中，噴頭能混合構築原料，例如，靜態混合攪拌管噴嘴可作為列印頭又可混合構築原料並押出之。靜態混合攪拌管可在可負擔的成本之下混合溶液，且噴嘴尖端的內徑須在較大(減少阻塞可能)和較小(增加列印的精確性)之間最佳化。

本發明使用的構築原料可為矽膠、矽橡膠、矽化丙烯酸嵌縫乳膠、聚亞胺酯、光敏樹脂、可固化液體、可固化漿糊。固化步驟可選擇性地使用輻射、冷卻或乾燥。會自然乾燥的原料亦可被接受。使用兩種以上色彩的原料以混合它們形成所須色彩的液體，構築原料係以可溶於之的色素進行染色。此外，添加不同性質的粒子、油、水或其他物質(在此稱之為輔助物質)可改變列印3D物件的硬度、強度、或其他物理、化學性質。

此外，除了以一電加熱器提供熱量以外，該構築原料可包含添加劑、黏合增加劑、或是可被微波、電場或磁場加熱或活化的黏著劑。這些添加物可被添加在單一混合物或全部混合物、或是自分離給料容器添加。在近來的案例中，該些混合物是無色的。例如，至少一注射器接觸構築原料以添加架橋劑、啟動劑或加速劑，藉由與混合物中其他物質的化學反應或在押出的下游段進行熱活化以導致化學反應(例如加成反應或架橋)，使製成的3D物件具有全部或部分彈性體或熱固性體的性質。

本系統的優點包含以下所述。本系統可製造具有連續色彩的立體物件；使用單一噴頭降低成本且增加可靠度，並提供高品質的色彩表現；本系統可製造機械上穩定的多色彩立體物件；原料可包含任何色料與功能性添加物。

11‧‧‧料匣

12‧‧‧混合器

13‧‧‧噴頭

21‧‧‧注射器

22‧‧‧棒體

23‧‧‧螺桿

24‧‧‧導引件

25‧‧‧步進馬達

31‧‧‧步進馬達

32‧‧‧螺桿

42‧‧‧支撐床

44‧‧‧液滴

51‧‧‧料匣模組和混合器

52‧‧‧噴頭模組

53‧‧‧支撐床

101‧‧‧X軸馬達

102‧‧‧Y軸馬達

103‧‧‧Z軸馬達

104‧‧‧支撐床

105‧‧‧噴嘴

33‧‧‧推件

41‧‧‧噴頭

106‧‧‧料匣

107‧‧‧光源系統

圖1係本發明之3D彩色列印機之示意圖。

圖2係本發明之料匣之前視圖。

圖2A係圖2之部分放大圖。

圖3係本發明支撐注射器活塞的棒體之頂視圖。

圖4係一種使用圖1之系統的列印製程示意圖。

圖5係本發明用以形成3D物件的3D移動過程示意圖。

圖6係本發明的3D彩色列印機的另一實施例。

圖7係本發明之3D彩色列印製程圖。

圖8係本發明製造彩色物件的流程圖。

以下僅以實施例說明本發明可能之實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。

本發明提供一種使用可固化物質作為構築原料的彩色3D列印裝置。如圖1所示，該彩色3D列印系統包含複數個構築原料的料匣11、一混合器12以及具有一單一熱押出機的一單一噴頭13。容納於料匣11中的可固化的構築原料被送至該噴頭13，且在這過程中被充分混合，最後自 噴頭的尖端押出，押出的構築原料液滴接著被固化。

各料匣11容納構築原料，複數個料匣用以容納具有不同性質(例如顏色、硬度或比重)的構築原料液體(常溫下為液體)。在其中一實施例中，構築原料係被容納於注射器內以利於輸送。容納容器亦可為細管、瓶子或其他任何可利於將液體往外輸送的液體容器。較佳者，係為一種四料匣系統：各料匣分別容有紅色(或洋紅色)、黃色、藍色(或青色)以及白色(或透明)的構築原料，白色原料可以黑色原料取代而與四分色系統(CMYK color system)類似。然而，三料匣系統或其他不同數量料匣的系統亦是可接受的。

本系統僅使用一單一押出機來提供熔融所需熱量，該單一押出機押出混合液滴以形成一連續全彩物件。相反地，習用具有多個押出機的系統的液滴太大(比桌上型噴墨印表機的墨水液滴還大得多)且熔融的塑料一接觸到支撐床就冷卻而固化，因此無法提供連續全彩。本發明的單一押出機並可控制熔融的熱塑性塑料(由於熔點高於200℃，而為常見的不同色彩的構築原料)。

請參考圖2、圖2A與圖3，在押出過程中，在一注射器21中的構築原料被一推液塞推出，該注射器的底部接觸一棒體22，該棒體22連接至一螺桿23，圖3更揭露了細節，一推件33固定於一螺桿32上且該螺桿被一步進馬達(stepper motor)31所驅動。在圖2與圖2A中，當螺桿被步進馬達25轉動，該棒體22與該推液塞沿一導引件24移動，其中螺桿能夠以小角度轉動，因此推液塞能漸進地移動，使得構築原料能以極小量輸送出去。

四料匣與管體連接再進一步連接至該混合器以使不同色彩的構築原料能在往噴頭模組的路徑上被充分混合，該混合器可為一五通管(或為具有不同數目開放端的接頭)。選擇性地，一靜態混合攪拌管(static mixer)，像是一液體連續攪拌器(in-line mixer)，或是一主動混合器(active mixer)能作為該混合器的核心部分。接頭的材質可根據所容納的液體種類選用塑膠、金屬或其他材質。由接頭一端流出的液體色彩係取決於流入的不同色彩液體的相對流速，無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，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。混合器與噴頭模組之間的距離為可控制因子。當距離短，色彩過渡(color transitions)的間隔較短，但原料沒有太多時間可以混合；相反地，當距離長，色彩過渡的間隔較長，混合品質較好。用以連接各模組的管體的內徑夠細以盡量降低色彩過渡之間的遲滯，且須夠長以避免限制了噴嘴的動作。該混合器可為拋棄式的以維持列印品質。

該噴頭模組收容該構築原料並將之押出以列印立體物件，噴頭尖端的尺寸決定了印出物件的解析度。噴頭可為但不限於針體、噴嘴或圓珠筆頭，該噴頭可根據原料選擇、解析度需求或防止阻塞而為可替換式的。在一些實施例中，該噴頭模組具有混合構築原料的能力，例如，可選用一靜態混合噴嘴，其可混合流入的構築原料並押出之，成本是較可負擔的，此外，噴嘴尖端的內徑應在較大的(可降低阻塞的可能性)與較小的(可提高列印的精確性)之間進行最佳化。

所使用的構築原料可為矽膠、矽橡膠、矽化丙烯酸嵌縫乳 膠、聚亞胺酯、光敏樹脂、可固化液體、可固化漿糊，固化步驟可選擇性地使用輻射、冷卻或乾燥。會自然乾燥的物質亦可被接受。使用兩種以上顏色的原料以進行混合形成所須顏色的液體。構築原料係以可溶於之的色素進行染色，甚至，可添加不同性質的粒子、油、水或其他物質(在此稱之為輔助物質)可改變列印3D物件的硬度、強度、或其他物理、化學性質。

除了因溫度變化造成的固化以外，該構築原料可包含添加劑、黏合增加劑、或是可被微波、電場或磁場加熱或活化的黏著劑。這些添加物可被添加在單一混合物或全部混合物、或是自分離給料容器添加。在近來的案例中，該些混合物是無色的。例如，至少一注射器接觸構築原料以添加架橋劑、啟動劑或加速劑，藉由與混合物中其他物質的化學反應或在押出的下游段進行熱活化以導致化學反應(例如加成反應或架橋)，使製成的3D物件具有全部或部分彈性體或熱固性體的性質。本領域具通常知識者能理解組成以及使用的構築原料後選用適合的添加物。

如圖4所示，列印製程係關聯於噴頭41的噴嘴、一支撐床42以及自噴嘴輸出的構築原料。該構築原料(在本實施例中為糊狀的)由該噴嘴以液滴44的方式一滴一滴輸出，接著開始固化。固化速率受到控制而使液滴幾乎是一接觸到支撐床或物體就固化但仍可維持液滴從噴頭輸出時是液態的，使噴頭不會被構築原料阻塞。

之後，可進行表面塗層或化學反應，更明確來說，可被微波、熱、電漿、UV光或磁場活化的添加物以塗層的方式施於表面，並以正確的方式活化。特定的、具有好處的化學反應於押出的原料表面發生，特別是可用於進行架橋反應(crosslinking)，然而，架橋反應亦可在前期熔融、額 外動力或前面提到的靜態混合攪拌管發生，也就是在熔融的構築原料在噴頭中時。

在另一實施例中，各注射器中的添加物能在混合步驟後彼此進行化學反應而達成化學架橋以催化固化且(或)增進構築原料的黏合效果。

在又一實施例中，在列印製程的最後，可將一種或多種的塗層成分塗於產物物件的表面。

本系統可單獨使用亦可與其他系統結合為一體。例如，一種手持彩色3D列印機的實施例中，使用者能在一表面上、在空氣中或在溶液中列印出立體物件。此外，本系統亦可裝設於已知的3D列印機以將之轉換為多色彩3D列印機。

在圖5所示的另一實施例中，料匣模組和混合器51被固定於一3D列印機的框架，而噴頭模組52為可移動的，一支撐床53用以支撐該3D列印機。

圖6則提供了3D彩色列印機的又一實施例，該彩色3D列印機包括一機械系統、一光源系統以及一押出系統，該機械系統可精確的定義押出噴嘴105和支撐床104的相對位置，該光源系統107用以使聚合物硬化，該押出系統列印物件。容於料匣106中的可硬化構築原料被送至噴嘴、在途中充分混合、並由噴嘴尖端押出。押出的構築原料液滴在被輻射照射後於支撐床上固化。隨著噴嘴移動，液滴能被列印在支撐床的任何地方，因此被列印的原料結構能被決定。該機械系統藉由三個馬達控制噴嘴與支撐床的位置。該支撐床僅供支撐固化的物件，該支撐床能以金屬或塑 膠製成且其表面可具有一些塗層以產生與被列印物件之間較佳的連結。該噴嘴係被固定於一Y軸皮帶，該Y軸皮帶被一Y軸馬達102控制，在Y軸馬達轉動時，噴嘴沿Y軸移動，Y軸皮帶能沿Y軸被桿體支撐以增加其穩固性，Y軸皮帶再固定於一轉輪，該轉輪位於一X軸皮帶上，如此一來，藉由一X軸馬達101，Y軸皮帶可沿X軸移動，當這個由兩個馬達控制的皮帶系統高度維持固定，它決定了噴嘴的X、Y軸位置。支撐床的Z軸位置由一Z軸馬達103所調動，該Z軸馬達同軸地連接於一螺桿，該螺桿連接至該支撐床，藉此，當馬達轉動，支撐床能沿螺桿(Z軸)移動。在機械系統中使用的馬達較佳地可為步進馬達(stepped motor)，轉動時具有較小的增幅，因此噴嘴的位置能被精確的定義。

在上述例子中，動力係由馬達及皮帶所產生與傳遞，然而，亦可換為齒輪系統或機械手臂等。亦可具有一校準裝置用以精確決定部件的位置，該校準裝置可包含但不限於碰撞傳感器(collision sensor)、紅外線感應器(IR sensor)、labeled tratcks等。以碰撞傳感器為例，噴嘴沿著X軸和Y軸的邊界移動直到碰撞到感應器，該位置定義為起始點，而噴嘴的座標能藉由記錄步進馬達的轉動角度而被追蹤。

圖6所示的實施例所使用的構築原料可為光可固化樹脂或是其他輻射可固化、可冷卻、可乾燥的液體。使用三種甚至更多色彩的原料以將之混合形成具有所須顏色的均勻液體，原料係在被填充入料匣之前藉由添加可溶於原料的色素而染色。常見的光可固化物質如聚合物時，色素最好為油溶性的。光源系統包含一輻射源以固化自噴嘴押出的構築原料，固化的液滴接觸支撐床或下方的物件。輻射源用於將光敏樹脂固化， 可能的選擇包括但不限於UV光、可見光及雷射。光源與列印物件的幾何關係是多變的，例如，光源可以只集中照射在液滴上、由上往下照射整個支撐床、或是由下而上照射支撐床，以使液體在支撐床上固化。輻射源可以是可控制開閉的或是可在列印過程中移動的。

圖6的押出系統包含一混合噴嘴與一料匣系統，噴嘴係固定在Y軸皮帶上而可在X-Y平面上移動，一細管連接至噴嘴使構築原料能流入噴嘴並被混合、押出。較佳地，以靜態混合攪拌噴嘴來混何溶液的成本為較可負擔的，而噴嘴的內徑須較佳地控制在較大的(可降低阻塞可能性)和較小的(可提高列印精確性)之間，所使用的細管必須足夠細以降低色彩過渡之間的遲滯，又必須足夠長以免阻礙噴嘴的移動。

關於料匣系統的細節，係包含多個容納不同色彩液體的料匣，這些料匣可為注射器、瓶子或其他可將液體輸出的液體容器。較佳地，係使用了一種四料匣系統：各料匣具有紅色、黃色、藍色與白色(透明)的構築原料，在此實例中，係使用注射器以利於輸出構築原料，注射器應被遮光物件所覆蓋，例如黑紙或遮光箱，以避免構築原料暴露在會導致硬化的輻射之下。三料匣藉由軟管連接至一種多對一接頭(例如三對一接頭)，使不同顏色的構築原料能在往噴嘴的途中充分混合。接頭的材質可為塑膠或金屬，視所容納的液體而定。自接頭單開放端的一端流出液體的顏色係取決於該三種顏色流入原料的相對流速，無論流出液體的顏色為何，單開放端的流速係由使用者決定的一定值，也就是說，三種顏色原料的流速總和為一個使用者定義的定值，而流出原料的顏色取決於三種顏色原料的流速比值。接頭與押出噴嘴之間的距離是可控制因子，當接頭與噴嘴的 距離較短，色彩過渡之間的間隔較短但原料混合的時間較短；相反地，當距離較長，色彩過渡間隔較大，混合品質較好。在押出時，構築原料被注射器的推液塞所推動，其中推液塞的底部固定至一棒體，該棒體結合至一螺桿與一細桿。在其中一實施例中，該棒體具有一穿孔供細桿穿過、以及一六角螺帽供結合該螺桿。該棒體的材質須強度足夠以避免沿細桿移動時產生彎折，一軸襯可固定地設於該穿孔使棒體的移動更平順，當螺桿被步進馬達所轉動，棒體與推液塞沿鉛直方向移動，由於步進馬達能以很小的角度轉動，故推液塞可漸進地移動，而可小量地輸送該構築原料。

列印製程係使用了噴頭的噴嘴、支撐床與輻射源。構築原料(較佳為光敏樹脂、光固化樹脂)係由噴嘴一滴一滴地輸出，且在暴露在輻射之下後開始固化，固化速率受到控制使得液滴幾乎在一接觸到支撐床或下方的物件就固化，但又能維持原料從噴頭輸出時為液態以避免被原料阻塞。物件係一層一層地被列印出來：噴嘴會在X-Y平面上水平移動以列印物件，然後支撐床會沿著Z軸往下移動一層厚度的距離(使用者定義的因子)，接著在新的X-Y平面上進行相同的列印步驟。

圖7顯示了一種3D彩色列印製程的例子。圖7是以上述實施例製造彩色物件的流程圖。使用者首先進行輸入，輸入的使用者介面可為在電腦上或智慧型手機上的一軟體介面而與本發明連接，亦可為可自攜帶型儲存裝置(SD卡或快閃記憶體)讀取資料的介面。自使用者端接收資料後，電子系統控制料匣與機械系統以將構築原料自料匣輸送至噴嘴，噴頭跨越支撐床移動且列印物件。光源系統包含一輻射源，該輻射源使構築原料在支撐床上硬化。

圖8為利用上述系統製造彩色物件的流程示意圖。使用者首先進行輸入，進行輸入的使者介面可為在電腦、智慧型手機、平板電腦或任何可與本發明連接的裝置上的軟體介面，亦可為可自攜帶型儲存裝置(SD卡或快閃記憶體)讀取資料的介面。自使用者端接收資料後，電子系統控制料匣模組以將構築原料自料匣模組輸送至噴頭模組，構築原料在途中被充分混合。

本發明的其中一種應用是列印解剖學上的模型。可將數位檔案(*.STL、CT影像或其他)載入3D列印機，據此建構出解剖學上的模型。由於本系統使用的原料軟且具有彈性，因此列印出的模型在觸感、構造或影像(例如超音波影像)上更近似於真實的器官。列印出的模型可作為教學工具、外科模擬、或其他醫學上的應用。

本系統的另一應用則是多材質3D列印機。各料匣具有不同的構築原料，因此列印機可列印單一材質或混合材質的物件。若用於列印器官模型，可使用具有不同性質(例如密度、顏色或硬度)的原料以近似於具有多個部分的器官。

較佳實施例中使用的構築原料可為矽膠、矽橡膠、矽化丙烯酸嵌縫乳膠、聚亞胺酯、光敏樹脂、可固化液體、可固化漿糊等，混合器12被加熱至適合的溫度，構築原料在被熔融至具有熱塑性後輸送至噴頭。在其他實施例中，構築原料亦可包括ABS樹脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、聚碳酸酯(PC，polycarbonate)、聚丙烯酸甲酯(poly(meth)acrylate)、PPSU(polyphenylene sulfone)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚醚酰亞胺(PEI，polyetherimide)、聚醚醚酮(PEEK，polyether ether ketone)、聚乳酸(PLA， polylactic acid)、或是上述任兩者以上的混合物、或是包含重量百分比50%以上的上述任一者的混合物。丙烯酸甲酯係指丙烯酸甲酯類、丙烯酸類或兩者的混合物，丙烯酸甲酯類例如甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate)、乙基丙烯酸甲酯(ethyl methacrylate)等，丙烯酸類例如丙烯酸乙基己酯(ethylhexyl acrylate)、丙烯酸乙酯(ethyl acrylate)等。關於由第三噴嘴輸出的次要的、選擇性的構築原料，較佳地為聚丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。關於由第一噴頭輸出的支撐原料，可為溶於酸、鹼或水的聚合物。

在另一實施例中，一種3D押出列印機可具有一噴頭、一燈絲流(filament stream)、一塗層單元、一固定區域、多個供料容器。該噴頭具有一噴嘴以提供構築原料，燈絲流提供於該噴頭以熔融而提供構築原料，塗層單元位於噴頭的上游，固定區域位於塗層單元與噴頭之間，供料容器裝設有量測裝置以提供具有一種或多種添加物的塗層混合物以及一顏料予熔融的燈絲，一混合單元可位於該混合器(熔融器)12和噴頭13之間，熔融的混合物在被輸入噴頭之前被混合，該噴頭可為一靜態混合攪拌管(static mixer)而位於噴嘴的較低位置，構築原料未被染色且非為透明。

供料容器內的色素包含黑色以及除了黑色以外的色素、主要色彩的染料或添加物。色素可為金屬色素或螢光色素。可使用感應器以量測原料往混合器的流速且可在色彩監控的資訊與列印控制上最佳化。

使用本系統的一押出3D列印可以如此地設計：各種色澤輸入於一電腦輔助設計(CAD)程式，提供一檔案，該檔案包括座標、製造流程的色彩資訊、原料及色料的配方控制的色彩資訊。適合的檔案格式實例可見於Additive Manufacturing File Format(ASTM F2915-12)。要建立各色 澤可藉由調整量測裝置以及量測自供料容器至系統中的各主要色彩及黑色。

另一實施例與Autodesk的Spark平台共同工作，Spark平台將數位資訊流線地連接至3D列印機，利於在沒有嘗試錯誤的情形下想像並最佳化列印物件，擴展了列印使用的材質範圍。Spark軟體平台的系統使軟體、硬體與供料器之間具有互相操作性，Spark平台是開放的，因此硬體製造者、應用程式開發者、產品設計者可利用它製造物件、挑戰3D列印的極限。

以上的實施例中提供了較佳的限制條件，然而本領域具通常知識者能根據本發明的教示得到進一步的限制條件。

Claims (19)

1. 一種3D連續彩色列印機，包括：至少一料匣，該料匣內容納有一構築原料，該構築原料在常溫下為液體，該料匣包括一注射器；一混合器，連接於該料匣；以及一單一噴頭，連接於該混合器的一出口；其中，該注射器的底部接觸一棒體，該棒體連接至一螺杆，該螺杆被一步進馬達所驅動而轉動，該棒體沿一導引件移動，容納於該料匣的構築原料被送至該混合器與該單一噴頭以形成一連續彩色物件。
2. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，係包括四料匣，分別與管體連接再連接至該混合器，以在往噴頭的路徑上將不同顏色的構築原料混合。
3. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，包括連接於該混合器的一多通管或一種具有不同數量開放端的接頭。
4. 如請求項3所述之3D連續彩色列印機，其中不同顏色原料流入的速率總和為一預設的定值，且流出的原料顏色取決於不同顏色原料流入的速率比值。
5. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該混合器包括選自由靜態混合攪拌管、液體連續攪拌器與主動型混合器所組成的群組。
6. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，包括一短通道，位於該混合器與該噴頭之間，以確保色彩過渡之間的間隔較短，且原料在該短通道上的混合時間較短。
7. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中當混合器與噴頭之間的通道較大時，色彩過渡間隔較大而具有較佳的混合品質。
8. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該混合器為可拆換的。
9. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該噴頭可根據原料選擇、解析度需求或阻塞因子進行拆換。
10. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該噴頭包括一針體、一噴嘴或一圓珠筆頭。
11. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該構築原料具有液態可供混色且選自由矽膠、矽橡膠、矽化丙烯酸嵌縫乳膠、聚亞胺酯、光敏樹脂、可固化液體、可固化漿糊所組成的群組。
12. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，包括連接各模組的管體，各管體具有一預設的內徑以降低色彩過渡之間的遲滯。
13. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該構築原料係以輻射、冷卻或乾燥被固化。
14. 如請求項1所述之3D連續彩色列印機，其中該具有兩種以上色彩的構築原料被混合成為具有所需顏色的液體，該構築原料係以可溶於之的色素所上色，且添加了具有不同性質的粒子、油、水或物質以改變3D列印成品的硬度、強度或其他物理、化學性質。
15. 一種列印連續彩色3D物件的方法，包括：通過複數注射器分別將容納於複數料匣內的複數構築原料押出至一混合器，其中各該構築原料在常溫下為液體，該注射器的底部接觸一棒體，該棒體連接至一螺杆，該螺杆被一步進馬達所驅動而轉動，該棒體沿一導引件移動而將該料匣內的構築原料押出；將押出的原料混合；使用一單一噴頭將混合的原料分配釋出。
16. 如請求項15所述之列印連續彩色3D物件的方法，其中具有兩種以上色彩的構築原料被混合成為具有所需顏色的液體，該構築原料係以可溶於之的色素所上色，且添加了具有不同性質的粒子、油、水或物質以改變3D列印成品的硬度、強度或其他物理、化學性質。
17. 如請求項15所述之列印連續彩色3D物件的方法，包括將容於四料匣中的不同色彩的構築原料混合，其中該四料匣沿著往該噴頭的方向連接至管體再連至該混合器。
18. 如請求項15所述之列印連續彩色3D物件的方法，其中不同顏色原料流入的速率總和為一預設的定值，且流出的原料顏色取決於不同顏色原料流入的速率比值。
19. 一種3D列印機，包括：至少一料匣，該料匣內容納有一構築原料，該構築原料在常溫下為液體，該料匣包括一注射器；一混合器，連接於該料匣；以及一單一噴頭，連接於該混合器的一出口；其中，該注射器的底部接觸一棒體，該棒體連接至一螺杆，該螺杆被一步進馬達所驅動而轉動，該棒體沿一導引件移動，容納於該料匣的構築原料被送至該混合器與該單一噴頭以形成一連續多原料物件。