如何通過3D打印制造出“晶瑩剔透”的物品？
時間：2023-08-14 17:18 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：從裝飾雕像到微流體研究，透明度是3D打印中非常值得關注的一個方面。有時產品設計師需要清晰透明的瓶子原型，牙醫需要清晰的3D打印手術導板，同時透明度是3D打印燈具、建筑模型和眼鏡的一個重要特性。那么，如何利用3D打印制造出高透明度的產品呢？
透明3D打印帶來了令人興奮的商業機會。以荷蘭初創公司Luxexcel為例，該公司生產3D打印鏡片，被Facebook母公司Meta收購。Luxexcel打印從標準鏡頭到集成智能技術以及AR/VR技術的所有鏡頭。與此同時，汽車制造商克萊斯勒使用透明3D打印技術測試了其各種車軸差速器殼中的潤滑油流量和效率。
△來自 Yorken 的 Cults3D 模型的 3D 打印透明燈罩
可用于3D打印的半透明材料有多種，本文將重點關注真正透明（即完全透明）材料的可用性：
●首先，將介紹透明 3D 打印的主要方法（SLA 和 FDM）。
●然后，介紹獲得高質量結果的最佳實踐。
●最后，提供了可用于透明 3D 打印的線材和樹脂材料清單。
△用于 Nexa3D 透明零件的透明樹脂
△打印機制造商 3D Systems 提供 SLA 和材料噴射 3D 打印機，可生產用于工業原型制作的透明零件
基于樹脂的打印顯然是透明部件的首選，因為該技術產生的層線遠不如基于線材的方法明顯。有幾種基于樹脂的技術可以使用透明樹脂，透明樹脂在紫外線下固化后會產生透明部件，但要獲得最清晰的打印件，還是需要一些技巧的，例如以 100% 填充密度進行打印。采用 100% 填充密度進行打印，雖然需要更長的打印時間，但可以生產出晶瑩剔透的零件，包括功能性相機鏡頭。
●光聚合是一種3D打印工藝，可以通過在使用紫外光固化的透明樹脂來獲得透明部件。此類方法包括最常見且經濟實惠的立體光刻(SLA)、速度稍快的數字光處理(DLP) 和掩模立體光刻(MSLA)。
●材料噴射是另一種基于樹脂的方法，將紫外線固化樹脂一滴一滴地沉積到表面上，并用紫外線立即固化。Polyjet是 3D 打印機制造商 Stratasys 開發的材料噴射方法。要使用 Polyjet 獲得清晰的打印件，首先需要使用透明樹脂（例如 Stratasys 的 VeroClear）。為了獲得最佳效果，Polyjet 零件必須采用清漆、拋光或光漂白工藝進行精加工。3D打印機制造商Mimaki的專有技術也是材料噴射的一種。它使用噴墨打印技術將白色、透明和 CMYK 格式的 UV 固化液體樹脂以及可溶性支撐材料逐層沉積在床上。每層均由紫外線固化。
●熔融沉積技術FDM可以使用透明燈絲實現透明部件，此過程會在成品零件的邊緣留下可見的脊線，但通過后處理可以將它們去除。
△使用 Detax 的 Freeprint Ortho 樹脂制成的牙科手術導板
打印技巧
對于SLA透明3D打印，實現真正的透明需要后處理，例如在透明樹脂中添加一點藍色染料，以抵消紫外線泛黃過程，雖然會導致打印品渾濁。SLA 后處理將在下一節中介紹。使用材料擠出或 FDM 進行打印時，有一些步驟可以提高打印質量。例如可以使用較高的熱端溫度、較大的層高和較低的填充量。這些步驟將確保透明材料適當熔化、間隔開并足夠空心，以獲得最佳透明度。
還要考慮打印的設置，是需要垂直于 Z 軸、XY 平面的透明度，還是完全透明？如果是制作透明花瓶，那么就只需要 X 軸和 Y 軸的透明度；如果是制作平面的透明，只需要Z軸的透明度；如果過是為了完全透明，則需要所有軸都透明。要實現 X 軸和 Y 軸的透明度，需要相對于所使用的噴嘴尺寸具有較大的層高。更大、更球形的層往往會折射更少的光，從而產生更透明的 3D 打印部件。根據材料制造商 Taulman3D 的說法，以噴嘴直徑的 70% 至 90% 進行打印會產生更透明的打印效果。
建議使用以下設置來提高使用此技術的透明度：
●打印速度變慢（正常打印速度的 25% – 30%）
●使用更大的噴嘴打印更厚的層
●以噴嘴直徑的 70% – 90% 進行打印，以獲得折射較少光線的結構
●使用燈絲范圍內的最高噴嘴溫度（確保塑料熔化）
●使用高于 100% 的流速（在本例中為 108%）
●禁用風扇或打印冷卻
后期處理
△在水中打磨透明樹脂部件可去除表面劃痕、層線和瑕疵（照片：Christopher Daniels）
對于大多數 3D 打印，需要進行后處理才能達到預期的結果，透明打印也不例外。事實上，大部分實際透明度都是在一步驟實現的。盡管 SLA 可以生產出真正令人驚嘆的透明部件，但這種方法的一個主要問題是隨著時間的推移會泛黃，表面也會變得暗淡。有幾個方法可以減輕這些影響：
●首先，必須清潔零件，通常這是用異丙醇完成的。
●然后它們在紫外線下固化，避免過度固化以防止泛黃。
●最后，零件必須經過打磨、拋光，并涂上透明涂層或清漆。
為了獲得最佳效果，打磨應從400目開始，逐漸增加到 12,000 目，此時零件會變得反光。打磨和拋光后，噴涂透明涂層可產生漂亮的表面效果，并防止紫外線照射導致泛黃，或者可以將零件浸入樹脂中以獲得真正光滑的表面。
另一種后處理方法稱為光漂白。此方法需要額外的機器，例如Stratasys 制造的ProBleacher 。
當使用FDM打印時，通常建議打磨和透明涂層，例如這種噴涂聚氨酯涂層。一些基于長絲的 3D 打印部件可以用溶劑處理。例如，PolySmooth 燈絲是專門為透明模型設計的燈絲。PolySmooth 可以用乙醇完成，將其噴灑到印刷品上并晾干幾天，多次重新應用使零件變得透明。然而，該部件可能會因溶劑而失去尺寸穩定性。
透明樹脂
△透明樹脂
用于 SLA 和 Polyjet 打印機的樹脂數量不斷增加。這些產品有多種價位，從消費者友好型產品（如 Siraya Tech Simple Resin Clear）到牙科或醫療級產品（如 Nexa3D NXE xMed 412 Clear Resin）。目前市場上產品的性能和預期應用多種多樣，使用樹脂打印的3D構建者一定會找到適合其項目的材料。
透明樹脂
生物相容性樹脂
特種樹脂
透明燈絲
△Ultimaker 透明燈絲
用于 3D 打印的長絲有 PLA、PETG、PMMA、ABS 和聚碳酸酯材質。PLA 和 ABS 是最常用的，而 PLA 仍然是最容易使用的長絲之一，在透明度方面具有最好的效果。ABS 通過添加添加劑而變得半透明（不是完全透明）。PETG 可生產通常堅固但稍有彈性的零件，其表面處理通常不需要后處理。聚碳酸酯可以通過高溫印刷結合丙酮整理來實現透明性。同時，PMMA 具有高度的透明度和玻璃的硬度，成為需要高強度的透明應用的良好選擇。
透明3D打印帶來了令人興奮的商業機會。以荷蘭初創公司Luxexcel為例，該公司生產3D打印鏡片，被Facebook母公司Meta收購。Luxexcel打印從標準鏡頭到集成智能技術以及AR/VR技術的所有鏡頭。與此同時，汽車制造商克萊斯勒使用透明3D打印技術測試了其各種車軸差速器殼中的潤滑油流量和效率。
△來自 Yorken 的 Cults3D 模型的 3D 打印透明燈罩
可用于3D打印的半透明材料有多種，本文將重點關注真正透明（即完全透明）材料的可用性：
●首先，將介紹透明 3D 打印的主要方法（SLA 和 FDM）。
●然后，介紹獲得高質量結果的最佳實踐。
●最后，提供了可用于透明 3D 打印的線材和樹脂材料清單。
△用于 Nexa3D 透明零件的透明樹脂
△打印機制造商 3D Systems 提供 SLA 和材料噴射 3D 打印機，可生產用于工業原型制作的透明零件
基于樹脂的打印顯然是透明部件的首選，因為該技術產生的層線遠不如基于線材的方法明顯。有幾種基于樹脂的技術可以使用透明樹脂，透明樹脂在紫外線下固化后會產生透明部件，但要獲得最清晰的打印件，還是需要一些技巧的，例如以 100% 填充密度進行打印。采用 100% 填充密度進行打印，雖然需要更長的打印時間，但可以生產出晶瑩剔透的零件，包括功能性相機鏡頭。
●光聚合是一種3D打印工藝，可以通過在使用紫外光固化的透明樹脂來獲得透明部件。此類方法包括最常見且經濟實惠的立體光刻(SLA)、速度稍快的數字光處理(DLP) 和掩模立體光刻(MSLA)。
●材料噴射是另一種基于樹脂的方法，將紫外線固化樹脂一滴一滴地沉積到表面上，并用紫外線立即固化。Polyjet是 3D 打印機制造商 Stratasys 開發的材料噴射方法。要使用 Polyjet 獲得清晰的打印件，首先需要使用透明樹脂（例如 Stratasys 的 VeroClear）。為了獲得最佳效果，Polyjet 零件必須采用清漆、拋光或光漂白工藝進行精加工。3D打印機制造商Mimaki的專有技術也是材料噴射的一種。它使用噴墨打印技術將白色、透明和 CMYK 格式的 UV 固化液體樹脂以及可溶性支撐材料逐層沉積在床上。每層均由紫外線固化。
●熔融沉積技術FDM可以使用透明燈絲實現透明部件，此過程會在成品零件的邊緣留下可見的脊線，但通過后處理可以將它們去除。
△使用 Detax 的 Freeprint Ortho 樹脂制成的牙科手術導板
打印技巧
對于SLA透明3D打印，實現真正的透明需要后處理，例如在透明樹脂中添加一點藍色染料，以抵消紫外線泛黃過程，雖然會導致打印品渾濁。SLA 后處理將在下一節中介紹。使用材料擠出或 FDM 進行打印時，有一些步驟可以提高打印質量。例如可以使用較高的熱端溫度、較大的層高和較低的填充量。這些步驟將確保透明材料適當熔化、間隔開并足夠空心，以獲得最佳透明度。
還要考慮打印的設置，是需要垂直于 Z 軸、XY 平面的透明度，還是完全透明？如果是制作透明花瓶，那么就只需要 X 軸和 Y 軸的透明度；如果是制作平面的透明，只需要Z軸的透明度；如果過是為了完全透明，則需要所有軸都透明。要實現 X 軸和 Y 軸的透明度，需要相對于所使用的噴嘴尺寸具有較大的層高。更大、更球形的層往往會折射更少的光，從而產生更透明的 3D 打印部件。根據材料制造商 Taulman3D 的說法，以噴嘴直徑的 70% 至 90% 進行打印會產生更透明的打印效果。
建議使用以下設置來提高使用此技術的透明度：
●打印速度變慢（正常打印速度的 25% – 30%）
●使用更大的噴嘴打印更厚的層
●以噴嘴直徑的 70% – 90% 進行打印，以獲得折射較少光線的結構
●使用燈絲范圍內的最高噴嘴溫度（確保塑料熔化）
●使用高于 100% 的流速（在本例中為 108%）
●禁用風扇或打印冷卻
后期處理
△在水中打磨透明樹脂部件可去除表面劃痕、層線和瑕疵（照片：Christopher Daniels）
對于大多數 3D 打印，需要進行后處理才能達到預期的結果，透明打印也不例外。事實上，大部分實際透明度都是在一步驟實現的。盡管 SLA 可以生產出真正令人驚嘆的透明部件，但這種方法的一個主要問題是隨著時間的推移會泛黃，表面也會變得暗淡。有幾個方法可以減輕這些影響：
●首先，必須清潔零件，通常這是用異丙醇完成的。
●然后它們在紫外線下固化，避免過度固化以防止泛黃。
●最后，零件必須經過打磨、拋光，并涂上透明涂層或清漆。
為了獲得最佳效果，打磨應從400目開始，逐漸增加到 12,000 目，此時零件會變得反光。打磨和拋光后，噴涂透明涂層可產生漂亮的表面效果，并防止紫外線照射導致泛黃，或者可以將零件浸入樹脂中以獲得真正光滑的表面。
另一種后處理方法稱為光漂白。此方法需要額外的機器，例如Stratasys 制造的ProBleacher 。
當使用FDM打印時，通常建議打磨和透明涂層，例如這種噴涂聚氨酯涂層。一些基于長絲的 3D 打印部件可以用溶劑處理。例如，PolySmooth 燈絲是專門為透明模型設計的燈絲。PolySmooth 可以用乙醇完成，將其噴灑到印刷品上并晾干幾天，多次重新應用使零件變得透明。然而，該部件可能會因溶劑而失去尺寸穩定性。
透明樹脂
△透明樹脂
用于 SLA 和 Polyjet 打印機的樹脂數量不斷增加。這些產品有多種價位，從消費者友好型產品（如 Siraya Tech Simple Resin Clear）到牙科或醫療級產品（如 Nexa3D NXE xMed 412 Clear Resin）。目前市場上產品的性能和預期應用多種多樣，使用樹脂打印的3D構建者一定會找到適合其項目的材料。
透明樹脂
生物相容性樹脂
特種樹脂
透明燈絲
△Ultimaker 透明燈絲
用于 3D 打印的長絲有 PLA、PETG、PMMA、ABS 和聚碳酸酯材質。PLA 和 ABS 是最常用的，而 PLA 仍然是最容易使用的長絲之一，在透明度方面具有最好的效果。ABS 通過添加添加劑而變得半透明（不是完全透明）。PETG 可生產通常堅固但稍有彈性的零件，其表面處理通常不需要后處理。聚碳酸酯可以通過高溫印刷結合丙酮整理來實現透明性。同時，PMMA 具有高度的透明度和玻璃的硬度，成為需要高強度的透明應用的良好選擇。
(責任編輯：admin)
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