如何通过3D打印制造出“晶莹剔透”的物品？

导读：从装饰雕像到微流体研究，透明度是3D打印中非常值得关注的一个方面。有时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，同时透明度是3D打印灯具、建筑模型和眼镜的一个重要特性。那么，如何利用3D打印制造出高透明度的产品呢？



透明3D打印带来了令人兴奋的商业机会。以荷兰初创公司Luxexcel为例，该公司生产3D打印镜片，被Facebook母公司Meta收购。Luxexcel打印从标准镜头到集成智能技术以及AR/VR技术的所有镜头。与此同时，汽车制造商克莱斯勒使用透明3D打印技术测试了其各种车轴差速器壳中的润滑油流量和效率。


△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多种，本文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，介绍获得高质量结果的最佳实践。
●最后，提供了可用于透明 3D 打印的线材和树脂材料清单。


△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

基于树脂的打印显然是透明部件的首选，因为该技术产生的层线远不如基于线材的方法明显。有几种基于树脂的技术可以使用透明树脂，透明树脂在紫外线下固化后会产生透明部件，但要获得最清晰的打印件，还是需要一些技巧的，例如以 100% 填充密度进行打印。采用 100% 填充密度进行打印，虽然需要更长的打印时间，但可以生产出晶莹剔透的零件，包括功能性相机镜头。

●光聚合是一种3D打印工艺，可以通过在使用紫外光固化的透明树脂来获得透明部件。此类方法包括最常见且经济实惠的立体光刻(SLA)、速度稍快的数字光处理(DLP) 和掩模立体光刻(MSLA)。

●材料喷射是另一种基于树脂的方法，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 零件必须采用清漆、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。它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床上。每层均由紫外线固化。

●熔融沉积技术FDM可以使用透明灯丝实现透明部件，此过程会在成品零件的边缘留下可见的脊线，但通过后处理可以将它们去除。


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

打印技巧

对于SLA透明3D打印，实现真正的透明需要后处理，例如在透明树脂中添加一点蓝色染料，以抵消紫外线泛黄过程，虽然会导致打印品浑浊。SLA 后处理将在下一节中介绍。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。

还要考虑打印的设置，是需要垂直于 Z 轴、XY 平面的透明度，还是完全透明？如果是制作透明花瓶，那么就只需要 X 轴和 Y 轴的透明度；如果是制作平面的透明，只需要Z轴的透明度；如果过是为了完全透明，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（照片：Christopher Daniels）

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。事实上，大部分实际透明度都是在一步骤实现的。尽管 SLA 可以生产出真正令人惊叹的透明部件，但这种方法的一个主要问题是随着时间的推移会泛黄，表面也会变得暗淡。有几个方法可以减轻这些影响：

●首先，必须清洁零件，通常这是用异丙醇完成的。
●然后它们在紫外线下固化，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，将其喷洒到印刷品上并晾干几天，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。

透明树脂



生物相容性树脂



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，而 PLA 仍然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）。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印刷结合丙酮整理来实现透明性。同时，PMMA 具有高度的透明度和玻璃的硬度，成为需要高强度的透明应用的良好选择。