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如何讓3D打印件防水?

魔猴君  知識堂   60天前

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在本文中,魔猴網將和大家一起討論制作熔融沉積成型(FDM)工藝下3D打印防水的不同方法。

制作防水3D打印件

 

對于這種自動澆水花盆來說,防水底座至關重要(來源:MikolasZuza via Printables)

那么,制作防水3D打印件究竟意味著什么呢?首先,讓我們來澄清一些術語。防水并不意味著它是防水材質的。雖然這兩個術語經常被類似地使用,但它們不能互換使用。

3D打印領域,防水是指容器或器皿的設計和打印方式能夠防止水進入或流出。這意味著容器不應泄漏或讓液體通過,即使浸入水中、盛放液體或暴露在大雨中。

防水材料是指材料或者物體不會讓水進入,物體也不會受到濺水或過多水分的影響。但是,如果長時間浸泡或暴露在水中,防水物體仍可能存在縫隙、接縫或開口,讓水可以通過。

例如,想想你的手機殼。許多由高密度真空成型塑料和玻璃等材料制成的保護殼可以防水。保護殼甚至可以在一定程度上保護你的手機免受濺水或滴水的影響。然而,大多數手機殼都不防水,因為它們有縫隙、端口或其他讓水通過外殼的方式。為了防水,手機殼必須覆蓋或密封每個入口點以防止液體進入。

安全注意事項


負責任地享受(來源:aeon via Printables)

在我們繼續之前,讓我們討論一些安全注意事項。根據您計劃如何使用3D打印容器,您可能需要采取額外的安全預防措施。如果容器或器皿要盛放食物或飲料,您還應該考慮食品安全。

FDM打印由于采用逐層結構,具有固有的多孔性,這會導致水滲透。這種孔隙率是食品安全的主要問題,因為空隙為有害細菌提供了藏身和繁殖的地方——即使物體表面上看起來是防水的。因此,確保與食品和飲料接觸的3D打印物體以最高的精度打印以最大限度地減少空隙至關重要。

此外,使用食品安全長絲至關重要。大多數長絲不適合與食品接觸,因為它們會分解并傳遞有害化學物質。建議使用專門標記為食品安全的長絲,以確保您的3D打印物體適合與食品接觸的應用。

除了盤子和花盆,空氣罐和燃料容器等容器也需要防水。出于安全考慮,承受壓力或盛放揮發性液體的容器在使用前應接受額外測試。雖然可以用3D打印技術打印遙控車的油箱,但這可能不是最明智的做法。這種油箱通常由高密度聚乙烯制成,并混合了乙基乙烯醇等其他材料,而大多數家庭愛好者無法獲得這種混合物。用于盛放燃料或其他危險物品的容器通常由鋁或鋼制成,以最大限度地降低破裂或泄漏的風險。

3D打印制作防水件的5個簡單辦法

1、防水設計


預期功能將影響你的設計(來源:RaQic via Printables)

第一步是設計防水性能最佳的模型。3D打印幾乎可以提供無限的設計選擇。您可以構思、設計和打印任何您想要的容器或器皿。但是,如果您希望它是防水的,最好選擇更簡單的設計。

直角、硬角和懸垂較多的設計更容易出現滲透性。另一方面,曲線平滑且硬角較少的設計更容易防水。這歸結于線材鋪設的簡單幾何形狀。打印路徑的每個角落或方向變化都是形成間隙的另一個機會。

容器內部空間有隔間的設計也更難做到防水。每次打印頭改變方向或開始在某一層內移動時,確保防水的難度都會增加。

例如,讓我們考慮一下您的基本碗。雖然不是密封容器,但它大部分是彎曲和錐形的,幾乎沒有硬角(如果有的話)。打印頭的移動可能在大部分過程中保持相對平穩并與打印件接觸。這為打印件形成縫隙、孔洞或水滲入的口袋創造了很少的機會。

相反,開口立方體容器有多個相交的90度角。當這些角匯聚到一點時,打印頭會突然改變方向,并可能在打印過程中抬起。

由于設計選擇絕不會像碗或立方體那么簡單,這些示例過于簡化了可能出現的潛在問題。但是,一般來說,設計越簡單,防水就越容易。

2、選擇合適的材料

 

第二步是選擇合適的材料。對于防水印打印件,聚丙烯(PP)是一個絕佳的選擇。這種材料具有固有的疏水性,能有效防水,并具有良好的耐化學性和抗沖擊性,使其成為耐用防水部件的可靠選擇。

ABS和PETG是制作防水打印件的不錯選擇,也是很受歡迎的材料。ASA也是如此。眾所周知,ABS和PETG比PLA更難打印,但只要正確設置并考慮到上述設計因素,您在制作防水打印件時就不會遇到任何障礙。

另一方面,有些材料并不適合制作防水的3D打印件。例如,PLA是一種流行且易于打印的材料,但其熔點低,不適合熱液體。此外,它可能不是持久防水打印件的最佳選擇,因為它會隨著時間的推移而分解。

尼龍是另一種應避免的材料。雖然它是一種用途廣泛且耐用的材料,非常適合打印功能部件,但有些成分不適合潮濕環境,因為它們的聚合物鏈在接觸水時會斷裂。

吸濕性

選擇防水打印材料時要考慮的另一個重要因素是吸濕性。吸濕性材料(包括大多數常用材料)往往會吸收空氣中的水分,這會影響打印質量。過多的水分會在打印過程中蒸發,導致爆裂和開裂,從而導致空隙和打印質量差,從而影響防水性。您可以考慮使用長絲干燥機來確保材料中沒有水分。

3、調整切片機設置

 

更改切片機設置有助于實現防水打?。▉碓矗?/span>All3DP;模型:CreativeTools via Thingiverse)

下一步是調整切片機設置。這是實現水密打印的最快方法之一。但是,這并不像提高溫度和降低速度那么簡單。

您所調整的設置很大程度上取決于您的材料選擇、打印機設置,甚至設計。沒有單一的設置可以產生防水的打印件,但綜合起來,它們可以幫助您更進一步。讓我們來看看!

噴嘴

雖然這不完全是一個設置,但噴嘴尺寸對物體的防水性有很大影響。雖然0.4毫米通常是標準,但使用0.6毫米或更大的直徑可能會提供更好的效果。它通常會增加流速并減少層間空間。

請注意,只有使用較寬的噴嘴時,打印較厚的層才實用。這是因為較大的噴嘴需要較高的最小層高,從而減少潛在的間隙。

層高

雖然這似乎違反直覺,但使用標準0.4毫米噴嘴打印時,建議使用0.15毫米層高進行打印。使用0.4毫米噴嘴時,最低層高(0.05毫米)的防水質量最好,最高層高(0.3毫米)的防水質量最差。接縫和實體填充與周邊之間的過渡是泄漏的主要來源,而不是層與層之間的接觸。

周長


更大的周長和更高的填充百分比將有所幫助(來源:All3DP;模型:CreativeTools via Thingiverse)

一般而言,周界越多,防水打印的可能性就越大。這是因為額外的周界會降低水直接穿過現有屏障的可能性。以下周界可作為備用,以密封由于擠壓不足、接縫或其他問題而在外圍周界中可能出現的小間隙。

雖然某些材料(例如ABS)僅需兩到三個周長即可,但其他材料(例如PETG和PLA)需要四個或更多周長才能表現更好。通常,周長數超過三個是一個不錯的起點。

接縫

3D打印物體沿垂直方向(Z軸)延伸的可見接縫在3D打印中稱為“Z接縫”。Z接縫由分層產生,即當打印機從一層前進到下一層時,材料沿Z軸連續沉積。

Z縫位置很重要,因為它不僅會影響最終打印件的美觀度,還會影響防水性。更改切片機中的此設置可以使這些間隙對齊,或使它們出現在打印件中的隨機位置。有些人發現,隨機的接縫位置可以防止對齊的接縫造成泄漏。如果您注意到Z縫上有較大的間隙,請更改回縮設置以防止出現空隙。

填充

填充密度越高,模型中的間隙就越少。雖然自然傾向可能是簡單地使填充物堅固,但如果其他設置未正確調整,您的打印件仍可能泄漏。理想情況下,不應有水進入打印件的填充區域,因為這可能會導致其他問題。如果您的打印件將受到壓力(無論是來自內部還是浸沒),請考慮將填充密度增加到40-100%以增加結構強度。

擠壓

水進入打印件的一個明顯途徑是通過縫隙,而零件出現縫隙的主要原因之一是擠出不足。即使是經過精心調整的打印配置文件也會出現擠出不足的情況,因為它們通常優先考慮尺寸精度、結構強度或外觀一致性等因素。要看到改進,您只需稍微增加流速。從102%開始,一直增加,直到回報開始減少。

溫度


嘗試稍微提高溫度以提高防水性(來源:Dan via Printables)

當一層與下一層連接不當時,可能會產生間隙。改善層粘合性的一種方法是在較高溫度下打印。一般來說,建議在材料可以承受的最高溫度下打印。但是,要小心,因為如果打印溫度過高,材料在離開噴嘴時可能會沸騰,從而產生額外的問題和潛在的孔洞。一開始每次增加5°C,直到找到最佳溫度。

速度

一般來說,降低打印速度設置可以大大提高打印防水效果的幾率。降低速度的程度取決于打印機、材料選擇、切片機和固件等因素??傮w而言,稍微降低打印速度(特別是在周邊以及頂層和底層等區域)將增加附著力并有助于填補FDM打印中常見的小間隙。

冷卻

切片機中冷卻或風扇速度設置的變化會對打印的外觀、強度甚至防水性產生巨大影響??紤]將冷卻降低幾個百分點。這將使燈絲保持熔融狀態的時間更長一些,并可能改善層粘合性以防止泄漏。

4、后期處理打印


即使采用正確的材料和設置,也可能需要進行后期處理(來源:Gnome_Skillet via Reddit)

打印完部件后,可能需要進行一些額外的后處理才能防水。有多種后處理方法可能就是您正在尋找的解決方案。讓我們來探索一些最流行的方法。

蒸汽平滑

這是一種后處理方法,通過將物體浸入丙酮浴或蒸汽室中來平滑3D打印物體(尤其是ABS打?。┑谋砻?。此過程會加熱材料,使其流動并撫平任何粗糙之處,從而產生光滑的拋光表面,這可能有助于密封間隙并提高防水性。

溫度處理

使打印件防水的另一種方法是加熱成品打印件以消除間隙并幫助將各層粘合在一起。加熱成品打印件通常在烤箱或加熱室中進行。其概念是將物體加熱到足以促使各層密封而不會導致打印件變形或熔化的溫度。

即使在最好的情況下也很難做到,而且由于它無法密封較大的縫隙或接縫,因此可能不是最好的方法。更大膽的人也可以嘗試使用熱風槍來做這種方法,但結果會好壞參半。

表面涂層

3D打印件涂上表面涂層是實現防水效果的最簡單方法;只需選擇正確的涂層類型即可。例如,使用丙烯酸或搪瓷漆涂刷打印件是不錯的選擇,因為它們耐用且含有溶劑。

如果你想放棄油漆刷,噴漆也是一個選擇。丙烯酸噴霧是一種保護涂層,用于密封和完成各種表面,包括3D打印物體。它由快干的水基丙烯酸聚合物制成,可提供清晰耐用的表面。當然,大多數“噴漆”都是有色丙烯酸基涂料,因此你可以同時密封和添加顏色。只需在模型的內部和外部噴幾次,然后讓它干燥即可。

然而,油漆并不是你唯一的選擇。以下是一些你可能還沒有考慮過的表面涂層。

A、環氧樹脂


閃閃發亮、安全無毒、隨時可以在水中暢游(來源:Reddit)

環氧樹脂是一種常用于粘合劑、涂料和復合材料的聚合物,由兩種主要成分組成:環氧樹脂和硬化劑?;旌虾?,這兩種成分形成一種堅固、堅硬且耐用的材料,具有出色的附著力以及耐化學性和防水性。用環氧樹脂涂覆3D打印容器(內部、外部或兩者)是一項耗時、麻煩且費力的工作,并且固化時間長。但是,它是少數幾種可用于食品級的方法之一。如果操作得當,它可以提供出色的效果。

B、膠水

可以使用多種膠水為3D打印容器添加防水層。這種方法對于那些希望打印防漏花盆的人來說很受歡迎。雖然許多種類的膠水都可以用于這種方法,但知名品牌的木膠(尤其是經過測試可在海洋或潮濕環境中使用的膠水)是最受歡迎的。膠水通常涂上幾層,待其完全硬化后再使用。有些膠水甚至被批準用于食物附近。

C、

蠟燭蠟、蜂蠟甚至沖浪板蠟等蠟都可以涂抹在打印件上。蠟會滲入并填充表面的小孔或縫隙。其他方法包括將蠟融化,然后將其涂抹在打印件上或將打印件直接浸入蠟中。

蜂蠟很受那些關心健康和安全的人的歡迎。雖然這種方法可行,但應該注意的是,蠟的熔點很低。即使是溫暖的天氣也會降低其密封打印件的能力。

D、指甲油


涂指甲油有助于防水,還能增添魅力(來源:Eva_BK201 via Thingiverse)

指甲油可能讓人感到意外,但它最大的好處是很容易買到。你可以在任何一家藥店買到,也可以向朋友借一些。指甲油種類繁多,但大多數都含有溶劑、樹脂、增塑劑、成膜劑和穩定劑。本質上,它們可以形成一層保護涂層,使容器具有一定的防水性。

這種方法的主要缺點是涂抹起來很不方便,因為指甲油通常裝在小瓶子里,配有小刷子。此外,與其他治療方法相比,這種方法相當昂貴。您可能想將這種方法保留用于小面積印刷!

E、塑料浸漬

以液體形式涂抹橡膠塑料涂層并使其干燥,可以為3D打印物體提供一層防水保護。液體涂層被刷或噴到3D打印物體的表面上?;蛘?,將物體浸入液體中,然后液體固化形成柔韌的橡膠層。

除了使打印件防水之外,它還能增強物體的抓握力,使其更易于處理,同時還能保護其免受碰傷、劃痕和其他類型的損壞。有幾種流行品牌提供浸液,它們使用不同的化學成分。值得注意的是,許多此類浸液在液體形式下都被認為是有毒的。

5、測試打印


測試打印件是否有泄漏是重要的一步(來源:Schmied1234 via Reddit)

最后一步是簡單地測試您的打印件以確保其防水。為了正確測試,請將打印件裝滿水并靜置至少一個小時,然后再檢查是否漏水。

在不同條件下測試打印件也是一個好主意,例如不同的水位或不同類型的水(即鹽水和淡水),以確保它能在預期環境中發揮作用。如果您的打印件在冷水中不漏水,請嘗試用溫水。重復此過程幾次,每次測試之間等待。經過幾次嘗試后,您應該對打印件有信心,或者注意到需要進行額外的工作。

如果您的容器需要在浸沒時保持干燥,您可以采取類似的步驟。不要用水灌滿容器,而是將容器浸入預定深度。將其浸入水中至少一個小時,然后檢查是否有泄漏。這將使您能夠在使用之前解決任何問題。

請記住,防水容器可能會因吸水膨脹而隨著時間的推移開始泄漏。例如,如果PLA打印件長時間與水接觸,某些部分可能會膨脹。膨脹可能會導致打印件變形,甚至分裂或斷裂。

打印件不會像未經處理的木材那樣完全變質,膨脹也不會無限期地持續下去。相反,根據絲材的不同,它會膨脹到特定程度,然后停止。

 


編譯整理:ALL3DP

   

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