3d可打印透明材料的出现为光学应用的快速原型设计打开了新的可能性之门。现在，我们可以考虑如何在3D打印零件中使用和操纵光。

光管

光管，有时称为光导管或光管，是一种物理组件，用于有目的地将光从一个光源重定向或传输到所需的位置。这一概念的应用范围包括将自然光重新定向到没有直接获得阳光的家庭和物理结构，以及在电子组件中提供远程LED照明。

在本文中，我们将考虑3D打印光学的一个实际应用:LED光管。我们将看看光管在消费产品中的一个常见应用，这是一个“迷你”光管，用于将安装在印刷电路板上的标准5mm LED的光引导到用户界面。

为了研究3D打印光管使用的最佳材料，我们将使用3种不同的材料样品打印光管:

  1. VeroClear材料，未完成。
  2. VeroClear材料表面完成了一个两部分组成的聚氨酯透明涂层
  3. 讴歌60

光管材料

首先，让我们回顾一下有关光学和设计的一些重要考虑。

光学

在这种应用中，关键的光学现象是全内反射．顾名思义，光管依赖于通过透明介质将内部反射的光线从一个入口传送到一个出口。

为了简单理解全内反射过程中发生了什么，我们可以考虑光通过两种不同的物质——比如说，从玻璃到空气。临界角定义为光线在玻璃和空气边界产生90度折射角的入射角。所以当它离开玻璃时，它会在一个理论上平行于边界面的方向折射。

LED用于光管

当入射角大于临界角时，当光线反射到介质的内表面时，玻璃内部就会发生全反射。

当光通过光管的轨迹发生全内部反射时，光可以从光子源移动到期望的目标，在那里它最终被折射出来，并在您的应用程序中使用。

注意，当从具有较高光密度的介质的光传播到介质带分别降低光密度发生全内反射。

在我们的例子中，我们将演示空气中的3D打印塑料光管。由于我们在光管中使用的塑料比空气有更高的光密度，我们可以预期一些全面的内部反射发生，我们的光管工作!

设计注意事项

当设计使用光管的系统中，您的目标典型地是使用由源提供的光 - 在这种情况下，LED - 尽可能有效地。换句话说，你要尽量减少将源和观众之间发生光损失。

要做到这一点，首先要确保在应用程序中捕获尽可能多的光源。一种以最小成本完成这项任务的方法是将光源包裹在光管结构中，以便尽可能多地离开光源的光被光管“捕获”。

光管在不同的3d打印材料

一种更强但可能不太实用的方法是用透镜将光源发出的光聚焦到光管结构中。

接下来，你要确保你的光管的“管”部分是反射性越好。这是因为你想最大化沿其路径的光的全反射，从而通过尽可能沿着它的轨迹介质的小光损失。

当然，你要尽可能在光管的末端提供尽可能多的光到空气中。要做到这一点，你要在光导管的尖端内反射的光的量最小化。

这可以通过选择性地研磨出口表面来实现。这将创建大量的随机方向的临界角度，相对于内部反射光线，增加数量的光将“逃逸”扩散从光管。

把出口想成是光的“选择性泄漏”，你实际上想要减少内部反射。

3D打印光管材料

现在让我们看看创建光管的三种材料选择，以及我们观察到的具体结果。

VeroClear- - -未完成

透明材料未完成光管

我们测试的第一个材料样品是VeroClear未完成材料光管。

所述VeroClear材料打印的位浑浊，引起较少的内部反射比其它两种样品。虽然云量增多比其他两个样本，该样本还提供了一个明亮的，当我们的红色LED灯亮起，甚至焕发。

VeroClear——完成

透明材料，成品

测试的第二个材料样品也包含同样的内容VeroClear材料，但完成了两部分聚氨酯涂层。

涂层产生了更均匀的扩散模式，提供了比未完成组件中观察到的更柔和的照明效果。这是因为表面处理创造了一个光学边界，使光在离开光管时在涂层表面扩散得更均匀。

讴歌60

讴歌60成品光管

在该系列测试的最终样品为讴歌60材料，它非常清楚地印刷。

因此，当我们的LED照明时，讴乐60光管提供了一个更镜面的辉光，创建一个光晕一样的焦散模式，因为光管的光反射到附近的表面。这种独特的效果在其他两个verclear材料样品中没有观察到。

总结的结果

光管材料选择

我们观察到三种样本都有独特的结果。未完成的verclear和Acura 60样本的结果差异最大。完成的verclear样品提供了最终结果，有些介于Acura 60和未完成的verclear材料之间。

如前面提到的，全内反射现象是取决于光管之中的内表面光滑和非扩散，从而使来自LED的内部入射的光被全反射。实际上，光的漫射正是允许其离开光管，作为入射光线折射以随机的角度小于临界角。

光管材料的作用

因为我们的3D打印部分在层的创建，我们的光管的内表面不十分光滑和结晶仿佛在或通过制造它们将铸造聚氨酯部分，这可能是最终生产部件的情况。

根据我们的结果，我们建议您使用VeroClear聚氨酯表面处理材料，用于在原型中创建光管。虽然结果不如Acura 60那样壮观，但由于Acura 60的材料相当昂贵，这是一种更经济的方法来原型光管。

如果你真的需要一个更锐利、更镜面的外观，并且愿意多花点钱，那就买讴歌60吧。

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