噴漆與染色：3D打印應(yīng)該選擇哪種著色方法？

魔猴君  知識堂   46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)可以極大地簡化生產(chǎn)過程。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。對于所有其他聚合物技術(shù)，需要額外的步驟來為最終部件著色。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)。

這兩個過程如何進(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，我們將選擇手動或自動涂漆。在這兩種情況下，該過程都涉及幾個階段，這些階段發(fā)生在最后的后處理階段：應(yīng)用底漆來準(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，因為它可以使顏色更均勻。

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，這可能需要手動或更專業(yè)的表面精加工操作。例如，對于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。對于FDM打印機(jī)，當(dāng)對層厚度較高的PLA或ABS零件進(jìn)行清漆時，可能需要在清漆之前打磨整個模型，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，必須手動或自動連接部件進(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，請將其除去。然后再涂上一層底漆，在制造商規(guī)定的干燥時間后，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：噴漆時使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)非常重要（照片來源：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。使用自動化系統(tǒng)時，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、分配器和自動槍所取代。

至于著色件的最終干燥時間，根據(jù)所使用的工具，顏色可能需要長達(dá)一周的時間才能很好地固定在件的表面上。在所有涂漆操作過程中，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，有了自動化系統(tǒng)，這個問題就消失了。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

染色是通過浸漬和吸收進(jìn)行的過程。將部件在高溫下浸入液體染料溶液中指定的時間。浸泡的時間長短決定了顏色的強(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進(jìn)行的過程，也可以使用專門為此功能設(shè)計的機(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，是因為它具有抵抗陽光直射而不損失顏色強(qiáng)度的附加功能。與噴漆的另一個根本區(qū)別是染色是一種更持久的著色方法，隨著時間的推移，耐磨損和褪色。

圖3：照片來源：惠普

如果您選擇手工染色，則必須將染料和水混合來制備溶液（遵循制造商的說明）。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進(jìn)行此操作，否則染料將無法正確吸收。當(dāng)您對最終的顏色感到滿意時，可以使用鑷子再次取出該部件并輕輕搖動以去除多余的染料。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，市場上有多種專為3D打印零件設(shè)計的機(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)允許在加工過程中直接創(chuàng)建多色零件。然而，對于許多其他使用聚合物的人來說，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，這種現(xiàn)象尤其明顯，因為這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，材料的選擇對于染色過程的效率也至關(guān)重要。例如，通過對透明樹脂進(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，因為不透明樹脂不允許光線穿過。另一方面，可以在樹脂3D打印過程之前添加顏色。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，但制造后無需進(jìn)行后處理。

圖4：使用樹脂3D打印兩部分，通過兩種不同顏色染色進(jìn)行上色

對于FDM技術(shù)，在制造之前對零件進(jìn)行染色處理也將成為可能。與樹脂一樣，我們可以預(yù)先對長絲或顆粒進(jìn)行染色。此外，也可以在事后對作品進(jìn)行染色，盡管這種技術(shù)并不常用。這是因為標(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更加明智，因為聚酰胺本質(zhì)上對光、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?。正如我們在工藝說明中提到的，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，從而可以毫無問題地應(yīng)用顏色。此外，另一個共同點(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方面是它需要細(xì)心和準(zhǔn)備，因為它不會隱藏缺陷。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，因為它有助于在著色之前使表面均勻。盡管有時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在零件上創(chuàng)建一層額外的顏色（盡管非常?。?，這會改變其尺寸和屬性，從而對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，因為它可以深度著色零件，從而保證顏色的使用壽命更長?？棺贤饩€著色劑還可以提供持久的紫外線保護(hù)，防止顏色隨著時間的推移而褪色。兩種著色選項之間的一個重要區(qū)別在于，染色是處理具有復(fù)雜幾何形狀的零件、中空零件或通過涂漆無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。雖然噴漆沒有重大限制，但染色需要足夠大的桶或機(jī)器來容納3D打印創(chuàng)建的部件。因此，對于太大的房間，不建議使用此方法。市場上現(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區(qū)別是，在噴漆時，僅使用必要量的油漆，而在染色時，需要一定量的染料來制備溶液。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，整個房間使用單一顏色可能會構(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。無論使用何種技術(shù)，3D打印都會留下表面缺陷、可見層、表面粗糙度等。因此，對一件作品進(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：照片來源：Sculpteo

這對于時尚、室內(nèi)設(shè)計或消費(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)個性化。3D打印的優(yōu)勢之一恰恰在于可以在形狀和美觀方面定制零件。另一個有趣的應(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。這些部件對于手術(shù)計劃非常有用，通常用不同的顏色來區(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，這對于確保最大可能的顏色耐久性和保護(hù)特別是暴露在陽光下的部件至關(guān)重要。還有耐熱或防水涂料，正是針對這些特性而使用的。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)動領(lǐng)域，用于汽車內(nèi)飾、配件、運(yùn)動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