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   16天前

在增材制造領(lǐng)域，技術(shù)種類(lèi)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(zhuān)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(zhuān)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(jiàn)。

后處理完成后，去除支撐和模型樹(shù)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(huà)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(lèi)型以及面漆的類(lèi)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(kāi)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(zhuān)門(mén)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(jiàn)。

就所使用的染料類(lèi)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(chēng)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(zhuān)業(yè)染色，市場(chǎng)上有多種專(zhuān)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(kāi)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(kāi)發(fā)了Jet Fusion 5420W等3D打印機(jī)，專(zhuān)門(mén)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(shù)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(shù)脂進(jìn)行染色，最終產(chǎn)品的顏色將比不透明樹(shù)脂更半透明，但不那么鮮艷，因?yàn)椴煌该鳂?shù)脂不允許光線穿過(guò)。另一方面，可以在樹(shù)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(shù)脂混合。染料與樹(shù)脂溶解，產(chǎn)生一種溶液，能夠產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)彩色樹(shù)脂類(lèi)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(shù)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(shù)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?。正如我們?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)?？棺贤饩€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(shù)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(jiàn)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(lèi)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(shù)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(chē)或運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，用于汽車(chē)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