3D プリントで「透明」なオブジェクトを作成するにはどうすればよいでしょうか?

はじめに: 装飾的な彫像からマイクロ流体研究まで、透明性は 3D プリントにおいて大きな注目に値する側面です。製品デザイナーは透明でクリアなボトルのプロトタイプを必要とする場合があり、歯科医は透明な 3D プリント手術ガイドを必要とします。また、透明性は 3D プリントされたランプ、建築模型、メガネにとって重要な機能です。では、3D プリントを使用して透明度の高い製品を作成するにはどうすればよいでしょうか?

透明な 3D プリントは刺激的なビジネスチャンスをもたらします。 3Dプリントレンズを製造し、Facebookの親会社Metaに買収されたオランダのスタートアップ企業、Luxexcelを例に挙げましょう。 Luxexcel は、標準レンズからスマートテクノロジーと AR/VR テクノロジーを統合したレンズまで、あらゆるものを印刷します。一方、自動車メーカーのクライスラーは、透明な3Dプリント技術を使用して、さまざまな車軸差動ケース内の潤滑剤の流れと効率をテストしました。

△Yorken’s Cults3Dモデルから3Dプリントされた透明なランプシェード

3D プリントに使用できる半透明の素材は多種多様ですが、この記事では、真に透明な（つまり、完全に透けて見える）素材の利用可能性に焦点を当てます。
●まずは透明3Dプリントの主な方式（SLAとFDM）を紹介します。
●次に、高品質な結果を達成するためのベストプラクティスを紹介します。
●最後に、透明3Dプリントに使用できるフィラメントと樹脂材料のリストを示します。

△Nexa3D透明パーツに使用されている透明樹脂

△プリンターメーカー3D Systemsは、工業用試作用の透明部品を製造できるSLAおよびマテリアルジェッティング3Dプリンターを提供しています。

樹脂ベースの印刷は、透明な部品には当然の選択です。この技術によって生成される層線は、フィラメントベースの方法よりも目立ちにくいからです。透明樹脂を使用する樹脂ベースの技術はいくつかあり、紫外線下で硬化すると透明な部品が生成されますが、最も鮮明な印刷を得るには、100% の充填密度で印刷するなど、いくつかのコツが必要です。 100% の充填密度で印刷すると、印刷時間は長くなりますが、機能的なカメラレンズを含む非常に鮮明な部品を生成できます。

光重合は、紫外線を使用して透明な樹脂を硬化させることで透明な部品を製造できる 3D プリントプロセスです。このような方法には、最も一般的で手頃な価格のステレオリソグラフィー (SLA)、やや高速なデジタル光処理 (DLP)、マスクステレオリソグラフィー (MSLA) などがあります。

●マテリアルジェッティングは、UV 硬化性樹脂を表面に滴下し、UV 光で瞬時に硬化させる樹脂ベースの方法です。 Polyjet は、3D プリンターメーカー Stratasys が開発した材料噴射方式です。 Polyjet で透明なプリントを得るには、まず Stratasys の VeroClear などの透明樹脂を使用する必要があります。最良の結果を得るには、Polyjet パーツをニス塗り、研磨、または光漂白処理で仕上げる必要があります。 3Dプリンターメーカー「ミマキ」の独自技術もマテリアルジェッティングの一種だ。インクジェット印刷技術を使用して、白、透明、CMYK 形式の UV 硬化性液体樹脂と可溶性サポート材料をベッド上に層ごとに堆積します。各層は紫外線によって硬化されます。

● 熱溶解積層法 (FDM) では、透明なフィラメントを使用して透明な部品を作成できます。このプロセスでは、完成した部品の端に目に見える隆起が残りますが、後処理で除去できます。

△Detax社のFreeprint Ortho樹脂を使用した歯科用サージカルガイド

印刷のヒント

SLA 透明 3D プリントの場合、真の透明性を実現するには、透明樹脂に少量の青色染料を追加して UV による黄変プロセスを相殺するなどの後処理が必要ですが、これによりプリントが曇ってしまいます。 SLA 後処理については次のセクションで説明します。材料押し出しまたは FDM を使用して印刷する場合、印刷品質を向上させるために実行できる手順があります。たとえば、ホットエンドの温度を高くしたり、層の高さを大きくしたり、充填レベルを低くしたりすることができます。これらの手順により、透明な材料が適切に溶融され、間隔が空けられ、十分な中空状態になり、最適な透明度が確保されます。

印刷設定も考慮してください。Z 軸、XY 平面に垂直な透明度、または完全な透明度が必要ですか?透明な花瓶を作りたい場合、X 軸と Y 軸の透明度のみが必要です。平面を透明にしたい場合は、Z 軸の透明度のみが必要です。完全な透明にしたい場合は、すべての軸を透明にする必要があります。 X および Y の透明度を実現するには、使用するノズルのサイズに比べて大きなレイヤーの高さが必要です。より大きく、より球状の層は光の屈折が少なくなる傾向があり、より透明な 3D プリント部品が得られます。材料メーカーの Taulman3D によれば、ノズル径の 70 ～ 90 パーセントで印刷すると、より透明な印刷物が生成されます。

この手法を使用する場合、透明度を高めるために次の設定が推奨されます。

●印刷速度が遅くなります（通常の印刷速度の25％～30％）
● より厚い層を印刷するには、より大きなノズルを使用します。● 光の屈折が少ない構造を得るには、ノズル径の 70% ～ 90% で印刷します。● フィラメント範囲で最も高いノズル温度を使用します (プラスチックが確実に溶けるようにするため)
●100%以上の流量を使用する（この例では108%）
●ファンやプリントの冷却を無効にする

後処理

透明な樹脂部品を水中で研磨すると、表面の傷、層の線、欠陥が除去されます (写真: Christopher Daniels)

ほとんどの 3D プリントでは、望ましい結果を得るために後処理が必要であり、透明なプリントも例外ではありません。実際のところ、実際の透明性のほとんどは 1 つのステップで達成されます。 SLA は実に見事な透明部品を製造できますが、この方法の大きな問題は、時間が経つにつれて表面が黄ばんだり鈍くなったりすることです。これらの影響を軽減する方法はいくつかあります。

●まず、部品を洗浄する必要があります。通常はイソプロピルアルコールで行います。
●その後、紫外線下で硬化させ、黄ばみを防ぐために過剰硬化を避けます。
●最後に、部品を研磨し、磨き、クリアコートまたはニスを塗る必要があります。

最良の結果を得るには、400 番の紙やすりから始めて、徐々に 12,000 番の紙やすりまで上げ、部品が反射するようになるまで続けます。研磨と磨きの後にクリアコートをスプレーすると美しい仕上がりになり、紫外線による黄ばみを防ぐことができます。また、部品を樹脂に浸して非常に滑らかな仕上がりにすることもできます。

別の後処理方法は光漂白と呼ばれます。この方法では、Stratasys 社製の ProBleacher などの追加のマシンが必要です。

FDM で印刷する場合は、研磨と、このスプレーポリウレタンコーティングなどのクリアコートが推奨されることが多いです。フィラメントベースの 3D プリント部品の中には、溶剤で処理できるものもあります。たとえば、PolySmooth フィラメントは透明モデル専用に設計されたフィラメントです。 PolySmooth はエタノールを使用して印刷物にスプレーし、数日間乾燥させてから、複数回再塗布して部品を透明にすることで実行できます。ただし、溶剤の影響で部品の寸法安定性が失われる可能性があります。

透明樹脂

△透明樹脂

SLA および Polyjet プリンターで使用できる樹脂の数は増え続けています。これらの製品は、Siraya Tech Simple Resin Clear のような消費者向け製品から、Nexa3D NXE xMed 412 Clear Resin のような歯科用または医療用グレードの製品まで、さまざまな価格帯で提供されています。現在市場に出回っている製品の性能や用途は多岐にわたるため、樹脂でプリントする 3D ビルダーは、自分のプロジェクトに適した材料を必ず見つけることができます。

透明樹脂

生体適合性樹脂

特殊樹脂

透明フィラメント

△Ultimaker 透明フィラメント

3D プリントに使用されるフィラメントは、PLA、PETG、PMMA、ABS、ポリカーボネートです。最も一般的に使用されているのは PLA と ABS ですが、PLA は依然として最も扱いやすいフィラメントの 1 つであり、透明性の点でも最良の結果が得られます。 ABS は添加剤を加えることで半透明（完全に透明ではない）になります。 PETG は、一般的に強度がありながらやや柔軟性のある部品を生産し、その表面仕上げには通常、後処理は必要ありません。ポリカーボネートは、アセトン仕上げと組み合わせた高温印刷によって透明にすることができます。同時に、PMMA は高い透明性とガラスの硬度を備えているため、高い強度が求められる透明な用途に適しています。

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