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

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,，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,。在本文中，南極熊將對(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為溶劑浸漬,。然而，必須謹(jǐn)慎行事并確保適當(dāng)?shù)陌踩�措施和設(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)桶中充滿了選定的研磨介質(zhì)和化合物潤(rùn)滑液,。當(dāng)機(jī)器打開時(shí),，桶開始移動(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,�,；�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,�,？梢赃x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�,，帶式干燥機(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�和防水的表面光潔度零件，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�可以通過(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)程始終由專家專業(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(guò)振動(dòng)精拋光,，供消費(fèi)者使用。汽車工業(yè)中經(jīng)常使用蒸汽平滑部件的一個(gè)例子是車輛的內(nèi)部部件,，例如儀表板,、門把手和中控臺(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）

供應(yīng)商和價(jià)格

不同的服務(wù)提供商，例如 SPALECK GmbH,、VibraFinish 或 Rohde AG,，為私人客戶和公司提供振動(dòng)精拋光。對(duì)于蒸汽平滑,，Xometry、AMT,、DyeMansion,、Protolabs和 Hubs 是著名的服務(wù)提供商，通過(guò)指定的后處理解決方案機(jī)器或基于材料提供蒸汽平滑服務(wù),。3Faktur 是一家德國(guó)公司,，提供蒸汽平滑和振動(dòng)精拋光服務(wù)。著名的 VaporSmoothing 機(jī)器（例如 AMT PostPro3D 系列和 Powerfuse S 系列）是 Xometry 和 DyeMansion 提供的解決方案,，而 Protolabs 和 Hubs 分別使用 SLS 和MJFHPA 12,、PA 12 和 MJF Ultrasint™TPU-01 材料。

至于振動(dòng)精拋光,，Walther Trowal,、AVAtec 或 Garant 等制造商生產(chǎn)的大型工業(yè)機(jī)器價(jià)格約為 18,000 美元至 21,000 美元（17,000 至 20,000 歐元）。2公斤磨料的價(jià)格在 21 – 44 美元（20 – 40 歐元）之間,，5 升的化合物也約為 21 – 44 美元（20 – 40 歐元）,。根據(jù)要加工的零件的數(shù)量和尺寸，價(jià)格差異很大,。對(duì)于蒸汽平滑,，平滑單個(gè)零件的服務(wù)費(fèi)可能為 5 美元 – 15 美元（4歐元– 14歐元）根據(jù)零件的復(fù)雜程度，盡管許多制造商通常只提供 10 個(gè)或更多零件捆綁包中的服務(wù),。購(gòu)買蒸汽平滑裝置本身的成本約為 10,000 至 30,000 美元（11,000– 33,000 歐元）,，具體取決于地區(qū)、制造商和質(zhì)量,。