3D 打印中有哪些表面處理方法？

導(dǎo)讀：近年來，增材制造經(jīng)歷了巨大的增長(zhǎng)，從一項(xiàng)利基技術(shù)發(fā)展成為一種日益工業(yè)化的方法，可以實(shí)現(xiàn)從原型設(shè)計(jì)到最終用途零件生產(chǎn)的一切。然而，盡管 3D 打印具有諸多優(yōu)勢(shì)，特別是在設(shè)計(jì)自由度和定制生產(chǎn)方面，但僅靠該技術(shù)并不能制造出專業(yè)品質(zhì)的成品零件。通常，需要各種后處理過程才能獲得高質(zhì)量的最終模型。這涉及許多不同的步驟。為了改變毛坯件的外觀、使表面光滑、調(diào)整其尺寸和形狀或提高其使用壽命，這種類型的后處理通常是必要的，那么3D打印中有哪些表面處理方法？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？



表面打磨


△打磨是 3D 打印零件表面處理的一種流行方法，可以手動(dòng)完成，但也可以使用自動(dòng)工具

打磨是 3D 打印零件表面處理的一種流行方法，可以手動(dòng)完成，但也可以使用自動(dòng)工具。在 3D 打印零件中，尤其是通過擠出方法制造的零件，線層是十分明顯的。為了去除這些表面缺陷，最常用的方法之一是打磨，使用粗糙材料（例如不同粒度的砂紙）去除層線并提供無瑕疵的均勻表面。如果要在表面上涂覆其他涂層，則該功能非常有用。

打磨通常是從粗粒度砂紙開始，逐漸使用更細(xì)粒度的砂紙，以獲得越來越光滑的表面。然而，打磨時(shí)要小心，以免損壞模型的幾何形狀。此外，此方法的一個(gè)缺點(diǎn)是很難到達(dá)零件上的某些位置點(diǎn)，尤其是小孔和底切。打磨可以手動(dòng)完成，盡管這可能很耗時(shí)。因此，市場(chǎng)上也有自動(dòng)打磨工具和機(jī)械。

噴丸和噴砂
噴丸和噴砂都是3D打印中用于表面處理的其他常用技術(shù)，它們通常用于多種金屬零件，包括鋁合金、鋼、鈦、銅和其他金屬。這些工藝可以提高零件的強(qiáng)度和耐用性，但是它們之間存在一些關(guān)鍵的區(qū)別。噴丸處理使用小型金屬或陶瓷球，通過高速壓縮空氣將其噴射到零件表面。這種沖擊會(huì)在零件表面層產(chǎn)生受控的塑性變形，從而提高疲勞強(qiáng)度并降低裂紋和斷裂的可能性。噴丸還可以提高后續(xù)涂層的耐腐蝕性和附著力。



另一方面，噴砂使用玻璃、金屬、塑料或其他研磨材料的小珠來清潔、拋光或紋理化零件的表面。噴丸處理會(huì)導(dǎo)致零件外部形狀變形，而噴砂處理則不同，噴砂處理僅去除材料的頂層。它用于改善零件的美觀，去除污垢和腐蝕，并為表面準(zhǔn)備后續(xù)涂層。

噴丸和噴砂之間的主要區(qū)別非常簡(jiǎn)單。第一種方法在零件表面產(chǎn)生塑性變形，從而提高其最終強(qiáng)度和耐用性。第二種方法僅平滑材料的表層，提高美觀性并為后續(xù)涂層做好表面準(zhǔn)備。這些后處理技術(shù)對(duì)于承受機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的零件特別有用，例如齒輪、彈簧、渦輪機(jī)部件以及飛機(jī)和車輛的結(jié)構(gòu)零件。

拋光方法：振動(dòng)拋光和滾磨拋光
與前面提到的將零件逐一處理的方法不同，拋光系統(tǒng)用于同時(shí)處理多個(gè) 3D 打印物體，分為振動(dòng)拋光核滾磨拋光。這兩種技術(shù)都需要將3D打印零件放置在靠近磨料的滾筒或滾筒中，當(dāng)與翻滾或振動(dòng)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合時(shí)，將產(chǎn)生零件獲得最佳光潔度所需的摩擦力。


△可以處理金屬和塑料零件

雖然這兩種方法都能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的表面處理，但振動(dòng)拋光通常更適合通過在零件上形成更均勻的材料分布來獲得更光滑、更均勻的表面。因此，振動(dòng)對(duì)于大型零件或具有圓邊但細(xì)節(jié)水平不高的零件來說是理想的選擇。另一方面，滾磨基于離心氣缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用更平滑的運(yùn)動(dòng)，使其更適合更小、更精致和更精細(xì)的零件。速度是這兩種方法的另一個(gè)區(qū)別方面。雖然振動(dòng)精加工是一種更快的技術(shù)，但滾磨通常需要更多時(shí)間才能獲得高質(zhì)量的表面。根據(jù)所需的表面處理和所使用的材料，滾磨可能需要幾個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間。總之，振動(dòng)精加工和滾磨是對(duì)金屬和塑料零件進(jìn)行后處理的有效方法，但它們的運(yùn)動(dòng)、速度、表面光潔度和對(duì)不同零件幾何形狀的適用性有所不同。此外，混合不同類型的研磨介質(zhì)時(shí)必須謹(jǐn)慎，因?yàn)槟承┙M合會(huì)導(dǎo)致不平衡，使得零件光潔度不均勻或零件損壞。

蒸氣平滑
蒸汽平滑是獲得 3D 打印部件光滑表面的另一種方法，主要區(qū)別在于表面處理將是有光澤的而不是無光澤的。為此，使用氣態(tài)溶劑來熔化部件的表面直至其均勻。一旦部件暴露在均熱板中的溶劑中，會(huì)被直接引入冷卻室以阻止液化。液化是固態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)由于其物理?xiàng)l件發(fā)生根本變化而直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，這種冷卻可確保僅表面熔化并保持物體所需的形狀。

蒸汽平滑過程還可以填充物體外部的孔隙并密封表面，使部件可用于容納液體或氣體。盡管該技術(shù)與多種熱塑性塑料兼容，但應(yīng)注意的是，它不能與某些材料一起使用，因?yàn)樗�可能�?huì)引起有害的化學(xué)反應(yīng)。不兼容的塑料包括聚碳酸酯（取決于后處理機(jī)器）、聚苯砜 (PPSF)、ULTEM 1010 和 ULTEM 9085。


△原始零件與蒸汽平滑后零件的比較

蒸汽平滑的替代方法是溶劑浸漬。顧名思義，它將 3D 打印部件浸入溶劑中，而不是將其暴露于蒸發(fā)的化學(xué)物質(zhì)中。盡管結(jié)果與蒸汽平滑的結(jié)果非常相似，但由于溶劑的作用更快、更劇烈，所以保持尺寸精度更加困難。如果零件大于均熱板的尺寸，則此方法通常很有用。

用于表面處理的環(huán)氧樹脂：涂層和滲透
環(huán)氧樹脂是一類含有環(huán)氧基團(tuán)（含有兩個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子的三元環(huán)醚）的反應(yīng)性聚合物。在處理 3D 打印部件時(shí)，這些樹脂可以實(shí)現(xiàn)密封的表面光潔度，使部件氣密，并提高其對(duì)高溫和某些化學(xué)品的耐受性。這種方法對(duì)于必須面對(duì)惡劣工作條件的零件來說是理想的選擇。應(yīng)用此類樹脂時(shí)，我們可以選擇兩種方法：涂覆和滲透。

環(huán)氧樹脂涂層通常是手工涂覆的。這通過避免購(gòu)買昂貴的設(shè)備來降低成本，但同時(shí)增加了應(yīng)用所需的時(shí)間和勞動(dòng)力量。此外，該技術(shù)更適合小批量生產(chǎn)、小尺寸部件或僅需要密封其部分表面的物品。然而，有些區(qū)域無法使用此技術(shù)進(jìn)行訪問，例如內(nèi)部通道和底切。此外，對(duì)于需要精確尺寸的零件來說，它可能不是理想的選擇，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂涂層會(huì)稍微增加零件的厚度。


△環(huán)氧樹脂手工涂覆實(shí)例

另一方面，環(huán)氧樹脂滲透系統(tǒng)克服了手工應(yīng)用時(shí)遇到的許多限制。在滲透方法中，將部件浸入環(huán)氧樹脂中，并使用真空室將樹脂引入物體中，從而填充孔隙。這個(gè)過程大約需要三個(gè)小時(shí)才能完成，而且勞動(dòng)密集度較低，這意味著應(yīng)用于大型部件時(shí)更實(shí)用、更快。然而，與手工涂層相比，主要缺點(diǎn)是成本較高。除了環(huán)氧樹脂本身的成本之外，它還需要真空室、加熱爐來預(yù)熱和固化樹脂。

CNC加工
眾所周知，增材和減材技術(shù)可以互補(bǔ)使用，以結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。 CNC 加工，雖然嚴(yán)格來說不是一種后處理方法，但可以用作 3D 打印中高質(zhì)量表面精加工的一種方法。這對(duì)于直接能量沉積（DED）等技術(shù)來說尤其有趣。在這些產(chǎn)品中，由于金屬在擠壓過程中直接熔化，因此所得零件的表面非常粗糙。始終需要 CNC 加工步驟來獲得光滑且輪廓分明的表面。市場(chǎng)上有許多混合制造解決方案，集成了這兩種工藝可以加快生產(chǎn)速度。


△右側(cè)是 CNC 加工后的零件