噴漆與染色：3D打印應該選擇哪種著色方法？

魔猴君  知識堂   3天前

在增材制造領域，技術種類繁多。其中一些能夠直接彩色打印零件。另一方面，他們中的絕大多數以標準顏色設計零件，操作員在后處理階段應用顏色觸感。事實上，在許多行業和應用中，例如消費品，具有彩色部件可能是最終產品的基本特征。因此，實施能夠將顏色應用于新打印的模型的后處理技術可以極大地簡化生產過程。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，但事實是，根據所使用的增材制造技術、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打印技術允許在制造過程中直接創建多色零件。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，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，這里對兩種工藝進行了比較，僅關注聚合物材料。

圖1：噴漆和染色是3D打印中廣泛使用的兩種后處理技術。

這兩個過程如何進行？

噴漆

噴漆涉及使用丙烯酸涂料或搪瓷為作品著色。根據最終應用，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，這些階段發生在最后的后處理階段：應用底漆來準備表面，底漆（顏色），最后是透明涂層（搪瓷）以保護表面。成品。關于手工過程，雖然可以用刷子噴漆，但噴漆是最普遍的，即使在專業水平上也是如此，因為它可以使顏色更均勻。

在進行任何著色操作之前，準備零件至關重要。顯然，這在很大程度上取決于零件的技術、材料和最終應用，這可能需要手動或更專業的表面精加工操作。例如，對于SLA 3D打印，移除支撐結構后，需要在涂底漆之前打磨支撐物留下的痕跡。對于FDM打印機，當對層厚度較高的PLA或ABS零件進行清漆時，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，在制造商規定的干燥時間后，零件表面就可以進行涂漆了。涂第一層顏色，如有必要，可以涂幾層以獲得均勻且更強烈的顏色。最后，還建議使用一層透明琺瑯進行最終拋光。

圖2：噴漆時使用適當的保護非常重要（照片來源：Formlabs）

優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節或在零件上繪圖。使用自動化系統時，原理通常是相同的，但用戶被在受控室中運行的機器人、分配器和自動槍所取代。

至于著色件的最終干燥時間，根據所使用的工具，顏色可能需要長達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，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所需的最終結果而變化。有半啞光、半光澤甚至金屬清漆，可以產生金色或銀色等效果。

染色

染色是通過浸漬和吸收進行的過程。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度。然后，該部件吸收第一表面層的顏色。

與噴漆一樣，準備房間是必不可少的第一步。然后需要對其進行清潔，去除支撐物、粉末或多余的材料，并在開始染色之前進行必要的表面處理。染色是一種可以手動進行的過程，也可以使用專門為此功能設計的機器進行，后一種選擇在工業領域最常見。

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度的附加功能。與噴漆的另一個根本區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行此操作，否則染料將無法正確吸收。當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，如果您選擇專業染色，市場上有多種專為3D打印零件設計的機器。它們的工作原理相同：待染色的織物被放置在旋轉籃中，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模零件的工業生產。

兼容的技術和材料

正如一開始提到的，增材制造技術允許在加工過程中直接創建多色零件。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生產的零件。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。當使用尼龍時，這種現象尤其明顯，因為這種材料具有高滲透性的特點。值得一提的是，惠普等公司已經開發了Jet Fusion 5420W等3D打印機，專門用于創建白色部件，在后處理過程中促進顏色粘附。

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重要。例如，通過對透明樹脂進行染色，最終產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樹脂混合。染料與樹脂溶解，產生一種溶液，能夠產生與標準彩色樹脂類似的均勻著色部件，但制造后無需進行后處理。

圖4：使用樹脂3D打印兩部分，通過兩種不同顏色染色進行上色

對于FDM技術，在制造之前對零件進行染色處理也將成為可能。與樹脂一樣，我們可以預先對長絲或顆粒進行染色。此外，也可以在事后對作品進行染色，盡管這種技術并不常用。這是因為標準熱塑性塑料（例如PLA或ABS）現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，因為聚酰胺本質上對光、熱或化學氧化敏感。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兼容，前提是它可以追溯應用。盡管能夠使用許多不同的技術，但噴漆和染色之間的選擇也將取決于最終的應用，正如我們將在下面看到的。

正如我們已經提到的，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別在于，噴漆不能像染色一樣在制造之前進行，而必須始終在零件制造之后進行。

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，在將顏色應用于零件之前，需要進行適當的后處理。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用顏色。此外，另一個共同點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度。

3D打印染色和噴漆的優點和局限性

兩種著色技術都有優點和局限性。首先，噴漆基本上是一種對零件表面進行著色的技術。這意味著，雖然它快速、實用并且可以給出非常令人滿意的結果，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心和準備，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建一層額外的顏色（盡管非常薄），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品的最佳美學和技術解決方案，因為它可以深度著色零件，從而保證顏色的使用壽命更長。抗紫外線著色劑還可以提供持久的紫外線保護，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別在于，染色是處理具有復雜幾何形狀的零件、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。該工藝用于工業粉末床機器或基于樹脂的3D打印技術生產的零件并非巧合。

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器來容納3D打印創建的部件。因此，對于太大的房間，不建議使用此方法。市場上現有的機器也是如此，它們只能包含有限數量的待染色部件，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操作。

最后，噴漆允許使用更多數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成限制。

應用領域

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，3D打印都會留下表面缺陷、可見層、表面粗糙度等。因此，對一件作品進行著色，除了賦予其所需的顏色外，結合其他后處理技術，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、室內設計或消費品等需要高水平定制的行業尤其重要，例如包裝或眼鏡和鞋類行業。

醫療行業也是部件著色非常重要的主要行業之一。例如，想象一下，假肢和醫療設備是為患者量身定制的，通常采用白色材料生產，正是為了促進個性化。3D打印的優勢之一恰恰在于可以在形狀和美觀方面定制零件。另一個有趣的應用是3D打印手術導板的生產。這些主要是使用多色、多材料技術（例如材料噴射）進行3D打印。為了更加方便，它們還可以使用FDM或樹脂機器制造，然后著色。這些部件對于手術計劃非常有用，通常用不同的顏色來區分血管、腫瘤或突出顯示外科醫生難以觸及的區域。

圖7：在醫療領域，很多應用都需要彩色打印

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特別是暴露在陽光下的部件至關重要。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打印零件的主要領域包括汽車或運動領域，用于汽車內飾、配件、運動器材以及一般具有功能性和美觀性的零件。不言而喻，受特定標準和測試的行業（例如醫療或食品行業）的所有應用都需要符合現行法規的抗性染料或涂料，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