【解析】基于UV噴墨的彩色3D打印研究

3D打印的成型材料很多，但目前制得的三維模型色彩不豐富,、精度也不高，無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求,，迫切需要研究新的成型材料來(lái)改善3D打印質(zhì)量,。 近年來(lái)，有許多研究人員以光固化型材料為基礎(chǔ) 進(jìn)行3D打印技術(shù)研究,。在國(guó)外,，ZCorporation公司和RikenInstitute公司研制出基于粘結(jié)粉工藝的3D打印設(shè)備；3DSystems公司于2004年推出了光固化型三維打印機(jī),，以光敏樹(shù)脂作為成型材料,，以蠟作為支撐材料,。

在國(guó)內(nèi)，李曉燕博士順利研發(fā)出了使用粘結(jié)材料進(jìn)行3D打印的設(shè)備,；王建進(jìn)行了將光固化三維打印應(yīng)用于制造化學(xué)芯片方面的研究,；王煥美利用UV油墨成功打印出三維地圖。UV油墨是典型的光固化材料,，內(nèi)部含有光引發(fā)劑,、預(yù)聚物和單體，在UV光照條件下可發(fā)生聚合反應(yīng),，短時(shí)間內(nèi)固化成型,，形成光澤度高、色彩鮮艷的墨層,，且基本無(wú)溶劑揮發(fā),，這些特點(diǎn)和性質(zhì)使得UV油墨特別適合作為3D打印的成型材料。目前,，UV噴墨打印技術(shù)已經(jīng)非常成熟,，現(xiàn)有的MimakiUV噴墨打印機(jī)噴頭與承印物之間的距離可以調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)一定高度的Z向打印,。UV噴墨打印的常用承印介質(zhì)為紙張,，紙張是成本低廉且具有一定吸墨性的薄層介質(zhì)，對(duì)UV油墨的牢固附著和色彩再現(xiàn)均具有較好的效果,，以紙張為承印介質(zhì)的UV噴墨3D打印技術(shù),，可以實(shí)現(xiàn)一定高度的地圖、油畫(huà)及個(gè)性化產(chǎn)品的全彩打印,。 在此,，以國(guó)內(nèi)外研究人員的研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合UV噴墨打印的特點(diǎn),，以紙張為承印介質(zhì)研究了UV噴墨3D打印技術(shù)對(duì)高程和色彩的實(shí)現(xiàn),，并觀察和分析了不同墨層數(shù)對(duì)應(yīng)的油墨厚度和表面色彩再現(xiàn)情況，最終建立了UV噴墨彩色3D打印的實(shí)施方案,。

1實(shí)驗(yàn)
1.1實(shí)驗(yàn)器材
材料：選取定量為123g/m2的同種涂布紙5張,，分別編號(hào)1#，2#,，3#,，4#和5#；墨水采用MimakiLH-100CMYK墨水和MimakiLH-100W墨水,。 設(shè)備和儀器：IllustratorCS5圖形設(shè)計(jì)軟件,；MimakiUJF-3042UV噴墨打印機(jī)；LabthinkCHY-C2測(cè)厚儀,；X-riteMacbeth標(biāo)準(zhǔn)光源比色箱,；愛(ài)色麗EyeOnePro分光光度儀,；愛(ài)色麗i1-iO掃描臺(tái)；ProfileMaker軟件,；X-Rite530密度計(jì),。

1.2實(shí)驗(yàn)標(biāo)版
使用IllustratorCS5圖形軟件設(shè)計(jì)墨層數(shù)分別為1，2,，3,，4，12,，20層的色塊,，分別作為標(biāo)版1和標(biāo)版2；選用ProfileMaker軟件提供的IT8.7-3CMYKi1PM5.0.5作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)版3,，共包含1120個(gè)色塊,。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟
1.3.1標(biāo)版輸出
驅(qū)動(dòng)MImakiUJF-3042UV噴墨打印機(jī)，分別在1# 和2#涂布紙表面打印標(biāo)版1和標(biāo)版2,，其中,，標(biāo)版2以 100%白色油墨替代進(jìn)行白色色塊的打印，超過(guò)1層的色塊采用重復(fù)打印方式進(jìn)行,，如重復(fù)打印4次而獲得4層墨層的色塊,，最終得到不同墨層數(shù)的黃、品,、青,、黑和白色實(shí)地色塊；驅(qū)動(dòng)MImakiUJF-3042UV噴墨打印機(jī),，在3#涂布紙表面直接打印標(biāo)版3,，在4#涂布紙表面先均勻打印1層白色實(shí)地油墨，然后再打印標(biāo)版3,。

1.3.2厚度測(cè)量
在ISO標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕室中，使用CHY-C2測(cè)厚儀分別測(cè)量1#和2#不同墨層數(shù)色塊的厚度,，以及5#的厚度,，每個(gè)色塊選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。1.3.3顏色測(cè)量 使用X-Rite530密度計(jì)在D50/2條件下,，分別測(cè)量1#,，2#涂布紙表面每個(gè)色塊的L*a*b*值，以及4#表面均勻打印白色油墨部分和5#表面的L*a*b*值和紙張指數(shù),。

1.3.4色域圖生成
在ISO標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕室中,，使用ProfileMaker軟件和愛(ài)色麗EyeOnePro分光光度儀，對(duì)3#和4#標(biāo)版3的顏色色塊進(jìn)行測(cè)量,，生成ICC特性文件,，然后在ProfileEditor中生成相應(yīng)的色域圖,。 2結(jié)果與討論 2.1厚度數(shù)據(jù)比較分析 黃（Y）、品（M）,、青（C）,、黑（K）和白（W）等5色實(shí)地色塊的平均測(cè)量厚度減去紙張厚度，可以計(jì)算得到不同墨層數(shù)對(duì)應(yīng)的油墨厚度,，見(jiàn)圖1,。

圖1中5個(gè)折線圖的第1條線段的斜率均明顯小于其他5條線段的斜率，表明5種油墨的第1層厚度均明顯小于其他油墨層厚度,，這是由于第1層油墨在紙張表面發(fā)生了滲透和鋪展作用的結(jié)果,。觀察圖1還發(fā)現(xiàn)，除第1層油墨外,，油墨厚度隨墨層數(shù)增加幾乎呈直線增加,，用2~20層油墨厚度減去第1層油墨厚度，通過(guò)線性擬合方法,，得到5種油墨的厚度與墨層數(shù)的線性擬合方程,，分別為：
yC=11.1893xC+0.3976（1）
yM=12.7057xM+0.0657（2）
yY=7.9139xY-0.1169（3）
yK=9.4736xK-0.0248（4）
yW=13.1232xW+0.2274 （5）

方程（1）—（5）的線性擬合系數(shù)分別約為0.99994，1,，0.99999,，1，0.99998,，均大于0.9999,，接近于1。這表明油墨厚度與墨層數(shù)之間呈線性關(guān)系,。根據(jù)斜率定義,，可知黃、品,、青,、黑、白等5種油墨經(jīng)UV噴墨打印得到的每層厚度分別為11.19,，12.7,，7.91，9.47,，13.12μm,。因此，5種油墨的第1層油墨均會(huì)與紙張發(fā)生較強(qiáng)的滲透和鋪展作用,，而油墨與油墨之間的相互作用較小,，且是穩(wěn)定的，不會(huì)隨著墨層數(shù)的增加而發(fā)生改變。對(duì)于以紙張等具有吸墨性的材料為承印介質(zhì)的UV噴墨3D打印技術(shù)來(lái)講,，第1層油墨會(huì)對(duì)總高度造成誤差,，影響高程信息的精確度，因而應(yīng)預(yù)先對(duì)紙張進(jìn)行處理,，可以預(yù)先在紙張表面打印1層實(shí)地油墨,，以排除第1層油墨帶來(lái)的誤差。

2.2實(shí)地色塊顏色再現(xiàn)分析
在X-riteMacbeth標(biāo)準(zhǔn)光源比色箱中,，選擇D65光源,，以標(biāo)準(zhǔn)視距觀察條件，觀察1#和2#表面實(shí)地色塊的顏色,，并結(jié)合色塊的L*a*b* 值分析其顏色再現(xiàn)情 況[16] ,。白色和黑色油墨的視覺(jué)效果和色度值均不隨 墨層數(shù)的變化而變化，而黃,、品和青等3種色油墨的視覺(jué)效果和色度值則隨墨層數(shù)增加而發(fā)生較大變化,，見(jiàn)圖2和表1。

觀察圖2,，并結(jié)合表1的顏色數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),，同種顏色色塊隨墨層數(shù)的增加顏色越來(lái)越濃，L值逐漸下降,，這是飽和度逐漸增加的緣故,。墨層數(shù)為1時(shí)，青,、品和黃等3種色均在其色相范圍內(nèi),，視覺(jué)效果也接近于標(biāo)準(zhǔn)的青、品和黃,，說(shuō)明UV油墨在平面的色彩再現(xiàn)效果良好,；當(dāng)墨層數(shù)數(shù)逐漸增加時(shí)，3種顏色均逐漸偏離了各自的色相,，在第20層時(shí),，青色的色相角已經(jīng)落在了藍(lán)色色相范圍內(nèi)，品紅色的色相角落在了品紅色和紅色的色相邊界處,，黃色的色相角落在了黃色和紅色的色相邊界處,，視覺(jué)上青色漸變?yōu)樯钏{(lán)色，品紅色漸變?yōu)楹诩t色,，黃色漸變?yōu)樽攸S色。多層彩色油墨疊加亮度下降,、色相偏離的現(xiàn)象,，主要是由青、品和黃等3種色墨的光學(xué)差異性導(dǎo)致的,，這是由于UV噴墨打印多層呈色屬于濕壓干式的油墨疊印呈色,，下層干燥的油墨會(huì)對(duì)上層油墨的顏色產(chǎn)生影響,，相當(dāng)于承印物的顏色對(duì)油墨呈色的影響，其中的定量關(guān)系難以確定,。因此,，在UV噴墨3D彩色打印中，模型表面的色彩只能通過(guò)單層彩墨來(lái)呈現(xiàn),，不能采用多層彩墨的疊加打印方式來(lái)實(shí)現(xiàn),。

2.3白色油墨對(duì)色域影響
4#和5#的色度值及紙張指數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其中,，4# 表面均勻打印了1層白色實(shí)地色塊,。對(duì)比紙張指數(shù)可知，原來(lái)的紙張偏色較嚴(yán)重,，打印1層白色實(shí)地色塊之后亮度有所下降,，但偏色情況改善良好。對(duì)比L*a*b*值可知,，原來(lái)的紙張與打印上白墨的紙張L值差別較小,，而打印白墨以后的色偏較小。由此可見(jiàn),，在紙張表面均勻地打印1層白色實(shí)地油墨,，可以有效改善紙張的偏色情況。 將由3#和4#的標(biāo)版3分別生成的色域圖G3和G4,，與由EuroscaleCoated.icc特性文件所生成的色域圖GE對(duì)比,，并顯示在CIE1931XYZ色度圖中，見(jiàn)圖3,。

由圖3可知,，當(dāng)L為75和50時(shí)，GE的色域最大,，將它作為參考標(biāo)準(zhǔn),。G4的色域均大于G3的色域，更接近于GE的色域,，且G4的色域邊界幾乎包含了G3 的色域邊界,，表明白墨在亮調(diào)和中間調(diào)均具有較好的色域再現(xiàn)能力；當(dāng)L為25時(shí),，3個(gè)色域大小差別不 大,，GE色域?qū)�黃色和綠色的再現(xiàn)性較好，某些青色和品紅色表現(xiàn)不出來(lái),。與GE的色域相比,，G3和G4的色域?qū)η嗌�和品紅色的再現(xiàn)性較好，某些黃色和綠色表現(xiàn)不出來(lái)，G3的色域略大于G4的色域,，表明白墨在暗調(diào)區(qū)域的色域再現(xiàn)能力略小于紙張的色域再現(xiàn)能力,。總的來(lái)講,，白色UV油墨相對(duì)于紙張具有更好的色彩再現(xiàn)性,，能夠在中間調(diào)和亮調(diào)呈現(xiàn)出更大的色域范圍。

2.4UV噴墨彩色3D打印方案
對(duì)于UV噴墨彩色3D打印,，在高程實(shí)現(xiàn)方面,，第1層油墨與紙張之間的滲透和鋪展作用會(huì)引起模型的高度誤差，可通過(guò)預(yù)先在紙張表面打印1層實(shí)地油墨,，來(lái)排除第1層油墨的影響,；在色彩呈現(xiàn)方面，多層彩墨的疊加會(huì)導(dǎo)致亮度下降,、色相偏離,，因此，只能以單層彩墨來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的呈現(xiàn),。因而,，實(shí)現(xiàn)UV噴墨彩色3D打印，可以充分利用白色油墨具有較好的色彩再現(xiàn)性特性,，預(yù)先在紙張上均勻打印1層白色實(shí)地色塊,，然后通過(guò)打印多層白色油墨來(lái)實(shí)現(xiàn)3D模型高程信息的打印，最后在白色油墨表面需要呈現(xiàn)色彩的地方打印單層彩色油墨來(lái)實(shí)現(xiàn)3D模型的色彩呈現(xiàn),。這樣,，既排除了第1層油墨給高度帶來(lái)的誤差，又能較好地實(shí)現(xiàn)了3D模型表面色彩的呈現(xiàn),。

綜上所述,，UV噴墨彩色3D打印可總結(jié)為單層白色實(shí)地油墨打印、多層白色油墨疊加打印和單層彩色油墨打印等3個(gè)步驟,，最終3D模型的總高度為多層白色油墨的厚度和若干層彩色油墨厚度之和,。

結(jié)語(yǔ)
UV噴墨彩色3D打印技術(shù)，克服了以光固化樹(shù)脂 為打印基材的三維成型技術(shù)在噴頭選擇和色彩呈現(xiàn)方面的難題,，采用以多層白色油墨的疊加實(shí)現(xiàn)3D模型的高度,，以若干層彩色油墨的打印實(shí)現(xiàn)3D模型色彩的方案，來(lái)完成彩色3D模型的打印輸出,。白色油墨的厚度為13.12μm,，相對(duì)于傳統(tǒng)三維制造0.1mm的最小厚度來(lái)講，大大提高了3D打印的精度,，且白色油墨具有較好的色彩再現(xiàn)性,，使得3D模型也可以具有不遜于平面圖像的鮮艷色彩,。當(dāng)然，UV噴墨彩色3D打印仍然存在很多問(wèn)題,，模型的總高度是多層白墨和若干層彩墨厚度之和，而單層彩色油墨的厚度是未知數(shù),，若干層彩墨會(huì)給模型總高度帶來(lái)一定的誤差,，UV噴墨彩色3D打印在模型側(cè)面的呈色也需要進(jìn)一步研究�,？傊�,，UV噴墨彩色3D打印技術(shù)，對(duì)于目前各領(lǐng)域3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)作用,，對(duì)于提高3D打印的高程精度和色彩再現(xiàn)也具有重要意義,。

編輯：南極熊
作者：何留喜，陳廣學(xué)

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