【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，無法滿足人們的需求，迫切需要研究新的成型材料來改善3D打印質(zhì)量。 近年來，有許多研究人員以光固化型材料為基礎(chǔ) 進行3D打印技術(shù)研究。在國外，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，以光敏樹脂作為成型材料，以蠟作為支撐材料。

在國內(nèi)，李曉燕博士順利研發(fā)出了使用粘結(jié)材料進行3D打印的設(shè)備；王建進行了將光固化三維打印應(yīng)用于制造化學芯片方面的研究；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、預聚物和單體，在UV光照條件下可發(fā)生聚合反應(yīng)，短時間內(nèi)固化成型，形成光澤度高、色彩鮮艷的墨層，且基本無溶劑揮發(fā)，這些特點和性質(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)，可以實現(xiàn)一定高度的地圖、油畫及個性化產(chǎn)品的全彩打印。 在此，以國內(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，以紙張為承印介質(zhì)研究了UV噴墨3D打印技術(shù)對高程和色彩的實現(xiàn)，并觀察和分析了不同墨層數(shù)對應(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打印的實施方案。

1實驗
1.1實驗器材
材料：選取定量為123g/m2的同種涂布紙5張，分別編號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)計軟件；MimakiUJF-3042UV噴墨打印機；LabthinkCHY-C2測厚儀；X-riteMacbeth標準光源比色箱；愛色麗EyeOnePro分光光度儀；愛色麗i1-iO掃描臺；ProfileMaker軟件；X-Rite530密度計。

1.2實驗標版
使用IllustratorCS5圖形軟件設(shè)計墨層數(shù)分別為1，2，3，4，12，20層的色塊，分別作為標版1和標版2；選用ProfileMaker軟件提供的IT8.7-3CMYKi1PM5.0.5作為實驗標版3，共包含1120個色塊。

1.3實驗步驟
1.3.1標版輸出
驅(qū)動MImakiUJF-3042UV噴墨打印機，分別在1# 和2#涂布紙表面打印標版1和標版2，其中，標版2以 100%白色油墨替代進行白色色塊的打印，超過1層的色塊采用重復打印方式進行，如重復打印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、黑和白色實地色塊；驅(qū)動MImakiUJF-3042UV噴墨打印機，在3#涂布紙表面直接打印標版3，在4#涂布紙表面先均勻打印1層白色實地油墨，然后再打印標版3。

1.3.2厚度測量
在ISO標準恒溫恒濕室中，使用CHY-C2測厚儀分別測量1#和2#不同墨層數(shù)色塊的厚度，以及5#的厚度，每個色塊選取10個點進行測量。1.3.3顏色測量 使用X-Rite530密度計在D50/2條件下，分別測量1#，2#涂布紙表面每個色塊的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標準恒溫恒濕室中，使用ProfileMaker軟件和愛色麗EyeOnePro分光光度儀，對3#和4#標版3的顏色色塊進行測量，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色實地色塊的平均測量厚度減去紙張厚度，可以計算得到不同墨層數(shù)對應(yīng)的油墨厚度，見圖1。

圖1中5個折線圖的第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層油墨均會與紙張發(fā)生較強的滲透和鋪展作用，而油墨與油墨之間的相互作用較小，且是穩(wěn)定的，不會隨著墨層數(shù)的增加而發(fā)生改變。對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)來講，第1層油墨會對總高度造成誤差，影響高程信息的精確度，因而應(yīng)預先對紙張進行處理，可以預先在紙張表面打印1層實地油墨，以排除第1層油墨帶來的誤差。

2.2實地色塊顏色再現(xiàn)分析
在X-riteMacbeth標準光源比色箱中，選擇D65光源，以標準視距觀察條件，觀察1#和2#表面實地色塊的顏色，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種色油墨的視覺效果和色度值則隨墨層數(shù)增加而發(fā)生較大變化，見圖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，青、品和黃等3種色均在其色相范圍內(nèi)，視覺效果也接近于標準的青、品和黃，說明UV油墨在平面的色彩再現(xiàn)效果良好；當墨層數(shù)數(shù)逐漸增加時，3種顏色均逐漸偏離了各自的色相，在第20層時，青色的色相角已經(jīng)落在了藍色色相范圍內(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，視覺上青色漸變?yōu)樯钏{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種色墨的光學差異性導致的，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，下層干燥的油墨會對上層油墨的顏色產(chǎn)生影響，相當于承印物的顏色對油墨呈色的影響，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單層彩墨來呈現(xiàn)，不能采用多層彩墨的疊加打印方式來實現(xiàn)。

2.3白色油墨對色域影響
4#和5#的色度值及紙張指數(shù)數(shù)據(jù)見表2，其中，4# 表面均勻打印了1層白色實地色塊。對比紙張指數(shù)可知，原來的紙張偏色較嚴重，打印1層白色實地色塊之后亮度有所下降，但偏色情況改善良好。對比L*a*b*值可知，原來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，在紙張表面均勻地打印1層白色實地油墨，可以有效改善紙張的偏色情況。 將由3#和4#的標版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對比，并顯示在CIE1931XYZ色度圖中，見圖3。

由圖3可知，當L為75和50時，GE的色域最大，將它作為參考標準。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L為25時，3個色域大小差別不 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。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，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�？偟膩碇v，白色UV油墨相對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
對于UV噴墨彩色3D打印，在高程實現(xiàn)方面，第1層油墨與紙張之間的滲透和鋪展作用會引起模型的高度誤差，可通過預先在紙張表面打印1層實地油墨，來排除第1層油墨的影響；在色彩呈現(xiàn)方面，多層彩墨的疊加會導致亮度下降、色相偏離，因此，只能以單層彩墨來實現(xiàn)色彩的呈現(xiàn)。因而，實現(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，預先在紙張上均勻打印1層白色實地色塊，然后通過打印多層白色油墨來實現(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實現(xiàn)3D模型的色彩呈現(xiàn)。這樣，既排除了第1層油墨給高度帶來的誤差，又能較好地實現(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
UV噴墨彩色3D打印技術(shù)，克服了以光固化樹脂 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現(xiàn)3D模型的高度，以若干層彩色油墨的打印實現(xiàn)3D模型色彩的方案，來完成彩色3D模型的打印輸出。白色油墨的厚度為13.12μm，相對于傳統(tǒng)三維制造0.1mm的最小厚度來講，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。當然，UV噴墨彩色3D打印仍然存在很多問題，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)，若干層彩墨會給模型總高度帶來一定的誤差，UV噴墨彩色3D打印在模型側(cè)面的呈色也需要進一步研究�？傊�，UV噴墨彩色3D打印技術(shù)，對于目前各領(lǐng)域3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用具有較好的指導作用，對于提高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

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