噴漆與染色:3D打印應(yīng)該選擇哪種著色方法?
魔猴君 知識(shí)堂 6天前
在增材制造領(lǐng)域,技術(shù)種類繁多。其中一些能夠直接彩色打印零件。另一方面,他們中的絕大多數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)顏色設(shè)計(jì)零件,操作員在后處理階段應(yīng)用顏色觸感。事實(shí)上,在許多行業(yè)和應(yīng)用中,例如消費(fèi)品,具有彩色部件可能是最終產(chǎn)品的基本特征。因此,實(shí)施能夠?qū)㈩伾珣?yīng)用于新打印的模型的后處理技術(shù)可以極大地簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程。3D打印中最常用的兩種方法是噴漆和染色。
盡管乍一看它們可能非常相似,但事實(shí)是,根據(jù)所使用的增材制造技術(shù)、材料和最終用途,使用其中一種更為合適。值得一提的是,一些3D打印技術(shù)允許在制造過(guò)程中直接創(chuàng)建多色零件。這些方法包括材料噴射、粉末粘合和雙絲擠出。對(duì)于所有其他聚合物技術(shù),需要額外的步驟來(lái)為最終部件著色。為了更好地理解染色和噴漆之間的差異,這里對(duì)兩種工藝進(jìn)行了比較,僅關(guān)注聚合物材料。
圖1:噴漆和染色是3D打印中廣泛使用的兩種后處理技術(shù)。
這兩個(gè)過(guò)程如何進(jìn)行?
噴漆
噴漆涉及使用丙烯酸涂料或搪瓷為作品著色。根據(jù)最終應(yīng)用,我們將選擇手動(dòng)或自動(dòng)涂漆。在這兩種情況下,該過(guò)程都涉及幾個(gè)階段,這些階段發(fā)生在最后的后處理階段:應(yīng)用底漆來(lái)準(zhǔn)備表面,底漆(顏色),最后是透明涂層(搪瓷)以保護(hù)表面。成品。關(guān)于手工過(guò)程,雖然可以用刷子噴漆,但噴漆是最普遍的,即使在專業(yè)水平上也是如此,因?yàn)樗梢允诡伾鶆颉?/span>
在進(jìn)行任何著色操作之前,準(zhǔn)備零件至關(guān)重要。顯然,這在很大程度上取決于零件的技術(shù)、材料和最終應(yīng)用,這可能需要手動(dòng)或更專業(yè)的表面精加工操作。例如,對(duì)于SLA 3D打印,移除支撐結(jié)構(gòu)后,需要在涂底漆之前打磨支撐物留下的痕跡。對(duì)于FDM打印機(jī),當(dāng)對(duì)層厚度較高的PLA或ABS零件進(jìn)行清漆時(shí),可能需要在清漆之前打磨整個(gè)模型,以使層線不再可見。
后處理完成后,去除支撐和模型樹脂或粉末并打磨表面,必須手動(dòng)或自動(dòng)連接部件進(jìn)行噴漆。第一步是涂上第一層底漆,之后必須再次檢查表面是否存在可能的缺陷,如有必要,請(qǐng)將其除去。然后再涂上一層底漆,在制造商規(guī)定的干燥時(shí)間后,零件表面就可以進(jìn)行涂漆了。涂第一層顏色,如有必要,可以涂幾層以獲得均勻且更強(qiáng)烈的顏色。最后,還建議使用一層透明琺瑯進(jìn)行最終拋光。
圖2:噴漆時(shí)使用適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)非常重要(照片來(lái)源:Formlabs)
優(yōu)選的工具可用于涂底漆和顏色。最推薦的是噴槍和氣霧罐。還可以使用普通畫筆添加細(xì)節(jié)或在零件上繪圖。使用自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí),原理通常是相同的,但用戶被在受控室中運(yùn)行的機(jī)器人、分配器和自動(dòng)槍所取代。
至于著色件的最終干燥時(shí)間,根據(jù)所使用的工具,顏色可能需要長(zhǎng)達(dá)一周的時(shí)間才能很好地固定在件的表面上。在所有涂漆操作過(guò)程中,重要的是使用防護(hù)裝備,例如手套和面罩,以防止吸入油漆煙霧。顯然,有了自動(dòng)化系統(tǒng),這個(gè)問(wèn)題就消失了。最后,清漆的類型以及面漆的類型可以根據(jù)所需的最終結(jié)果而變化。有半啞光、半光澤甚至金屬清漆,可以產(chǎn)生金色或銀色等效果。
染色
染色是通過(guò)浸漬和吸收進(jìn)行的過(guò)程。將部件在高溫下浸入液體染料溶液中指定的時(shí)間。浸泡的時(shí)間長(zhǎng)短決定了顏色的強(qiáng)度。然后,該部件吸收第一表面層的顏色。
與噴漆一樣,準(zhǔn)備房間是必不可少的第一步。然后需要對(duì)其進(jìn)行清潔,去除支撐物、粉末或多余的材料,并在開始染色之前進(jìn)行必要的表面處理。染色是一種可以手動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程,也可以使用專門為此功能設(shè)計(jì)的機(jī)器進(jìn)行,后一種選擇在工業(yè)領(lǐng)域最常見。
就所使用的染料類型而言,市場(chǎng)上有各種顏色。還可以使用抗紫外線著色劑,之所以如此稱呼,是因?yàn)樗哂械挚龟?yáng)光直射而不損失顏色強(qiáng)度的附加功能。與噴漆的另一個(gè)根本區(qū)別是染色是一種更持久的著色方法,隨著時(shí)間的推移,耐磨損和褪色。
圖3:照片來(lái)源:惠普
如果您選擇手工染色,則必須將染料和水混合來(lái)制備溶液(遵循制造商的說(shuō)明)。水量應(yīng)足以完全覆蓋要染色的3D打印件。然后將水煮沸并小心地倒入裝有染料的容器中。然后,您可以使用鉗子取出零件并將其浸入溶液中。重要的是在水仍然很熱時(shí)進(jìn)行此操作,否則染料將無(wú)法正確吸收。當(dāng)您對(duì)最終的顏色感到滿意時(shí),可以使用鑷子再次取出該部件并輕輕搖動(dòng)以去除多余的染料。浸泡后,必須將碎片沖洗干凈,以去除殘留的染料;最后一步是讓它們干燥。
另一方面,如果您選擇專業(yè)染色,市場(chǎng)上有多種專為3D打印零件設(shè)計(jì)的機(jī)器。它們的工作原理相同:待染色的織物被放置在旋轉(zhuǎn)籃中,在那里它們或多或少自動(dòng)地被染色、漂洗和干燥。明確建議將該方法用于批量或大規(guī)模零件的工業(yè)生產(chǎn)。
兼容的技術(shù)和材料
正如一開始提到的,增材制造技術(shù)允許在加工過(guò)程中直接創(chuàng)建多色零件。然而,對(duì)于許多其他使用聚合物的人來(lái)說(shuō),需要一些額外的步驟才能將顏色應(yīng)用到最終的作品上。
在染色方面,該工藝主要用于采用SLS、Multi Jet Fusion、HSS或SAF等聚合物粉末床技術(shù)生產(chǎn)的零件。這些方法與粉末狀聚合物兼容,例如尼龍(PA11、PA12)、聚丙烯、TPU等。打印過(guò)程結(jié)束后,部件通常具有可滲透的表面,非常適合吸收染料和保留彩色顏料。當(dāng)使用尼龍時(shí),這種現(xiàn)象尤其明顯,因?yàn)檫@種材料具有高滲透性的特點(diǎn)。值得一提的是,惠普等公司已經(jīng)開發(fā)了Jet Fusion 5420W等3D打印機(jī),專門用于創(chuàng)建白色部件,在后處理過(guò)程中促進(jìn)顏色粘附。
使用SLA或DLP等樹脂方法3D打印的模型也可以著色。這將需要使用適合這些零件和材料的特定染料。此外,材料的選擇對(duì)于染色過(guò)程的效率也至關(guān)重要。例如,通過(guò)對(duì)透明樹脂進(jìn)行染色,最終產(chǎn)品的顏色將比不透明樹脂更半透明,但不那么鮮艷,因?yàn)椴煌该鳂渲辉试S光線穿過(guò)。另一方面,可以在樹脂3D打印過(guò)程之前添加顏色。為此,必須將所需顏色的醇基染料與相關(guān)樹脂混合。染料與樹脂溶解,產(chǎn)生一種溶液,能夠產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)彩色樹脂類似的均勻著色部件,但制造后無(wú)需進(jìn)行后處理。
圖4:使用樹脂3D打印兩部分,通過(guò)兩種不同顏色染色進(jìn)行上色
對(duì)于FDM技術(shù),在制造之前對(duì)零件進(jìn)行染色處理也將成為可能。與樹脂一樣,我們可以預(yù)先對(duì)長(zhǎng)絲或顆粒進(jìn)行染色。此外,也可以在事后對(duì)作品進(jìn)行染色,盡管這種技術(shù)并不常用。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料(例如PLA或ABS)現(xiàn)在有多種不同顏色可供選擇,因此更容易直接以所需顏色打印零件。然而,一些更先進(jìn)的材料,例如尼龍(PA6)或高性能材料,通常沒(méi)有不同的基色可供選擇。在這種情況下,使用染色為部件著色會(huì)更加明智,因?yàn)榫埘0繁举|(zhì)上對(duì)光、熱或化學(xué)氧化敏感。尼龍可以用抗紫外線染料染色,以滿足需要的特定應(yīng)用。
另一方面,涂裝工藝與幾乎所有使用聚合物的增材制造技術(shù)兼容,前提是它可以追溯應(yīng)用。盡管能夠使用許多不同的技術(shù),但噴漆和染色之間的選擇也將取決于最終的應(yīng)用,正如我們將在下面看到的。
正如我們已經(jīng)提到的,顏色的附著力及其隨時(shí)間的保持取決于所使用的材料。例如,由于尼龍的滲透性,油漆更容易被吸收,而其他更防水的材料往往會(huì)磨損得更快。噴漆和染色之間的區(qū)別在于,噴漆不能像染色一樣在制造之前進(jìn)行,而必須始終在零件制造之后進(jìn)行。
圖5:尼龍是一種具有高滲透性的材料(照片來(lái)源:Markforged)
兩種工藝的相似之處在于,在將顏色應(yīng)用于零件之前,需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚怼U缥覀冊(cè)诠に囌f(shuō)明中提到的,這種后處理包括去除支撐物和表面精加工,以獲得光滑的表面,從而可以毫無(wú)問(wèn)題地應(yīng)用顏色。此外,另一個(gè)共同點(diǎn)是良好的顏色附著力顯然取決于所使用的材料,但也取決于零件的基色。因此,深色表面不會(huì)提供與淺色表面相同的顏料強(qiáng)度。
3D打印染色和噴漆的優(yōu)點(diǎn)和局限性
兩種著色技術(shù)都有優(yōu)點(diǎn)和局限性。首先,噴漆基本上是一種對(duì)零件表面進(jìn)行著色的技術(shù)。這意味著,雖然它快速、實(shí)用并且可以給出非常令人滿意的結(jié)果,但它并不能保證耐用性。特別是,有色層很容易因表面劃痕或磨損而剝落,露出下面的顏色。噴漆需要考慮的另一個(gè)方面是它需要細(xì)心和準(zhǔn)備,因?yàn)樗粫?huì)隱藏缺陷。因此,平滑表面、消除支撐物留下的痕跡或印刷缺陷尤為重要。底漆在這方面非常有幫助,因?yàn)樗兄谠谥笆贡砻婢鶆?。盡管有時(shí)可以看到材料的孔隙率,但覆蓋范圍是部分均勻的。與3D打印中的染色相比,噴漆的局限性之一是它會(huì)在零件上創(chuàng)建一層額外的顏色(盡管非常?。?,這會(huì)改變其尺寸和屬性,從而對(duì)于某些用于工程的零件至關(guān)重要例如,目的。這與染色不同,染色時(shí)顏色直接滲透到房間中。
染色代表了增材制造產(chǎn)品的最佳美學(xué)和技術(shù)解決方案,因?yàn)樗梢陨疃戎慵?,從而保證顏色的使用壽命更長(zhǎng)。抗紫外線著色劑還可以提供持久的紫外線保護(hù),防止顏色隨著時(shí)間的推移而褪色。兩種著色選項(xiàng)之間的一個(gè)重要區(qū)別在于,染色是處理具有復(fù)雜幾何形狀的零件、中空零件或通過(guò)涂漆無(wú)法觸及的通道的唯一可能或至少推薦的技術(shù)。該工藝用于工業(yè)粉末床機(jī)器或基于樹脂的3D打印技術(shù)生產(chǎn)的零件并非巧合。
然而,碎片的尺寸可能是染色的限制。雖然噴漆沒(méi)有重大限制,但染色需要足夠大的桶或機(jī)器來(lái)容納3D打印創(chuàng)建的部件。因此,對(duì)于太大的房間,不建議使用此方法。市場(chǎng)上現(xiàn)有的機(jī)器也是如此,它們只能包含有限數(shù)量的待染色部件,因此尺寸也有限。
兩種著色溶液之間的另一個(gè)區(qū)別是,在噴漆時(shí),僅使用必要量的油漆,而在染色時(shí),需要一定量的染料來(lái)制備溶液。染色后,在某些情況下仍然可以將水和染液重新用于后續(xù)操作。
最后,噴漆允許使用更多數(shù)量的顏色和房間的選擇性著色,而在染色的情況下,整個(gè)房間使用單一顏色可能會(huì)構(gòu)成限制。
應(yīng)用領(lǐng)域
3D打印部件色彩繽紛的主要原因之一是其美觀的外觀。無(wú)論使用何種技術(shù),3D打印都會(huì)留下表面缺陷、可見層、表面粗糙度等。因此,對(duì)一件作品進(jìn)行著色,除了賦予其所需的顏色外,結(jié)合其他后處理技術(shù),有助于提高作品的美感,并賦予其更加拋光和均勻的外觀。
圖6:照片來(lái)源:Sculpteo
這對(duì)于時(shí)尚、室內(nèi)設(shè)計(jì)或消費(fèi)品等需要高水平定制的行業(yè)尤其重要,例如包裝或眼鏡和鞋類行業(yè)。
醫(yī)療行業(yè)也是部件著色非常重要的主要行業(yè)之一。例如,想象一下,假肢和醫(yī)療設(shè)備是為患者量身定制的,通常采用白色材料生產(chǎn),正是為了促進(jìn)個(gè)性化。3D打印的優(yōu)勢(shì)之一恰恰在于可以在形狀和美觀方面定制零件。另一個(gè)有趣的應(yīng)用是3D打印手術(shù)導(dǎo)板的生產(chǎn)。這些主要是使用多色、多材料技術(shù)(例如材料噴射)進(jìn)行3D打印。為了更加方便,它們還可以使用FDM或樹脂機(jī)器制造,然后著色。這些部件對(duì)于手術(shù)計(jì)劃非常有用,通常用不同的顏色來(lái)區(qū)分血管、腫瘤或突出顯示外科醫(yī)生難以觸及的區(qū)域。
圖7:在醫(yī)療領(lǐng)域,很多應(yīng)用都需要彩色打印
最后,由于某些油漆或染料賦予部件的特性,3D打印部件也被著色。我們已經(jīng)提到了抗紫外線染料,這對(duì)于確保最大可能的顏色耐久性和保護(hù)特別是暴露在陽(yáng)光下的部件至關(guān)重要。還有耐熱或防水涂料,正是針對(duì)這些特性而使用的。用于這些目的的彩色3D打印零件的主要領(lǐng)域包括汽車或運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域,用于汽車內(nèi)飾、配件、運(yùn)動(dòng)器材以及一般具有功能性和美觀性的零件。不言而喻,受特定標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試的行業(yè)(例如醫(yī)療或食品行業(yè))的所有應(yīng)用都需要符合現(xiàn)行法規(guī)的抗性染料或涂料,以及旨在密封表面或使其表面光滑的任何附加處理。
編譯整理:3dnatives