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，從一項利基技術(shù)發(fā)展成為一種日益工業(yè)化的方法，可以實現(xiàn)從原型設(shè)計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，特別是在設(shè)計自由度和定制生產(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？



表面打磨


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

打磨是 3D 打印零件表面處理的一種流行方法，可以手動完成，但也可以使用自動工具。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，逐漸使用更細粒度的砂紙，以獲得越來越光滑的表面。然而，打磨時要小心，以免損壞模型的幾何形狀。此外，此方法的一個缺點是很難到達零件上的某些位置點，尤其是小孔和底切。打磨可以手動完成，盡管這可能很耗時。因此，市場上也有自動打磨工具和機械。

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。這種沖擊會在零件表面層產(chǎn)生受控的塑性變形，從而提高疲勞強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，并為表面準備后續(xù)涂層。

噴丸和噴砂之間的主要區(qū)別非常簡單。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)涂層做好表面準備。這些后處理技術(shù)對于承受機械應(yīng)力或應(yīng)變的零件特別有用，例如齒輪、彈簧、渦輪機部件以及飛機和車輛的結(jié)構(gòu)零件。

拋光方法：振動拋光和滾磨拋光
與前面提到的將零件逐一處理的方法不同，拋光系統(tǒng)用于同時處理多個 3D 打印物體，分為振動拋光核滾磨拋光。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，當與翻滾或振動運動相結(jié)合時，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現(xiàn)高質(zhì)量的表面處理，但振動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，振動對于大型零件或具有圓邊但細節(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)用更平滑的運動，使其更適合更小、更精致和更精細的零件。速度是這兩種方法的另一個區(qū)別方面。雖然振動精加工是一種更快的技術(shù)，但滾磨通常需要更多時間才能獲得高質(zhì)量的表面。根據(jù)所需的表面處理和所使用的材料，滾磨可能需要幾個小時到幾天的時間�？傊�，振動精加工和滾磨是對金屬和塑料零件進行后處理的有效方法，但它們的運動、速度、表面光潔度和對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)時必須謹慎，因為某些組合會導(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)由于其物理條件發(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，因為它可能會引起有害的化學(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（含有兩個碳原子和一個氧原子的三元環(huán)醚）的反應(yīng)性聚合物。在處理 3D 打印部件時，這些樹脂可以實現(xiàn)密封的表面光潔度，使部件氣密，并提高其對高溫和某些化學(xué)品的耐受性。這種方法對于必須面對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，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。這通過避免購買昂貴的設(shè)備來降低成本，但同時增加了應(yīng)用所需的時間和勞動力量。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)進行訪問，例如內(nèi)部通道和底切。此外，對于需要精確尺寸的零件來說，它可能不是理想的選擇，因為環(huán)氧樹脂涂層會稍微增加零件的厚度。


△環(huán)氧樹脂手工涂覆實例

另一方面，環(huán)氧樹脂滲透系統(tǒng)克服了手工應(yīng)用時遇到的許多限制。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。這個過程大約需要三個小時才能完成，而且勞動密集度較低，這意味著應(yīng)用于大型部件時更實用、更快。然而，與手工涂層相比，主要缺點是成本較高。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)可以互補使用，以結(jié)合兩種方法的優(yōu)點。 CNC 加工，雖然嚴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