匯總：制造透明3D打印部件的方法、技巧和材料！

3D打印的透明件用途越來越廣，從裝飾燈到人體心臟模型再到微流體設(shè)備，都可以看到透明件的身影。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，透明度也是3D打印燈具、建筑模型和眼鏡的一個重要特性。在3D打印領(lǐng)域中，有多種3D打印方法和3D打印服務(wù)能夠提供透明部件，南極熊將在下文介紹如何使用 FDM、樹脂和其他3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同級別的透明度制造。



多種3D打印技術(shù)可以制造透明件


△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很多種，以塑料為主。在此，南極熊將重點(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），然后再介紹獲得高質(zhì)量高精度產(chǎn)品的方法。最后，舉例提供可用于透明3D打印的線材和樹脂材料。


△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

基于樹脂的打印是制造透明部件的首選技術(shù)，因為層線比基于線材的方法不明顯。目前，已有多種基于樹脂的技術(shù)可以使用透明樹脂作為基礎(chǔ)材料，無需過多的后處理即可提供近乎透明的部件。透明樹脂在紫外光下固化后會產(chǎn)生透明部件，但要獲得最清晰的打印件，有一些技巧，例如以100%填充密度進(jìn)行打印，這個方法會增加用戶的打印時間，但它生產(chǎn)的零件可以是“晶瑩剔透”的，甚至可以用來制造功能性的相機(jī)鏡頭。


△用于 Lithoz 3D 打印機(jī)的 Glassomer 的 LithaGlass 材料

用于透明部件的樹脂3D打印類型
還原聚合是 3D 打印方法的總稱，包括立體光刻(SLA)、數(shù)字光處理(DLP) 和掩模立體光刻(MSLA)（也稱為 LCD 3D 打印）。這種 3D 打印工藝通過使用透明材料實(shí)現(xiàn)透明部件，即通過紫外線固化的樹脂。

微型樹脂3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究的微小、精細(xì)的物體，也可以實(shí)現(xiàn)透明特性。微立體光刻 (µSLA)可打印微型部件，或分辨率在 2 微米 (μm) 至 50 微米之間，需要專門的樹脂、精密的激光器和透鏡，從而產(chǎn)生十分小的光點(diǎn)。雙光子聚合 (TPP)是一種與 µSLA 類似的技術(shù)，但尺寸更小，TPP 目前用于研究、醫(yī)療應(yīng)用和微型零件的制造，例如微型電極和光學(xué)傳感器。

Lithoz 公司還有另一種基于樹脂的技術(shù)，用于制造陶瓷 3D 打印機(jī)，但在 2023 年，該公司宣布與一家名為 Glassomer 的德國初創(chuàng)公司合作，該公司生產(chǎn)含有無定形二氧化硅的液體玻璃樹脂，以實(shí)現(xiàn)玻璃 3D打印。后處理需要將打印件放入溫度達(dá)到 1,300°C 的烤箱中進(jìn)行燒結(jié)，以熔化聚合物粘合劑并將玻璃顆粒融合成固體透明件。Lithoz表示，盡管材料熔化了，但部件在各向同性（在所有方向上相等）收縮后仍保持其形狀。

材料噴射是另一種基于樹脂的方法，其中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 零件通常須采用清漆、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，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打印床上。每層均由紫外線固化。


△PETG 標(biāo)志性的半透明性使其與眾不同

透明零件的材料擠壓技術(shù)
熔融沉積建模 (FDM)能夠以透明燈絲作為材料來制造透明部件，此過程會在成品零件的邊緣留下可見的層線，但通過后處理可以完全去除。PLA、PETG、聚丙烯和其他幾種聚合物（從經(jīng)濟(jì)和裝飾性到工業(yè)和生物相容性）可以實(shí)現(xiàn)透明。如果想要打印大型物品，例如燈，顆粒狀的透明材料更經(jīng)濟(jì)。玻璃擠出 3D 打印新興，但考慮到工業(yè)設(shè)備和溫度，大多僅限于科學(xué)實(shí)驗室和藝術(shù)工作室，它尚未廣泛商用。

打印技巧


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

對于 SLA 透明 3D 打印，實(shí)現(xiàn)真正透明的步驟主要發(fā)生在后處理中，這里的一個例外是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，盡管這可能會導(dǎo)致打印品渾濁。SLA 后處理將在下文中介紹。

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。

還要考慮打印機(jī)的設(shè)置：需要思考物品的透明方向，是垂直于 Z 軸、XY 平面的透明度，還是完全透明？為了制作透明花瓶，只需要 X 軸和 Y 軸的透明度。為了制作平面窗口，只需要 Z 軸的透明度。為了完全透明，則需要所有軸都透明。

要實(shí)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

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。盡管 SLA 可以生產(chǎn)出真正透明的部件，但這種方法的一個主要問題是隨著時間的推移會泛黃，部件表面也會變得很暗，有幾個步驟可以減輕這些影響：

●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，將其噴灑到打印品上并晾干幾天，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。





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，其中PLA 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）。另一種材料 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打印結(jié)合丙酮整理實(shí)現(xiàn)透明性，同時，PMMA 具有高度的透明度和玻璃的硬度，使這種丙烯酸材料成為需要高強(qiáng)度的透明應(yīng)用的良好選擇。