如何通過3D打印制造出“晶瑩剔透”的物品？

導(dǎo)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(guān)注的一個方面。有時產(chǎn)品設(shè)計師需要清晰透明的瓶子原型，牙醫(yī)需要清晰的3D打印手術(shù)導(dǎo)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(chǎn)品呢？



透明3D打印帶來了令人興奮的商業(yè)機(jī)會。以荷蘭初創(chuàng)公司Luxexcel為例，該公司生產(chǎn)3D打印鏡片，被Facebook母公司Meta收購。Luxexcel打印從標(biāo)準(zhǔn)鏡頭到集成智能技術(shù)以及AR/VR技術(shù)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(shù)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(diǎn)關(guān)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(zhì)量結(jié)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(jī)制造商 3D Systems 提供 SLA 和材料噴射 3D 打印機(jī)，可生產(chǎn)用于工業(yè)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(shù)產(chǎn)生的層線遠(yuǎn)不如基于線材的方法明顯。有幾種基于樹脂的技術(shù)可以使用透明樹脂，透明樹脂在紫外線下固化后會產(chǎn)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(jìn)行打印。采用 100% 填充密度進(jìn)行打印，雖然需要更長的打印時間，但可以生產(chǎn)出晶瑩剔透的零件，包括功能性相機(jī)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(jīng)濟(jì)實惠的立體光刻(SLA)、速度稍快的數(shù)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(jī)制造商 Stratasys 開發(fā)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(jìn)行精加工。3D打印機(jī)制造商Mimaki的專有技術(shù)也是材料噴射的一種。它使用噴墨打印技術(shù)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(shù)FDM可以使用透明燈絲實現(xiàn)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?nèi)コ��?br />

△使用 Detax 的 Freeprint Ortho 樹脂制成的牙科手術(shù)導(dǎo)板

打印技巧

對于SLA透明3D打印，實現(xiàn)真正的透明需要后處理，例如在透明樹脂中添加一點(diǎn)藍(lán)色染料，以抵消紫外線泛黃過程，雖然會導(dǎo)致打印品渾濁。SLA 后處理將在下一節(jié)中介紹。使用材料擠出或 FDM 進(jìn)行打印時，有一些步驟可以提高打印質(zhì)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(dāng)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(shè)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(xiàn) 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(chǎn)生更透明的 3D 打印部件。根據(jù)材料制造商 Taulman3D 的說法，以噴嘴直徑的 70% 至 90% 進(jìn)行打印會產(chǎn)生更透明的打印效果。

建議使用以下設(shè)置來提高使用此技術(shù)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(jìn)行打印，以獲得折射較少光線的結(jié)構(gòu)
●使用燈絲范圍內(nèi)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(fēng)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(shù) 3D 打印，需要進(jìn)行后處理才能達(dá)到預(yù)期的結(jié)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(xiàn)的。盡管 SLA 可以生產(chǎn)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(jīng)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(yīng)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(chǎn)生漂亮的表面效果，并防止紫外線照射導(dǎo)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(jī)器，例如Stratasys 制造的ProBleacher 。

當(dāng)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(shè)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(yīng)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(wěn)定性。

透明樹脂


△透明樹脂

用于 SLA 和 Polyjet 打印機(jī)的樹脂數(shù)量不斷增加。這些產(chǎn)品有多種價位，從消費(fèi)者友好型產(chǎn)品（如 Siraya Tech Simple Resin Clear）到牙科或醫(yī)療級產(chǎn)品（如 Nexa3D NXE xMed 412 Clear Resin）。目前市場上產(chǎn)品的性能和預(yù)期應(yīng)用多種多樣，使用樹脂打印的3D構(gòu)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(zhì)。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(chǎn)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(jié)合丙酮整理來實現(xiàn)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(qiáng)度的透明應(yīng)用的良好選擇。