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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材料表面涂两层聚氨酯透明涂层
  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。

发光管用led

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。

请注意，当光从一个光密度较高的介质传播到另一个光密度较低的介质时，就会发生全内反射。

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

当设计一个使用光管的系统时，你的目标通常是尽可能有效地使用光源(在本例中是LED)提供的光。换句话说，您希望尽量减少光源和观察者之间的光损耗。

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”部分是尽可能的反射。这是因为你想最大限度地提高光在其路径上的内部反射，使光在其轨迹上通过介质的损失尽可能小。

自然地，你会想要在光管的末端向空气中传递尽可能多的光。要做到这一点，你需要最小化光管尖端的内部反射光的数量。

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

透明未加工材料光管

我们测试的第一个材料样品是VeroClear未完成材料光管。

verclear材料打印有点浑浊，导致内部反射比其他两个样品少。虽然比其他两个样品更多云，这个样品仍然提供了一个明亮，甚至发光时，我们的红色LED。

VeroClear——完成

透明材料,完成

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

在这个系列中测试的最后一个样品是Acura 60的材料，打印得非常清楚。

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。

如前所述，全内部反射现象依赖于光管的内部表面光滑和无漫反射，这样LED内部入射光就会被完全反射。事实上，正是光的扩散使它能够从光管中出来，因为入射光线的折射角度是随机的，小于临界角。

光管材料的作用

因为我们的3 d印刷部分是在层中创造的，我们的光管的内部表面不完全像它们将是在或由铸造聚氨酯部分，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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