3D 打印中有哪些表面处理方法？

导读：近年来，增材制造经历了巨大的增长，从一项利基技术发展成为一种日益工业化的方法，可以实现从原型设计到最终用途零件生产的一切。然而，尽管 3D 打印具有诸多优势，特别是在设计自由度和定制生产方面，但仅靠该技术并不能制造出专业品质的成品零件。通常，需要各种后处理过程才能获得高质量的最终模型。这涉及许多不同的步骤。为了改变毛坯件的外观、使表面光滑、调整其尺寸和形状或提高其使用寿命，这种类型的后处理通常是必要的，那么3D打印中有哪些表面处理方法？各有什么优缺点？



表面打磨


△打磨是 3D 打印零件表面处理的一种流行方法，可以手动完成，但也可以使用自动工具

打磨是 3D 打印零件表面处理的一种流行方法，可以手动完成，但也可以使用自动工具。在 3D 打印零件中，尤其是通过挤出方法制造的零件，线层是十分明显的。为了去除这些表面缺陷，最常用的方法之一是打磨，使用粗糙材料（例如不同粒度的砂纸）去除层线并提供无瑕疵的均匀表面。如果要在表面上涂覆其他涂层，则该功能非常有用。

打磨通常是从粗粒度砂纸开始，逐渐使用更细粒度的砂纸，以获得越来越光滑的表面。然而，打磨时要小心，以免损坏模型的几何形状。此外，此方法的一个缺点是很难到达零件上的某些位置点，尤其是小孔和底切。打磨可以手动完成，尽管这可能很耗时。因此，市场上也有自动打磨工具和机械。

喷丸和喷砂
喷丸和喷砂都是3D打印中用于表面处理的其他常用技术，它们通常用于多种金属零件，包括铝合金、钢、钛、铜和其他金属。这些工艺可以提高零件的强度和耐用性，但是它们之间存在一些关键的区别。喷丸处理使用小型金属或陶瓷球，通过高速压缩空气将其喷射到零件表面。这种冲击会在零件表面层产生受控的塑性变形，从而提高疲劳强度并降低裂纹和断裂的可能性。喷丸还可以提高后续涂层的耐腐蚀性和附着力。



另一方面，喷砂使用玻璃、金属、塑料或其他研磨材料的小珠来清洁、抛光或纹理化零件的表面。喷丸处理会导致零件外部形状变形，而喷砂处理则不同，喷砂处理仅去除材料的顶层。它用于改善零件的美观，去除污垢和腐蚀，并为表面准备后续涂层。

喷丸和喷砂之间的主要区别非常简单。第一种方法在零件表面产生塑性变形，从而提高其最终强度和耐用性。第二种方法仅平滑材料的表层，提高美观性并为后续涂层做好表面准备。这些后处理技术对于承受机械应力或应变的零件特别有用，例如齿轮、弹簧、涡轮机部件以及飞机和车辆的结构零件。

抛光方法：振动抛光和滚磨抛光
与前面提到的将零件逐一处理的方法不同，抛光系统用于同时处理多个 3D 打印物体，分为振动抛光核滚磨抛光。这两种技术都需要将3D打印零件放置在靠近磨料的滚筒或滚筒中，当与翻滚或振动运动相结合时，将产生零件获得最佳光洁度所需的摩擦力。


△可以处理金属和塑料零件

虽然这两种方法都能实现高质量的表面处理，但振动抛光通常更适合通过在零件上形成更均匀的材料分布来获得更光滑、更均匀的表面。因此，振动对于大型零件或具有圆边但细节水平不高的零件来说是理想的选择。另一方面，滚磨基于离心气缸系统，该系统应用更平滑的运动，使其更适合更小、更精致和更精细的零件。速度是这两种方法的另一个区别方面。虽然振动精加工是一种更快的技术，但滚磨通常需要更多时间才能获得高质量的表面。根据所需的表面处理和所使用的材料，滚磨可能需要几个小时到几天的时间。总之，振动精加工和滚磨是对金属和塑料零件进行后处理的有效方法，但它们的运动、速度、表面光洁度和对不同零件几何形状的适用性有所不同。此外，混合不同类型的研磨介质时必须谨慎，因为某些组合会导致不平衡，使得零件光洁度不均匀或零件损坏。

蒸气平滑
蒸汽平滑是获得 3D 打印部件光滑表面的另一种方法，主要区别在于表面处理将是有光泽的而不是无光泽的。为此，使用气态溶剂来熔化部件的表面直至其均匀。一旦部件暴露在均热板中的溶剂中，会被直接引入冷却室以阻止液化。液化是固态或气态物质由于其物理条件发生根本变化而直接转变为液态的过程，这种冷却可确保仅表面熔化并保持物体所需的形状。

蒸汽平滑过程还可以填充物体外部的孔隙并密封表面，使部件可用于容纳液体或气体。尽管该技术与多种热塑性塑料兼容，但应注意的是，它不能与某些材料一起使用，因为它可能会引起有害的化学反应。不兼容的塑料包括聚碳酸酯（取决于后处理机器）、聚苯砜 (PPSF)、ULTEM 1010 和 ULTEM 9085。


△原始零件与蒸汽平滑后零件的比较

蒸汽平滑的替代方法是溶剂浸渍。顾名思义，它将 3D 打印部件浸入溶剂中，而不是将其暴露于蒸发的化学物质中。尽管结果与蒸汽平滑的结果非常相似，但由于溶剂的作用更快、更剧烈，所以保持尺寸精度更加困难。如果零件大于均热板的尺寸，则此方法通常很有用。

用于表面处理的环氧树脂：涂层和渗透
环氧树脂是一类含有环氧基团（含有两个碳原子和一个氧原子的三元环醚）的反应性聚合物。在处理 3D 打印部件时，这些树脂可以实现密封的表面光洁度，使部件气密，并提高其对高温和某些化学品的耐受性。这种方法对于必须面对恶劣工作条件的零件来说是理想的选择。应用此类树脂时，我们可以选择两种方法：涂覆和渗透。

环氧树脂涂层通常是手工涂覆的。这通过避免购买昂贵的设备来降低成本，但同时增加了应用所需的时间和劳动力量。此外，该技术更适合小批量生产、小尺寸部件或仅需要密封其部分表面的物品。然而，有些区域无法使用此技术进行访问，例如内部通道和底切。此外，对于需要精确尺寸的零件来说，它可能不是理想的选择，因为环氧树脂涂层会稍微增加零件的厚度。


△环氧树脂手工涂覆实例

另一方面，环氧树脂渗透系统克服了手工应用时遇到的许多限制。在渗透方法中，将部件浸入环氧树脂中，并使用真空室将树脂引入物体中，从而填充孔隙。这个过程大约需要三个小时才能完成，而且劳动密集度较低，这意味着应用于大型部件时更实用、更快。然而，与手工涂层相比，主要缺点是成本较高。除了环氧树脂本身的成本之外，它还需要真空室、加热炉来预热和固化树脂。

CNC加工
众所周知，增材和减材技术可以互补使用，以结合两种方法的优点。 CNC 加工，虽然严格来说不是一种后处理方法，但可以用作 3D 打印中高质量表面精加工的一种方法。这对于直接能量沉积（DED）等技术来说尤其有趣。在这些产品中，由于金属在挤压过程中直接熔化，因此所得零件的表面非常粗糙。始终需要 CNC 加工步骤来获得光滑且轮廓分明的表面。市场上有许多混合制造解决方案，集成了这两种工艺可以加快生产速度。


△右侧是 CNC 加工后的零件