绘画与染色：3D 打印选择哪种着色方法？

在增材制造领域，可以找到多种技术，包括那些能够直接以彩色3D打印零件的技术。然而，并非所有技术都是这样，大多数技术倾向于创建标准颜色的零件，然后在后处理中应用颜色。事实上，在许多行业和应用中，如消费品，拥有彩色零件可能是最终产品的一个基本特征。因此，实施能够对新打印模型应用颜色的后处理技术可以大大促进制造过程。在3D打印中最广泛使用的两种方法是绘制和染色。

尽管乍一看它们可能看起来非常相似，但根据所使用的增材制造技术、材料和最终用途，使用其中一种或另一种会更合适。值得再次提及的是，有一些3D打印技术允许您在制造过程中直接创建多色零件。这些方法包括材料喷射（以树脂形式注射材料）、粘合剂喷射（注射彩色粘合剂）和丝材多挤出（带有交换材料的双头打印机）。对于所有其他聚合物技术，将需要额外的步骤来为最终零件应用颜色。为了更好地理解染色和涂层之间的差异，这里对两个过程进行了比较，重点是聚合物材料。

绘制和染色如何比较？

绘制——

绘制指的是通过应用丙烯酸涂料或珐琅漆对零件进行着色。根据要绘制的零件的最终用途，可以选择手动或自动绘制。无论哪种情况，该过程都涉及几个步骤，这些步骤在最后的后处理阶段接管：应用底漆以准备表面、底漂（颜色）和最终的透明漂（清漆）以保护成品。对于手动过程，尽管可以使用刷子进行绘画，但即使在专业水平上，最受欢迎的还是喷漆，因为它允许更均匀的着色。

在任何着色操作之前，零件的准备工作都是必不可少的。显然，这将很大程度上取决于技术、所使用的材料以及零件的最终应用，这可能需要手动或更专业的表面处理操作。例如，在SLA 3D打印中，在去除支撑结构后，在应用底漆之前将需要打磨支撑留下的痕迹。对于FDM打印机，在绘制层厚度高（分辨率较低）的PLA或ABS 3D打印品时，可能需要在绘画之前打磨整个模型，以便层线不再可见。

一旦完成了后处理，去除了支撑、任何胶水或粉末，并打磨了表面，就需要固定零件进行绘制，无论是手动还是自动。第一步将是添加一层底漆，之后需要重新检查表面以寻找额外的瑕疵，并在必要时去除。然后再涂上一层底漆，根据制造商指定的干燥时间后，零件的表面就准备好进行绘制了。涂上第一层颜色，如果需要，可以涂上多层以达到均匀和更浓郁的颜色。最后，建议使用一层清漆进行最后的抛光。

你可以使用你选择的工具来涂底漆和颜色。最推荐的是气笔和喷罐。也可以用普通画笔在零件上添加细节或绘图。如果使用自动化系统，通常原理是相同的，但人类被机器人、分配器和在控制室操作的自动喷枪所取代。

在绘制时使用正确的防护措施是很重要的。关于彩色零件的最终干燥时间，根据所使用的工具，颜色可能需要长达一周的时间才能在零件表面固定好。在所有绘制操作期间，使用防护措施非常重要，比如戴手套和口罩来防止吸入油漆气体。显然，使用自动化系统可以避免这个问题。最后，根据所需的最终效果，油漆的类型和因此的完成效果可能会有所不同。例如，有半哑光、半光泽甚至金属漆，可以给出金色或银色效果。

染色——

染色是一种浸渍过程：零件在高温下浸入液体染料溶液一段指定时间。浸泡的时间将决定颜色的强度。然后，零件在第一层表面吸收颜色。就像绘制一样，染色也需要零件的准备工作作为第一步。然后需要清洁零件，去除底物、灰尘或多余的材料，并在开始染色之前完成必要的表面处理步骤。染色是一个可以手动进行或使用专门设计的机器进行的过程，后者是工业中最广泛使用的选项。

至于所使用的染料类型，市场上有许多颜色可供选择，也可以使用具有抗紫外线特性的染料，因为它具有抵抗直接暴露于阳光而不失去颜色强度的附加特性。两种方法之间的另一个关键区别实际上是染色是一种更耐用的着色方法，耐磨损和随时间褪色。

如果你选择手动染色过程，首先需要按照制造商的指示混合染料和水准备溶液。水的量必须足以完全覆盖你想要染色的3D打印件。然后需要将水煮沸（甚至可以使用水壶或微波炉），并小心地倒入含有染料的容器中。然后你可以用钳子抓住零件并将其浸入溶液中。重要的是在水仍然非常热的时候做这个动作，否则染料将无法被正确吸收。当你对获得的颜色感到满意时，你可以再次用钳子取出零件，并轻轻摇晃它以去除多余的染料。浸泡后，应彻底冲洗零件以去除任何残留的染料；最后一步将是将其放置在一张纸巾上并让其晾干。

另一方面，如果你选择专业染色，市场上有几种3D打印染色机。这些机器的工作原理相同：待染色的零件被放置在一个旋转的篮子里，在那里它们被染色、冲洗，然后以或多或少自动化的方式干燥。这种方法显然适用于大规模的工业零件生产。

着色兼容的技术和材料

如前所述，有一些增材制造技术允许在过程中直接创建多色零件。然而，对于许多使用聚合物的其他技术，将需要一些额外的步骤来为最终零件应用颜色。

关于染色，这个过程主要用于使用聚合物粉末床技术生产的零件，例如SLS、Multi Jet Fusion、HSS或SAF。这些方法与聚合物粉末兼容，例如尼龙（PA11、PA12）、聚丙烯、TPU等。打印过程后，零件通常具有可渗透的表面，这是吸收染料并保留着色颜料的理想状态。当使用尼龙时，这一点尤其明显，因为这种材料具有高渗透性。值得一提的是，像HP这样的公司已经开发了3D打印机，例如Jet Fusion 5420W，专门设计用于创建在后处理期间促进染料粘附的白色零件。

使用树脂方法（如SLA或DLP）制成的3D打印模型也可以被染色。这将需要使用适合这些零件和材料的特定染料。此外，材料的选择对染色过程的有效性至关重要。通过染色透明树脂，最终零件的颜色将比例如不透光树脂更透明、色彩不那么鲜艳，后者不允许光线穿透。

有可能在树脂3D打印过程之前添加颜色。为此，需要将所需颜色的酒精染料与相关树脂混合。染料将与树脂溶解，生成可以创建与标准着色树脂类似的均匀着色零件的溶液，但无需在制造后进行后处理。

对于FDM技术，在生产之前也可以对零件进行染色。就像树脂一样，我们可以提前对实心丝材或颗粒进行染色。此外，还可以在事后对零件进行染色，尽管这不是一种常用的技术。这是因为，标准热塑性塑料，如PLA或ABS，现在已经有多种不同颜色可供选择，因此直接以所需颜色打印零件更为方便。

然而，一些更先进的材料，如尼龙（PA6）或高性能材料，通常没有不同的基本颜色可供选择。在这种情况下，使用染料为零件上色将更有意义，因为聚酰胺本身对光、热或化学氧化敏感。尼龙可以用耐紫外线染料染色，以适用于需要它的特定应用。

另一方面，涂漆过程与几乎所有基于聚合物的增材制造技术兼容，只要它是在事后应用的。尽管可以与许多不同技术一起工作，但涂层与染色之间的选择也将取决于最终应用，正如我们下面将看到的那样。

如上所述，颜色的粘附力及其随时间的保持取决于所用的材料。例如，由于尼龙的可渗透性，涂料将更容易被吸收，而其他更不易渗透的材料将会更快磨损。涂漆与染色的一个区别在于，涂漆不能在生产前进行，如同染色那样，而必须在零件制造完成后才能施加。

两种工艺之间的一个相似之处是，在给零件上色之前，需要进行适当的后处理。如前所述，这种后处理包括去除支撑物和完成表面处理，以达到光滑的表面，从而允许顺利地应用颜色。此外，另一个共同点是，良好的颜色粘附显然不仅取决于所用的材料，还取决于零件的基础颜色。这意味着较暗的表面不会提供与较亮的表面相同的色素强度。

涂漆与染色的好处和限制

这两种着色技术都有其优点和局限性。首先是涂漆，这本质上是一种对零件表面进行着色的技术。这意味着虽然它快速、实用并且可以提供非常令人满意的结果，但不保证耐用性。特别是，由于划痕或表面磨损，颜色层很容易脱落，露出下面的颜色。

需要注意的另一点是，如预期的那样，涂漆需要对产品进行细心准备，因为它不会隐藏瑕疵。这就是为什么，如前所述，打磨表面，去除支撑物留下的任何痕迹或任何打印缺陷特别重要。在这方面，底漆非常有用，它有助于在着色前使表面更加均匀。

覆盖虽然部分均匀，但有时可以看到材料的多孔性。与染色不同，涂漆的一个局限性是它在部件上添加了一层额外的颜色层，即使这层非常薄，也可能改变其尺寸和性质，这对于一些用于工程目的的部件而言至关重要。而染色则不同，染色过程中的颜色会渗透到部件内部。

转向染色，这代表了通过增材制造生产的产品的最佳美观和技术解决方案，因为它能深入地为部件着色，从而确保颜色更持久。抗紫外线染色还提供了长期的紫外线保护，防止颜色随时间褪色。两种着色选项的一个重要区别是，对于具有复杂几何形状、空心部分或通过单色绘画无法接触到的通道的部件，染色是唯一可能的技术，或至少是建议的技术。毫不奇怪，这个过程被用于工业粉床机器生产的部件（如前所述，使用MJF、SLS或SAF等技术）；或者用于树脂3D打印技术。

然而，染色的一个局限性可能是部件的大小。虽然涂漆没有主要限制，但染色需要足够大的容器或机器来容纳部件，因此不建议对过大的部件进行染色。市场上能容纳有限数量部件进行染色的机器也是如此，因此它们的大小较小。

在两种着色解决方案之间要考虑的另一个区别是，涂漆时我们只会使用所需的颜色，而染色则需要一定量的染料来准备溶液。染色后，在某些情况下，还可以重复使用溶液进行后续操作。最后，虽然上光确实允许使用多种颜色和选定的部件着色，但染色的一个限制可能是整个部件只能使用一种颜色。

应用

如你所想，给3D打印部件上色的主要原因之一是出于美观考虑。无论使用哪种技术，3D打印都可能留下表面瑕疵、可见的层次、表面粗糙等，因此，给部件上色除了赋予所需的颜色外，与其他后处理技术结合使用，确实有助于改善部件的美观度，使其看起来更加光滑和均匀。这在时尚、室内设计或消费品等行业尤为重要，这些行业需要高度的定制化，如包装或眼镜和鞋类领域。

医疗领域也是部件着色非常重要的主要行业之一。想象一下，例如，定制的假肢和医疗设备，它们通常使用白色材料生产，正是为了便于定制。3D打印的一个优点正是能够定制部件。这既包括形状，也包括美观。

另一个有趣的应用是创建3D打印的外科手术导向器。这些主要是用多色和多材料技术（例如材料喷射）3D打印的，但为了方便，它们也可以使用桌面树脂或FDM机器制造，然后进行着色。这对于手术前的培训非常有用，这些部件通常用不同的颜色着色，以区分血管、肿瘤或突出显示外科医生难以到达的区域。

最后，3D打印部件也会因为某些油漆或染料可以赋予部件的特性而进行着色。我们已经谈到了抗紫外线染料，这对于确保颜色的最长寿命和保护特别暴露在阳光下的部件至关重要。同样，还有耐热或耐水的油漆，然后正是因为这些特性而被使用。

一些因这些目的而着色3D打印部件的主要行业包括汽车或体育行业，用于汽车内饰、配件、体育器材以及具有功能性和美观性用途的一般部件。不用说，所有受特定标准和测试约束的领域的应用，例如医疗或食品领域，将需要特别耐用的染料或油漆，这些染料或油漆符合当前的法规，并且需要任何额外的表面处理来密封表面或使其无菌。

制造商和价格

在增材制造中最著名的公司之一是DyeMansion，其DM60解决方案基于DeepDye技术。这种基于云的机器与使用SLS、SAF、MJF、HSS、SLA、DLP和CLIP技术创建的部件兼容，提供无限的颜色选项。在工业领域，Girbau的DY130机器也很突出，专为EOS塑料机器或惠普的多喷嘴融合技术设计。而德国公司CIPRES则提供了一种名为eCOLOR的工业级部件染色解决方案。

染色和涂漆的一个重要区别是，对于前者，市场上有更多的专业解决方案，而对于后者，工业流程自动化染色的选择较少。一些自动化部件涂漆的著名公司包括Graco或Homag。他们的解决方案大大降低了劳动力和运营成本，将材料浪费减少了30%。此外，还需要特定的工具，如喷枪、气雾剂、刷子或其他类似的涂漆工具来手动执行此过程。这些工具的价格从最简单的5美元到最专业的100美元不等。

除了设备，还重要的是考虑用于着色部件的油漆、染料或颜料的成本。在家用塑料染料市场上，Rit Dye是主要公司之一，每罐染料的价格通常约为8美元（236毫升）。Dylon也在这个市场上，染料的价格约为15美元（350克）。这两家公司都有非常广泛的不同颜色范围，适用于多种用途。

然而，更工业化的机器，如DyeMansion，倾向于依赖墨盒系统。价格根据墨盒的大小及其使用（单次或多次）而变化。值得一提的是，其他公司，如Formlabs，开发了类似染料的解决方案，在生产前修改颜色。他们所谓的“ColorKit”，价格略高于200美元，允许将各种颜色的颜料与基础树脂混合，以ALS打印彩色部件。

另一方面，执行绘画所用的材料将取决于完成的工作类型，使用刷子和画笔，或者使用气雾喷雾进行喷涂。喷雾罐通常价格约为10美元；然而，如果使用专业枪（手动或自动），一罐油漆的价格可达到每升70美元。另一方面，手动应用的液体油漆价格合理，价格取决于品牌，也取决于油漆的类型（丙烯酸、乙烯基、哑光等）。

在这两种情况下，都必须考虑保护用户免受这些材料接触所需的额外成本，在某些情况下，这些材料可能对健康有害。这种保护包括手套、口罩、连体工作服等。

总之，如果我们关注市场上存在的工业机械和自动化解决方案，可以理解为染色过程比绘画更昂贵。然而，在手动给部件上色时，绘画工具通常更复杂，这导致了更高的相关成本。

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