透明3D打印部件的方法、技巧和材料以及后处理工艺

原标题：汇总：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来越广，从装饰灯到人体心脏模型再到微流体设备，都可以看到透明件的身影。产品设计师需要清晰透明的瓶子原型，牙医需要清晰的 3D 打印手术导板，透明度也是3D打印灯具、建筑模型和眼镜的一个重要特性。在3D打印领域中，有多种3D打印方法和3D打印服务能够提供透明部件，南极熊将在下文介绍如何使用 FDM、树脂和其他3D打印技术实现不同级别的透明度制造。

多种3D打印技术可以制造透明件


△来自 Yorken 的 Cults3D 模型的 3D 打印透明灯罩可用于 3D 打印的半透明材料有很多种，以塑料为主。在此，南极熊将重点关注真正透明（即完全透明）材料的可用性。首先，将介绍透明3D打印的主要方法（SLA 和 FDM），然后再介绍获得高质量高精度产品的方法。最后，举例提供可用于透明3D打印的线材和树脂材料。


△用于 Nexa3D 透明零件的透明树脂


△打印机制造商 3D Systems 提供 SLA 和材料喷射 3D 打印机，可生产用于工业原型制作的透明零件

基于树脂的打印是制造透明部件的首选技术，因为层线比基于线材的方法不明显。目前，已有多种基于树脂的技术可以使用透明树脂作为基础材料，无需过多的后处理即可提供近乎透明的部件。透明树脂在紫外光下固化后会产生透明部件，但要获得最清晰的打印件，有一些技巧，例如以100%填充密度进行打印，这个方法会增加用户的打印时间，但它生产的零件可以是“晶莹剔透”的，甚至可以用来制造功能性的相机镜头。


△用于 Lithoz 3D 打印机的 Glassomer 的 LithaGlass 材料

用于透明部件的树脂3D打印类型
还原聚合是 3D 打印方法的总称，包括立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP) 和掩模立体光刻(MSLA)（也称为 LCD 3D 打印）。这种 3D 打印工艺通过使用透明材料实现透明部件，即通过紫外线固化的树脂。

微型树脂3D打印技术可以生产用于医学应用研究的微小、精细的物体，也可以实现透明特性。微立体光刻 (µSLA)可打印微型部件，或分辨率在 2 微米 (μm) 至 50 微米之间，需要专门的树脂、精密的激光器和透镜，从而产生十分小的光点。双光子聚合 (TPP)是一种与 µSLA 类似的技术，但尺寸更小，TPP 目前用于研究、医疗应用和微型零件的制造，例如微型电极和光学传感器。

Lithoz 公司还有另一种基于树脂的技术，用于制造陶瓷 3D 打印机，但在 2023 年，该公司宣布与一家名为 Glassomer 的德国初创公司合作，该公司生产含有无定形二氧化硅的液体玻璃树脂，以实现玻璃 3D打印。后处理需要将打印件放入温度达到 1,300°C 的烤箱中进行烧结，以熔化聚合物粘合剂并将玻璃颗粒融合成固体透明件。Lithoz表示，尽管材料熔化了，但部件在各向同性（在所有方向上相等）收缩后仍保持其形状。

材料喷射是另一种基于树脂的方法，其中将紫外线固化树脂一滴一滴地沉积到表面上，并用紫外线立即固化。Polyjet是 3D 打印机制造商 Stratasys 开发的材料喷射方法。要使用 Polyjet 获得清晰的打印件，首先需要使用透明树脂（例如 Stratasys 的 VeroClear），为了获得最佳效果，Polyjet 零件通常须采用清漆、抛光或光漂白工艺进行精加工。3D打印机制造商Mimaki的专有技术也是材料喷射的一种，使用喷墨打印技术将白色、透明和 CMYK 格式的 UV 固化液体树脂以及可溶性支撑材料逐层沉积在打印床上。每层均由紫外线固化。


△PETG 标志性的半透明性使其与众不同

透明零件的材料挤压技术
熔融沉积建模 (FDM)能够以透明灯丝作为材料来制造透明部件，此过程会在成品零件的边缘留下可见的层线，但通过后处理可以完全去除。PLA、PETG、聚丙烯和其他几种聚合物（从经济和装饰性到工业和生物相容性）可以实现透明。如果想要打印大型物品，例如灯，颗粒状的透明材料更经济。玻璃挤出 3D 打印新兴，但考虑到工业设备和温度，大多仅限于科学实验室和艺术工作室，它尚未广泛商用。

打印技巧


△使用 Detax 的 Freeprint Ortho 树脂制成的牙科手术导板

对于 SLA 透明 3D 打印，实现真正透明的步骤主要发生在后处理中，这里的一个例外是在透明树脂中添加一点蓝色染料，以抵消紫外线泛黄过程，尽管这可能会导致打印品浑浊。SLA 后处理将在下文中介绍。

使用材料挤出或 FDM 进行打印时，有一些步骤可以提高打印质量。例如，可以使用较高的热端温度、较大的层高和较低的填充量。这些步骤将确保透明材料适当熔化、间隔开并足够空心，以获得最佳透明度。

还要考虑打印机的设置：需要思考物品的透明方向，是垂直于 Z 轴、XY 平面的透明度，还是完全透明？为了制作透明花瓶，只需要 X 轴和 Y 轴的透明度。为了制作平面窗口，只需要 Z 轴的透明度。为了完全透明，则需要所有轴都透明。

要实现 X 轴和 Y 轴的透明度，需要相对于所使用的喷嘴尺寸具有较大的层高。更大、更球形的层往往会折射更少的光，从而产生更透明的 3D 打印部件。根据材料制造商 Taulman3D 的说法，以喷嘴直径的 70% 至 90% 进行打印会产生更透明的打印效果。

建议使用以下设置来提高使用此技术的透明度：

●打印速度变慢（正常打印速度的 25% – 30%）
●使用更大的喷嘴打印更厚的层
●以喷嘴直径的 70% – 90% 进行打印，以获得折射较少光线的结构
●使用灯丝范围内的最高喷嘴温度（确保塑料熔化）
●使用高于 100% 的流速（在本例中为 108%）
●禁用风扇或打印冷却

后期处理


△在水中打磨透明树脂部件可去除表面划痕、层线和瑕疵

对于大多数 3D 打印，需要进行后处理才能达到预期的结果，透明打印也不例外。尽管 SLA 可以生产出真正透明的部件，但这种方法的一个主要问题是随着时间的推移会泛黄，部件表面也会变得很暗，有几个步骤可以减轻这些影响：

●首先，必须清洁零件。通常这是用异丙醇完成的，然后在紫外线下固化。
●避免过度固化以防止泛黄。最后，零件必须经过打磨、抛光，并涂上透明涂层或清漆。
●为了获得最佳效果，打磨应从 400 目开始，逐渐增加到 12,000 目，此时零件会变得反光。打磨和抛光后，喷涂透明涂层可产生漂亮的表面效果，并防止紫外线照射导致泛黄，或者可以将零件浸入树脂中以获得真正光滑的表面。

另一种后处理方法称为光漂白。此方法需要额外的机器，例如Stratasys 制造的ProBleacher 。当使用FDM打印时，通常建议打磨和透明涂层，例如这种喷涂聚氨酯涂层。一些基于长丝的 3D 打印部件可以用溶剂处理。例如，PolySmooth 灯丝是专门为透明模型设计的灯丝，PolySmooth 可以用乙醇完成，将其喷洒到打印品上并晾干几天，多次重新应用使零件变得透明。然而，该部件可能会因溶剂而失去尺寸稳定性。

透明树脂


△透明树脂

用于 SLA 和 Polyjet 打印机的树脂数量不断增加。这些产品有多种价位，从消费者友好型产品（如 Siraya Tech Simple Resin Clear）到牙科或医疗级产品（如 Nexa3D NXE xMed 412 Clear Resin）。目前市场上产品的性能和预期应用多种多样，使用树脂打印的 3D 构建者一定会找到适合其项目的材料。





特种树脂



透明灯丝


△Ultimaker 透明灯丝

用于 3D 打印的长丝有 PLA、PETG、PMMA、ABS 和聚碳酸酯材质。PLA 和 ABS 是最常用的，其中PLA 是最容易使用的长丝之一，在透明度方面具有最好的效果。ABS 通过添加添加剂而变得半透明（不是完全透明）。另一种材料 PETG 可生产通常坚固但稍有弹性的零件，其表面处理通常不需要后处理。聚碳酸酯可以通过高温打印结合丙酮整理实现透明性，同时，PMMA 具有高度的透明度和玻璃的硬度，使这种丙烯酸材料成为需要高强度的透明应用的良好选择。文章来源：南极熊