【解析】基于UV喷墨的彩色3D打印研究

3D打印的成型材料很多，但目前制得的三维模型色彩不丰富、精度也不高，无法满足人们的需求，迫切需要研究新的成型材料来改善3D打印质量。 近年来，有许多研究人员以光固化型材料为基础 进行3D打印技术研究。在国外，ZCorporation公司和RikenInstitute公司研制出基于粘结粉工艺的3D打印设备；3DSystems公司于2004年推出了光固化型三维打印机，以光敏树脂作为成型材料，以蜡作为支撑材料。

在国内，李晓燕博士顺利研发出了使用粘结材料进行3D打印的设备；王建进行了将光固化三维打印应用于制造化学芯片方面的研究；王焕美利用UV油墨成功打印出三维地图。UV油墨是典型的光固化材料，内部含有光引发剂、预聚物和单体，在UV光照条件下可发生聚合反应，短时间内固化成型，形成光泽度高、色彩鲜艳的墨层，且基本无溶剂挥发，这些特点和性质使得UV油墨特别适合作为3D打印的成型材料。目前，UV喷墨打印技术已经非常成熟，现有的MimakiUV喷墨打印机喷头与承印物之间的距离可以调节，能够实现一定高度的Z向打印。UV喷墨打印的常用承印介质为纸张，纸张是成本低廉且具有一定吸墨性的薄层介质，对UV油墨的牢固附着和色彩再现均具有较好的效果，以纸张为承印介质的UV喷墨3D打印技术，可以实现一定高度的地图、油画及个性化产品的全彩打印。 在此，以国内外研究人员的研究成果为基础，结合UV喷墨打印的特点，以纸张为承印介质研究了UV喷墨3D打印技术对高程和色彩的实现，并观察和分析了不同墨层数对应的油墨厚度和表面色彩再现情况，最终建立了UV喷墨彩色3D打印的实施方案。

1实验
1.1实验器材
材料：选取定量为123g/m2的同种涂布纸5张，分别编号1#，2#，3#，4#和5#；墨水采用MimakiLH-100CMYK墨水和MimakiLH-100W墨水。 设备和仪器：IllustratorCS5图形设计软件；MimakiUJF-3042UV喷墨打印机；LabthinkCHY-C2测厚仪；X-riteMacbeth标准光源比色箱；爱色丽EyeOnePro分光光度仪；爱色丽i1-iO扫描台；ProfileMaker软件；X-Rite530密度计。

1.2实验标版
使用IllustratorCS5图形软件设计墨层数分别为1，2，3，4，12，20层的色块，分别作为标版1和标版2；选用ProfileMaker软件提供的IT8.7-3CMYKi1PM5.0.5作为实验标版3，共包含1120个色块。

1.3实验步骤
1.3.1标版输出
驱动MImakiUJF-3042UV喷墨打印机，分别在1# 和2#涂布纸表面打印标版1和标版2，其中，标版2以 100%白色油墨替代进行白色色块的打印，超过1层的色块采用重复打印方式进行，如重复打印4次而获得4层墨层的色块，最终得到不同墨层数的黄、品、青、黑和白色实地色块；驱动MImakiUJF-3042UV喷墨打印机，在3#涂布纸表面直接打印标版3，在4#涂布纸表面先均匀打印1层白色实地油墨，然后再打印标版3。

1.3.2厚度测量
在ISO标准恒温恒湿室中，使用CHY-C2测厚仪分别测量1#和2#不同墨层数色块的厚度，以及5#的厚度，每个色块选取10个点进行测量。1.3.3颜色测量 使用X-Rite530密度计在D50/2条件下，分别测量1#，2#涂布纸表面每个色块的L*a*b*值，以及4#表面均匀打印白色油墨部分和5#表面的L*a*b*值和纸张指数。

1.3.4色域图生成
在ISO标准恒温恒湿室中，使用ProfileMaker软件和爱色丽EyeOnePro分光光度仪，对3#和4#标版3的颜色色块进行测量，生成ICC特性文件，然后在ProfileEditor中生成相应的色域图。 2结果与讨论 2.1厚度数据比较分析 黄（Y）、品（M）、青（C）、黑（K）和白（W）等5色实地色块的平均测量厚度减去纸张厚度，可以计算得到不同墨层数对应的油墨厚度，见图1。

图1中5个折线图的第1条线段的斜率均明显小于其他5条线段的斜率，表明5种油墨的第1层厚度均明显小于其他油墨层厚度，这是由于第1层油墨在纸张表面发生了渗透和铺展作用的结果。观察图1还发现，除第1层油墨外，油墨厚度随墨层数增加几乎呈直线增加，用2~20层油墨厚度减去第1层油墨厚度，通过线性拟合方法，得到5种油墨的厚度与墨层数的线性拟合方程，分别为：
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）的线性拟合系数分别约为0.99994，1，0.99999，1，0.99998，均大于0.9999，接近于1。这表明油墨厚度与墨层数之间呈线性关系。根据斜率定义，可知黄、品、青、黑、白等5种油墨经UV喷墨打印得到的每层厚度分别为11.19，12.7，7.91，9.47，13.12μm。因此，5种油墨的第1层油墨均会与纸张发生较强的渗透和铺展作用，而油墨与油墨之间的相互作用较小，且是稳定的，不会随着墨层数的增加而发生改变。对于以纸张等具有吸墨性的材料为承印介质的UV喷墨3D打印技术来讲，第1层油墨会对总高度造成误差，影响高程信息的精确度，因而应预先对纸张进行处理，可以预先在纸张表面打印1层实地油墨，以排除第1层油墨带来的误差。

2.2实地色块颜色再现分析
在X-riteMacbeth标准光源比色箱中，选择D65光源，以标准视距观察条件，观察1#和2#表面实地色块的颜色，并结合色块的L*a*b* 值分析其颜色再现情 况[16] 。白色和黑色油墨的视觉效果和色度值均不随 墨层数的变化而变化，而黄、品和青等3种色油墨的视觉效果和色度值则随墨层数增加而发生较大变化，见图2和表1。

观察图2，并结合表1的颜色数据发现，同种颜色色块随墨层数的增加颜色越来越浓，L值逐渐下降，这是饱和度逐渐增加的缘故。墨层数为1时，青、品和黄等3种色均在其色相范围内，视觉效果也接近于标准的青、品和黄，说明UV油墨在平面的色彩再现效果良好；当墨层数数逐渐增加时，3种颜色均逐渐偏离了各自的色相，在第20层时，青色的色相角已经落在了蓝色色相范围内，品红色的色相角落在了品红色和红色的色相边界处，黄色的色相角落在了黄色和红色的色相边界处，视觉上青色渐变为深蓝色，品红色渐变为黑红色，黄色渐变为棕黄色。多层彩色油墨叠加亮度下降、色相偏离的现象，主要是由青、品和黄等3种色墨的光学差异性导致的，这是由于UV喷墨打印多层呈色属于湿压干式的油墨叠印呈色，下层干燥的油墨会对上层油墨的颜色产生影响，相当于承印物的颜色对油墨呈色的影响，其中的定量关系难以确定。因此，在UV喷墨3D彩色打印中，模型表面的色彩只能通过单层彩墨来呈现，不能采用多层彩墨的叠加打印方式来实现。

2.3白色油墨对色域影响
4#和5#的色度值及纸张指数数据见表2，其中，4# 表面均匀打印了1层白色实地色块。对比纸张指数可知，原来的纸张偏色较严重，打印1层白色实地色块之后亮度有所下降，但偏色情况改善良好。对比L*a*b*值可知，原来的纸张与打印上白墨的纸张L值差别较小，而打印白墨以后的色偏较小。由此可见，在纸张表面均匀地打印1层白色实地油墨，可以有效改善纸张的偏色情况。 将由3#和4#的标版3分别生成的色域图G3和G4，与由EuroscaleCoated.icc特性文件所生成的色域图GE对比，并显示在CIE1931XYZ色度图中，见图3。

由图3可知，当L为75和50时，GE的色域最大，将它作为参考标准。G4的色域均大于G3的色域，更接近于GE的色域，且G4的色域边界几乎包含了G3 的色域边界，表明白墨在亮调和中间调均具有较好的色域再现能力；当L为25时，3个色域大小差别不 大，GE色域对黄色和绿色的再现性较好，某些青色和品红色表现不出来。与GE的色域相比，G3和G4的色域对青色和品红色的再现性较好，某些黄色和绿色表现不出来，G3的色域略大于G4的色域，表明白墨在暗调区域的色域再现能力略小于纸张的色域再现能力。总的来讲，白色UV油墨相对于纸张具有更好的色彩再现性，能够在中间调和亮调呈现出更大的色域范围。

2.4UV喷墨彩色3D打印方案
对于UV喷墨彩色3D打印，在高程实现方面，第1层油墨与纸张之间的渗透和铺展作用会引起模型的高度误差，可通过预先在纸张表面打印1层实地油墨，来排除第1层油墨的影响；在色彩呈现方面，多层彩墨的叠加会导致亮度下降、色相偏离，因此，只能以单层彩墨来实现色彩的呈现。因而，实现UV喷墨彩色3D打印，可以充分利用白色油墨具有较好的色彩再现性特性，预先在纸张上均匀打印1层白色实地色块，然后通过打印多层白色油墨来实现3D模型高程信息的打印，最后在白色油墨表面需要呈现色彩的地方打印单层彩色油墨来实现3D模型的色彩呈现。这样，既排除了第1层油墨给高度带来的误差，又能较好地实现了3D模型表面色彩的呈现。

综上所述，UV喷墨彩色3D打印可总结为单层白色实地油墨打印、多层白色油墨叠加打印和单层彩色油墨打印等3个步骤，最终3D模型的总高度为多层白色油墨的厚度和若干层彩色油墨厚度之和。

结语
UV喷墨彩色3D打印技术，克服了以光固化树脂 为打印基材的三维成型技术在喷头选择和色彩呈现方面的难题，采用以多层白色油墨的叠加实现3D模型的高度，以若干层彩色油墨的打印实现3D模型色彩的方案，来完成彩色3D模型的打印输出。白色油墨的厚度为13.12μm，相对于传统三维制造0.1mm的最小厚度来讲，大大提高了3D打印的精度，且白色油墨具有较好的色彩再现性，使得3D模型也可以具有不逊于平面图像的鲜艳色彩。当然，UV喷墨彩色3D打印仍然存在很多问题，模型的总高度是多层白墨和若干层彩墨厚度之和，而单层彩色油墨的厚度是未知数，若干层彩墨会给模型总高度带来一定的误差，UV喷墨彩色3D打印在模型侧面的呈色也需要进一步研究。总之，UV喷墨彩色3D打印技术，对于目前各领域3D打印技术的研究和应用具有较好的指导作用，对于提高3D打印的高程精度和色彩再现也具有重要意义。

编辑：南极熊
作者：何留喜，陈广学

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