3D打印零件表面精加工工艺对比：蒸汽平滑与振动精抛光

时间：2023-06-30 14:39 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

为了对3D 打印部件进行抛光以实现精致的表面效果，工程师采取了多种工业精加工技术，包括涂层、喷砂和手工精加工方法。尽管 3D 打印可以生产复杂的零件，但初始的打印件通常会表现出粗糙的表面和明显的层线，特别是在使用熔融沉积建模（FDM）生产的零件中。为此，后处理是零件生产极其重要的一环，它可以通过添加或去除零件层来平滑未完工零件的粗糙表面。在本文中，南极熊将对目前市面上两种主流的表面精加工工艺——蒸汽平滑和振动精抛光进行系统地介绍和对比，以方便了解每种方法各自的流程、优点和缺点。

蒸汽平滑

蒸汽平滑（Vapor Smoothing），也称为化学蒸汽平滑，是一种将打印部件暴露于蒸发溶剂环境下进行表面处理的技术。工业蒸汽平滑工艺需要小心地将单个或多个部件悬挂在密闭室中，以实现最大程度的暴露。将化学溶剂混合物（例如 FA 326）注入并喷射到腔室中，在该腔室中它在零件上凝结并硬化，通过受控熔体消除表面不规则性。随着腔室温度升高，残余溶剂蒸发并被回收。最终部件变得防水并保留其光滑的内腔、精确的尺寸和原始材料体积。为了获得最佳的蒸汽平滑效果，建议使用专为 3D 打印蒸汽平滑设计的工业级设备在受控环境中实施这一过程。对于那些对 DIY 方法感兴趣的人，可以使用丙酮或乙醇作为化学溶剂来实现蒸汽平滑，或者在这种情况下称为溶剂浸渍。然而，必须谨慎行事并确保适当的安全措施和设备到位。

△左侧为蒸汽平滑部分，右侧为标准表面处理（照片来源：ProtoLabs）

振动精抛光

另一方面，振动精抛光不使用化学品进行表面处理。相反，它依靠研磨介质来增强 3D 打印部件的表面。在此过程中，多个 3D 打印零件被放置在振动桶中，该振动桶中充满了选定的研磨介质和化合物润滑液。当机器打开时，桶开始移动，在零件和研磨介质之间产生机械摩擦。这种减材工艺可以最小化且温和地去除最外层的材料，从而提高零件的表面质量。振动精抛光需要特殊的措施和设备，并提供两种方法：振动法和翻滚法。振动方法特别适合较大、细节较少的物体，并且可以更快地达到所需的结果。

磨料或切屑的选择在振动精抛光中至关重要。磨料碎片可以由陶瓷、塑料或钢制成，每种都会产生不同的结果。陶瓷磨料特别适合去毛刺和获得光亮的表面。由于密度高，它们可以承受高压，适合加工不锈钢、金属和塑料零件。塑料磨料非常适合需要温和加工的柔软精细表面。它们有金字塔形和圆锥形两种形状。此外，Walther Trowal 还开发了乳头形磨料，适用于难以触及区域的超小、精细零件。钢磨料大多呈球形，材料去除量极小，特别适用于金属、银或铝制零件的抛光和机械清洁，以确保表面光滑无划痕。

△由陶瓷制成的磨料可以承受高压力。（来源：Vibrafinish）

除了磨料之外，振动精抛光工艺还需要润滑液，即化合物。化合物用于吸收和去除零件上的磨损，并对零件进行清洁和脱脂。可以选择酸性化合物来加工金属零件，以便进行酸洗。处理后，需要进行干燥处理。这些部件可以在振动干燥机中干燥，它们与加热的干燥介质（例如玉米芯粉、坚果粉或木块）一起放置，并进行振动。或者，带式干燥机特别适合具有内部通道和孔的敏感且笨重的零件。在带式干燥机中，3D 打印的部件通过带上的热风系统并以这种方式干燥。

蒸汽平滑和振动精抛光处理的时间不尽相同，从十分钟到几个小时不等，具体取决于所处理零件的数量和复杂性。

兼容的材料

蒸汽平滑与大多数 3D 打印聚合物和弹性体兼容。适用于蒸汽平滑的常见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)、高抗冲聚苯乙烯（取决于机器）、尼龙 11 (PA 11)、尼龙 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，不建议使用 TPU 和某些特种长丝进行蒸汽平滑处理。每种溶剂，例如丙酮、甲乙酮 (MEK)、四氢呋喃 (THF)、二氯甲烷 (DCM) 和乙酸乙酯，都有其自身的有效性和应用注意事项。

然而，振动精抛光与许多其他不同的材料兼容。例如，振动精抛光不仅可用于由热固性塑料、热塑性塑料和弹性体（如聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 或聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)）制成的 3D 打印部件，还可用于铝、不锈钢、黄铜或紫铜等金属。这使得它成为一种更加通用的方法，可以用作各种 3D 打印技术的后处理方法，例如 FDM/FFF 和粉末床熔融技术。

△经过振动精抛光的金属零件前后对比（来源：Acton Finishing）

后处理技术的局限性和优点

这两种工艺在表面外观和性能方面都具有许多优势。通过蒸汽平滑可以获得与注塑成型相当的光滑和防水的表面光洁度零件，并提高零件的伸长率、拉伸性能、弯曲性能，保持特性、强度和精度。另一方面，振动精抛光不能实现防水精加工，但也能提供异常光滑的表面、去除涂层痕迹并产生防刮擦和防污的表面。通过振动精抛光和蒸汽平滑方法加工的部件可产生具有光泽外观的光滑表面。然而，与振动精抛光相比，蒸汽平滑可提供更闪亮的表面。此外，经过振动精抛光处理的零件表现出明显更柔软、更愉悦的触觉体验。

然而，值得注意的是，蒸汽平滑并不是适合每种打印的最佳解决方案。太复杂、太小、太大或太平的模型可能会变形或丢失细节，并且之后可能会看到痕迹。蒸汽平滑处理后，零件可能会出现桥接、起泡、咬痕、边缘池、斑点、孔洞或不完整特征等缺陷。此外，值得注意的是，与刚性材料相比，柔性材料更容易出现表面缺陷。因此，在对带有接头的移动部件或部件进行蒸汽平滑处理时必须注意时机，以避免损害接头完整性或因过度暴露于蒸汽而导致粘连。

另一方面，振动精抛光比蒸汽平滑适用于更广泛的 3D 打印零件，因为它可以通过选择不同的磨料和方法来适应零件的任何个性化需求、材料特性和结构。只要该过程始终由专家专业完成，振动精抛光几乎适用于所有 3D 打印零件。然而，振动精抛光可能会导致部件几何形状的损失。例如，组件的角和尖端可能会过于圆化并失去形状，而使用蒸汽平滑则不会发生这种情况。此外，振动整理有时需要随后进行进一步的干燥程序，这会延长该过程。

应用领域

蒸汽平滑是一项受到医疗、汽车和航空航天等行业青睐的技术，能够对防水、抗菌且不含化学物质的部件进行处理。当谈到振动精抛光时，医疗、汽车和体育行业尤其受益于这项技术。在每个领域，光滑的表面（尤其是金属部件）对于确保部件的正常运行和安全条件都非常重要。然而，蒸汽平滑和振动精抛光在整个产品开发周期都可以实施，从概念模型到原型再到最终产品，并在医疗、汽车和消费品等各个行业都得到了广泛应用。例如，采用振动精抛光工艺加工的零件有汽车行业的汽车零件或体育行业的溜冰鞋和健身器材。此外，珠宝和餐具均经过振动精抛光，供消费者使用。汽车工业中经常使用蒸汽平滑部件的一个例子是车辆的内部部件，例如仪表板、门把手和中控台元件。蒸汽平滑还用于航空航天工业中的飞机零件，例如机翼、空气管道和发动机零件等。

△蒸汽平滑通常应用于航空航天工业中的飞机零件（图片来源：Fast Radius）

供应商和价格

不同的服务提供商，例如 SPALECK GmbH、VibraFinish 或 Rohde AG，为私人客户和公司提供振动精抛光。对于蒸汽平滑，Xometry、AMT、DyeMansion、Protolabs和 Hubs 是著名的服务提供商，通过指定的后处理解决方案机器或基于材料提供蒸汽平滑服务。3Faktur 是一家德国公司，提供蒸汽平滑和振动精抛光服务。著名的 VaporSmoothing 机器（例如 AMT PostPro3D 系列和 Powerfuse S 系列）是 Xometry 和 DyeMansion 提供的解决方案，而 Protolabs 和 Hubs 分别使用 SLS 和MJFHPA 12、PA 12 和 MJF Ultrasint™TPU-01 材料。

至于振动精抛光，Walther Trowal、AVAtec 或 Garant 等制造商生产的大型工业机器价格约为 18,000 美元至 21,000 美元（17,000 至 20,000 欧元）。2公斤磨料的价格在 21 – 44 美元（20 – 40 欧元）之间，5 升的化合物也约为 21 – 44 美元（20 – 40 欧元）。根据要加工的零件的数量和尺寸，价格差异很大。对于蒸汽平滑，平滑单个零件的服务费可能为 5 美元 – 15 美元（4欧元– 14欧元）根据零件的复杂程度，尽管许多制造商通常只提供 10 个或更多零件捆绑包中的服务。购买蒸汽平滑装置本身的成本约为 10,000 至 30,000 美元（11,000– 33,000 欧元），具体取决于地区、制造商和质量。

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