3D打印零件表面精加工工藝對比：蒸汽平滑與振動精拋光
魔猴君 知識堂 487天前
為了對3D 打印部件進(jìn)行拋光以實現(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表現(xiàn)出粗糙的表面和明顯的層線，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)，它可以通過添加或去除零件層來平滑未完工零件的粗糙表面。本文將對目前市面上兩種主流的表面精加工工藝——蒸汽平滑和振動精拋光進(jìn)行系統(tǒng)地介紹和對比，以方便了解每種方法各自的流程、優(yōu)點和缺點。
蒸汽平滑
蒸汽平滑（Vapor Smoothing），也稱為化學(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或多個部件懸掛在密閉室中，以實現(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，建議使用專為 3D 打印蒸汽平滑設(shè)計的工業(yè)級設(shè)備在受控環(huán)境中實施這一過程。對于那些對 DIY 方法感興趣的人，可以使用丙酮或乙醇作為化學(xué)溶劑來實現(xiàn)蒸汽平滑，或者在這種情況下稱為溶劑浸漬。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（照片來源：ProtoLabs）
振動精拋光
另一方面，振動精拋光不使用化學(xué)品進(jìn)行表面處理。相反，它依靠研磨介質(zhì)來增強 3D 打印部件的表面。在此過程中，多個 3D 打印零件被放置在振動桶中，該振動桶中充滿了選定的研磨介質(zhì)和化合物潤滑液。當(dāng)機器打開時，桶開始移動，在零件和研磨介質(zhì)之間產(chǎn)生機械摩擦。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。振動精拋光需要特殊的措施和設(shè)備，并提供兩種方法：振動法和翻滾法。振動方法特別適合較大、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械清潔，以確保表面光滑無劃痕。
△由陶瓷制成的磨料可以承受高壓力。（來源：Vibrafinish）
除了磨料之外，振動精拋光工藝還需要潤滑液，即化合物。化合物用于吸收和去除零件上的磨損，并對零件進(jìn)行清潔和脫脂。可以選擇酸性化合物來加工金屬零件，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干燥機中干燥，它們與加熱的干燥介質(zhì)（例如玉米芯粉、堅果粉或木塊）一起放置，并進(jìn)行振動。或者，帶式干燥機特別適合具有內(nèi)部通道和孔的敏感且笨重的零件。在帶式干燥機中，3D 打印的部件通過帶上的熱風(fēng)系統(tǒng)并以這種方式干燥。
蒸汽平滑和振動精拋光處理的時間不盡相同，從十分鐘到幾個小時不等，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。
然而，振動精拋光與許多其他不同的材料兼容。例如，振動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)過振動精拋光的金屬零件前后對比（來源：Acton Finishing）
后處理技術(shù)的局限性和優(yōu)點
這兩種工藝在表面外觀和性能方面都具有許多優(yōu)勢。通過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?，并提高零件的伸長率、拉伸性能、彎曲性能，保持特性、強度和精度。另一方面，振動精拋光不能實現(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。通過振動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，與振動精拋光相比，蒸汽平滑可提供更閃亮的表面。此外，經(jīng)過振動精拋光處理的零件表現(xiàn)出明顯更柔軟、更愉悅的觸覺體驗。
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變形或丟失細(xì)節(jié)，并且之后可能會看到痕跡。蒸汽平滑處理后，零件可能會出現(xiàn)橋接、起泡、咬痕、邊緣池、斑點、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，在對帶有接頭的移動部件或部件進(jìn)行蒸汽平滑處理時必須注意時機，以避免損害接頭完整性或因過度暴露于蒸汽而導(dǎo)致粘連。
另一方面，振動精拋光比蒸汽平滑適用于更廣泛的 3D 打印零件，因為它可以通過選擇不同的磨料和方法來適應(yīng)零件的任何個性化需求、材料特性和結(jié)構(gòu)。只要該過程始終由專家專業(yè)完成，振動精拋光幾乎適用于所有 3D 打印零件。然而，振動精拋光可能會導(dǎo)致部件幾何形狀的損失。例如，組件的角和尖端可能會過于圓化并失去形狀，而使用蒸汽平滑則不會發(fā)生這種情況。此外，振動整理有時需要隨后進(jìn)行進(jìn)一步的干燥程序，這會延長該過程。
應(yīng)用領(lǐng)域
蒸汽平滑是一項受到醫(yī)療、汽車和航空航天等行業(yè)青睞的技術(shù)，能夠?qū)Ψ浪⒖咕也缓瘜W(xué)物質(zhì)的部件進(jìn)行處理。當(dāng)談到振動精拋光時，醫(yī)療、汽車和體育行業(yè)尤其受益于這項技術(shù)。在每個領(lǐng)域，光滑的表面（尤其是金屬部件）對于確保部件的正常運行和安全條件都非常重要。然而，蒸汽平滑和振動精拋光在整個產(chǎn)品開發(fā)周期都可以實施，從概念模型到原型再到最終產(chǎn)品，并在醫(yī)療、汽車和消費品等各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。例如，采用振動精拋光工藝加工的零件有汽車行業(yè)的汽車零件或體育行業(yè)的溜冰鞋和健身器材。此外，珠寶和餐具均經(jīng)過振動精拋光，供消費者使用。汽車工業(yè)中經(jīng)常使用蒸汽平滑部件的一個例子是車輛的內(nèi)部部件，例如儀表板、門把手和中控臺元件。蒸汽平滑還用于航空航天工業(yè)中的飛機零件，例如機翼、空氣管道和發(fā)動機零件等。
△蒸汽平滑通常應(yīng)用于航空航天工業(yè)中的飛機零件（圖片來源：Fast Radius）
來源：南極熊
