3D打印零件表面精加工工藝對(duì)比：蒸汽平滑與振動(dòng)精拋光

魔猴君  知識(shí)堂   547天前

為了對(duì)3D 打印部件進(jìn)行拋光以實(shí)現(xiàn)精致的表面效果，工程師采取了多種工業(yè)精加工技術(shù)，包括涂層、噴砂和手工精加工方法。盡管 3D 打印可以生產(chǎn)復(fù)雜的零件，但初始的打印件通常會(huì)表現(xiàn)出粗糙的表面和明顯的層線(xiàn)，特別是在使用熔融沉積建模（FDM）生產(chǎn)的零件中。為此，后處理是零件生產(chǎn)極其重要的一環(huán)，它可以通過(guò)添加或去除零件層來(lái)平滑未完工零件的粗糙表面。本文將對(duì)目前市面上兩種主流的表面精加工工藝——蒸汽平滑和振動(dòng)精拋光進(jìn)行系統(tǒng)地介紹和對(duì)比，以方便了解每種方法各自的流程、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

蒸汽平滑

蒸汽平滑（Vapor Smoothing），也稱(chēng)為化學(xué)蒸汽平滑，是一種將打印部件暴露于蒸發(fā)溶劑環(huán)境下進(jìn)行表面處理的技術(shù)。工業(yè)蒸汽平滑工藝需要小心地將單個(gè)或多個(gè)部件懸掛在密閉室中，以實(shí)現(xiàn)最大程度的暴露。將化學(xué)溶劑混合物（例如 FA 326）注入并噴射到腔室中，在該腔室中它在零件上凝結(jié)并硬化，通過(guò)受控熔體消除表面不規(guī)則性。隨著腔室溫度升高，殘余溶劑蒸發(fā)并被回收。最終部件變得防水并保留其光滑的內(nèi)腔、精確的尺寸和原始材料體積。為了獲得最佳的蒸汽平滑效果，建議使用專(zhuān)為 3D 打印蒸汽平滑設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)設(shè)備在受控環(huán)境中實(shí)施這一過(guò)程。對(duì)于那些對(duì) DIY 方法感興趣的人，可以使用丙酮或乙醇作為化學(xué)溶劑來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽平滑，或者在這種情況下稱(chēng)為溶劑浸漬。然而，必須謹(jǐn)慎行事并確保適當(dāng)?shù)陌踩胧┖驮O(shè)備到位。

△左側(cè)為蒸汽平滑部分，右側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)表面處理（照片來(lái)源：ProtoLabs）

振動(dòng)精拋光

另一方面，振動(dòng)精拋光不使用化學(xué)品進(jìn)行表面處理。相反，它依靠研磨介質(zhì)來(lái)增強(qiáng) 3D 打印部件的表面。在此過(guò)程中，多個(gè) 3D 打印零件被放置在振動(dòng)桶中，該振動(dòng)桶中充滿(mǎn)了選定的研磨介質(zhì)和化合物潤(rùn)滑液。當(dāng)機(jī)器打開(kāi)時(shí)，桶開(kāi)始移動(dòng)，在零件和研磨介質(zhì)之間產(chǎn)生機(jī)械摩擦。這種減材工藝可以最小化且溫和地去除最外層的材料，從而提高零件的表面質(zhì)量。振動(dòng)精拋光需要特殊的措施和設(shè)備，并提供兩種方法：振動(dòng)法和翻滾法。振動(dòng)方法特別適合較大、細(xì)節(jié)較少的物體，并且可以更快地達(dá)到所需的結(jié)果。

磨料或切屑的選擇在振動(dòng)精拋光中至關(guān)重要。磨料碎片可以由陶瓷、塑料或鋼制成，每種都會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。陶瓷磨料特別適合去毛刺和獲得光亮的表面。由于密度高，它們可以承受高壓，適合加工不銹鋼、金屬和塑料零件。塑料磨料非常適合需要溫和加工的柔軟精細(xì)表面。它們有金字塔形和圓錐形兩種形狀。此外，Walther Trowal 還開(kāi)發(fā)了乳頭形磨料，適用于難以觸及區(qū)域的超小、精細(xì)零件。鋼磨料大多呈球形，材料去除量極小，特別適用于金屬、銀或鋁制零件的拋光和機(jī)械清潔，以確保表面光滑無(wú)劃痕。

△由陶瓷制成的磨料可以承受高壓力。（來(lái)源：Vibrafinish）

除了磨料之外，振動(dòng)精拋光工藝還需要潤(rùn)滑液，即化合物。化合物用于吸收和去除零件上的磨損，并對(duì)零件進(jìn)行清潔和脫脂。可以選擇酸性化合物來(lái)加工金屬零件，以便進(jìn)行酸洗。處理后，需要進(jìn)行干燥處理。這些部件可以在振動(dòng)干燥機(jī)中干燥，它們與加熱的干燥介質(zhì)（例如玉米芯粉、堅(jiān)果粉或木塊）一起放置，并進(jìn)行振動(dòng)?；蛘撸瑤礁稍餀C(jī)特別適合具有內(nèi)部通道和孔的敏感且笨重的零件。在帶式干燥機(jī)中，3D 打印的部件通過(guò)帶上的熱風(fēng)系統(tǒng)并以這種方式干燥。

蒸汽平滑和振動(dòng)精拋光處理的時(shí)間不盡相同，從十分鐘到幾個(gè)小時(shí)不等，具體取決于所處理零件的數(shù)量和復(fù)雜性。

兼容的材料

蒸汽平滑與大多數(shù) 3D 打印聚合物和彈性體兼容。適用于蒸汽平滑的常見(jiàn)材料包括丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、高抗沖聚苯乙烯（取決于機(jī)器）、尼龍 11 (PA 11)、尼龍 12 (PA 12)、聚丙烯 (PP) 、和聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯 (PC-ABS)。然而，值得注意的是，不建議使用 TPU 和某些特種長(zhǎng)絲進(jìn)行蒸汽平滑處理。每種溶劑，例如丙酮、甲乙酮 (MEK)、四氫呋喃 (THF)、二氯甲烷 (DCM) 和乙酸乙酯，都有其自身的有效性和應(yīng)用注意事項(xiàng)。

然而，振動(dòng)精拋光與許多其他不同的材料兼容。例如，振動(dòng)精拋光不僅可用于由熱固性塑料、熱塑性塑料和彈性體（如聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)）制成的 3D 打印部件，還可用于鋁、不銹鋼、黃銅或紫銅等金屬。這使得它成為一種更加通用的方法，可以用作各種 3D 打印技術(shù)的后處理方法，例如 FDM/FFF 和粉末床熔融技術(shù)。

△經(jīng)過(guò)振動(dòng)精拋光的金屬零件前后對(duì)比（來(lái)源：Acton Finishing）

后處理技術(shù)的局限性和優(yōu)點(diǎn)

這兩種工藝在表面外觀和性能方面都具有許多優(yōu)勢(shì)。通過(guò)蒸汽平滑可以獲得與注塑成型相當(dāng)?shù)墓饣头浪谋砻婀鉂嵍攘慵?，并提高零件的伸長(zhǎng)率、拉伸性能、彎曲性能，保持特性、強(qiáng)度和精度。另一方面，振動(dòng)精拋光不能實(shí)現(xiàn)防水精加工，但也能提供異常光滑的表面、去除涂層痕跡并產(chǎn)生防刮擦和防污的表面。通過(guò)振動(dòng)精拋光和蒸汽平滑方法加工的部件可產(chǎn)生具有光澤外觀的光滑表面。然而，與振動(dòng)精拋光相比，蒸汽平滑可提供更閃亮的表面。此外，經(jīng)過(guò)振動(dòng)精拋光處理的零件表現(xiàn)出明顯更柔軟、更愉悅的觸覺(jué)體驗(yàn)。

然而，值得注意的是，蒸汽平滑并不是適合每種打印的最佳解決方案。太復(fù)雜、太小、太大或太平的模型可能會(huì)變形或丟失細(xì)節(jié)，并且之后可能會(huì)看到痕跡。蒸汽平滑處理后，零件可能會(huì)出現(xiàn)橋接、起泡、咬痕、邊緣池、斑點(diǎn)、孔洞或不完整特征等缺陷。此外，值得注意的是，與剛性材料相比，柔性材料更容易出現(xiàn)表面缺陷。因此，在對(duì)帶有接頭的移動(dòng)部件或部件進(jìn)行蒸汽平滑處理時(shí)必須注意時(shí)機(jī)，以避免損害接頭完整性或因過(guò)度暴露于蒸汽而導(dǎo)致粘連。

另一方面，振動(dòng)精拋光比蒸汽平滑適用于更廣泛的 3D 打印零件，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)選擇不同的磨料和方法來(lái)適應(yīng)零件的任何個(gè)性化需求、材料特性和結(jié)構(gòu)。只要該過(guò)程始終由專(zhuān)家專(zhuān)業(yè)完成，振動(dòng)精拋光幾乎適用于所有 3D 打印零件。然而，振動(dòng)精拋光可能會(huì)導(dǎo)致部件幾何形狀的損失。例如，組件的角和尖端可能會(huì)過(guò)于圓化并失去形狀，而使用蒸汽平滑則不會(huì)發(fā)生這種情況。此外，振動(dòng)整理有時(shí)需要隨后進(jìn)行進(jìn)一步的干燥程序，這會(huì)延長(zhǎng)該過(guò)程。

應(yīng)用領(lǐng)域

蒸汽平滑是一項(xiàng)受到醫(yī)療、汽車(chē)和航空航天等行業(yè)青睞的技術(shù)，能夠?qū)Ψ浪?、抗菌且不含化學(xué)物質(zhì)的部件進(jìn)行處理。當(dāng)談到振動(dòng)精拋光時(shí)，醫(yī)療、汽車(chē)和體育行業(yè)尤其受益于這項(xiàng)技術(shù)。在每個(gè)領(lǐng)域，光滑的表面（尤其是金屬部件）對(duì)于確保部件的正常運(yùn)行和安全條件都非常重要。然而，蒸汽平滑和振動(dòng)精拋光在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期都可以實(shí)施，從概念模型到原型再到最終產(chǎn)品，并在醫(yī)療、汽車(chē)和消費(fèi)品等各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。例如，采用振動(dòng)精拋光工藝加工的零件有汽車(chē)行業(yè)的汽車(chē)零件或體育行業(yè)的溜冰鞋和健身器材。此外，珠寶和餐具均經(jīng)過(guò)振動(dòng)精拋光，供消費(fèi)者使用。汽車(chē)工業(yè)中經(jīng)常使用蒸汽平滑部件的一個(gè)例子是車(chē)輛的內(nèi)部部件，例如儀表板、門(mén)把手和中控臺(tái)元件。蒸汽平滑還用于航空航天工業(yè)中的飛機(jī)零件，例如機(jī)翼、空氣管道和發(fā)動(dòng)機(jī)零件等。

△蒸汽平滑通常應(yīng)用于航空航天工業(yè)中的飛機(jī)零件（圖片來(lái)源：Fast Radius）

來(lái)源：南極熊