后處理，尤其是表面精加工目前仍然是增材制造的主要挑戰(zhàn)之一。表面對(duì)力學(xué)性能（例如零件的疲勞性和功能性）有很大影響。零件打印完從粉床中取來(lái)時(shí)，很少能直接做為最終產(chǎn)品使用。

現(xiàn)在有各種各樣的表面處理方式可供選擇，并且在不斷增加。如何選擇合適的處理方式以及何時(shí)進(jìn)行可以為增材制造零件帶來(lái)許多新機(jī)會(huì)。

在考慮使用不同的精加工技術(shù)之前，需要知道增材制造零件可以獲得什么樣的表面質(zhì)量。

我們與德國(guó)弗萊堡理工大學(xué)的增材制造部門負(fù)責(zé)人合作，使用三種不同的方法進(jìn)行表面后處理，并針對(duì)不同打印角度的表面粗糙度進(jìn)行了分析：

·        噴砂

·        離心研磨

·        等離子電解拋光

先在小測(cè)試樣件（使用 EOS StainlessSteel 316L 在 EOS M 290 上打印）上評(píng)估了打印完成后表面的狀態(tài)以及表面精加工的影響，最后將其應(yīng)用于實(shí)際的應(yīng)用部件。

在 3D 打印之后，預(yù)期可以得到什么樣的表面粗糙度？

根據(jù)不同的打印角度，會(huì)獲得不同的表面質(zhì)量。經(jīng) 316L 零件分析表明，打印后可以預(yù)期的平均粗糙度（Ra）可以在 5 到 45 μm之間。可以清楚地看到上表面和下表面之間的差異。

導(dǎo)致表面質(zhì)量差異的原因有很多。其中一個(gè)主要影響因素是用于特定區(qū)域的曝光策略類型。對(duì)于這些部分，可以清楚區(qū)分側(cè)表面、上表面和下表面。

即使朝上的表面通常比朝下的表面具有更好的表面質(zhì)量，但由于階梯效應(yīng)和表面上的熔化顆粒，特別是平坦的上表面通常呈現(xiàn)出更高的粗糙度值。

對(duì)于下表面區(qū)域幾乎也是同樣的情況，因?yàn)榀B加的材料在表面熔化時(shí)，局部位置傳導(dǎo)熱能的材料更少，這會(huì)導(dǎo)致更高的粗糙度。

對(duì)于某些小角度，經(jīng)常使用支撐件來(lái)改善傳熱和可建造性，并避免零件變形。需要去除支撐物，并且由于支撐結(jié)構(gòu)的殘留物殘留在表面上，通常會(huì)導(dǎo)致較高的表面粗糙度。這種顆粒以及熔化的顆粒會(huì)從零件表面突出到 200-500μm，這會(huì)大大增加表面粗糙度。

結(jié)果顯示零件的整體表面質(zhì)量可能非常不均勻。表面的不均勻性可能增加后期精加工的困難程度，與較粗糙表面（如下表面和支撐區(qū)域的表面）相比，已經(jīng)較光滑的表面（如上表面）可以更快地精加工到所需狀態(tài)。

因此通常需要對(duì)表面精加工過(guò)程采用更具選擇性的方法，或者對(duì)不同的精加工方法進(jìn)行智能組合。

如何有效降低表面粗糙度？

噴砂

噴砂是 3D 打印零件的最初表面處理步驟之一。通常，噴砂用于清除表面殘留的粉末顆粒，使表面光滑或改變零件的外觀。在某些方面，噴砂步驟可用作使零件表面均勻化的初始步驟，以減少下表面和上表面之間的粗糙度差異。

有許多不同的介質(zhì)可用于噴砂的，形狀、大小和材料不同。在這項(xiàng)研究中，使用了常用的噴砂介質(zhì)：

• 果殼
• 玻璃珠
• 碳化硅
• 陶瓷
  
  

噴砂后的表面粗糙度

噴砂后的結(jié)果可能會(huì)因所使用的噴砂介質(zhì)而異，對(duì)比如下：

除果殼外，其他使用的噴砂介質(zhì)都可將上表面和側(cè)表面粗糙度降低 30％ 至 65％。在下表面和支撐區(qū)域，效果更顯著。以陶瓷為例，即使在支撐角度下，下表面粗糙度也降低了近 80％。

使用噴砂作為初始精加工步驟，已經(jīng)可以減少大部分粗糙度，尤其是在下表面區(qū)域。因此，這也是其他表面處理必不可少的第一步。

離心研磨

該工藝被廣泛用于金屬零件的拋光，可用于多種用途，例如去毛刺、研磨或拋光。離心研磨的介質(zhì)通常在材料、形狀和大小上各異，并且通常在多步過(guò)程中進(jìn)行組合。在這項(xiàng)研究中，采用單步研磨介質(zhì)來(lái)快速降低粗糙度。

離心研磨時(shí)，通?？梢栽谙蛏匣虼怪北砻嫔陷p松實(shí)現(xiàn) Ra <1 μm 的粗糙度，但是在下表面區(qū)域中，該過(guò)程可能需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能去除支撐結(jié)構(gòu)上的所有下表面或殘留物。

例如，正常的下表面區(qū)域在處理 180 分鐘后，可以達(dá)到 Ra <4 μm 的值，而支撐區(qū)域中的表面仍然明顯較粗糙。為了縮小最佳和最差表面之間的差距，可以預(yù)先進(jìn)行噴砂獲得更均勻的精加工結(jié)果。

噴砂已經(jīng)去除了一些凸起表面，并獲得了更均勻的表面，因此，通過(guò)離心研磨去除的材料更少，不但節(jié)省了時(shí)間而且獲得了更好的處理結(jié)果。

等離子電解拋光

第三種精加工工藝 — 等離子電解拋光（PeP）。這是一種電化學(xué)過(guò)程，在零件表面形成的等離子層內(nèi)通過(guò)不同化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合來(lái)去除材料。與傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光相比，該工藝使用水和特殊鹽作為電解質(zhì)代替酸。

等離子拋光產(chǎn)生非常光滑和干凈的表面，因此非常適合作為最后的精加工步驟。

類似前面提到的，僅通過(guò)等離子拋光就可以實(shí)現(xiàn)非常好的表面光潔度，但是可能需要一些時(shí)間才能自行去除所有的下表面粗糙度。為了加快該過(guò)程，可以再次將噴砂作為第一步。這樣就可以將下表面區(qū)域的處理時(shí)間縮短至幾分鐘，即使在加支撐的下表面上也可以達(dá)到 Ra <4 μm。

該過(guò)程不必僅與噴砂結(jié)合使用。它也可以用作離心研磨零件的最后修整步驟，在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的光澤效果。如果將所有三個(gè)步驟組合在一起，則即使在下表面區(qū)域中的表面粗糙度也可以減小到 Ra <1 μm。

復(fù)雜零件的精加工

由于前面提到的結(jié)果可能會(huì)根據(jù)幾何形狀而有所不同，因此這些技術(shù)需要同樣適用于更復(fù)雜的零件上。為此，在工業(yè)、海事或石油和天然氣應(yīng)用中可以找到小型用 316L 打印的螺旋槳。該零件的表面光潔度要求是 Ra <3.2 μm。

如果現(xiàn)在結(jié)合這三個(gè)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，并將其應(yīng)用于一臺(tái)螺旋槳：

• 噴砂 – 表面質(zhì)量更均勻
• 離心研磨 – 去除粗糙凸起物
• 等離子電解拋光（PeP）– 實(shí)現(xiàn)清潔和光滑的表面
  
  

經(jīng)過(guò) 4 小時(shí)的總處理時(shí)間，在上表面和下表面的總體表面粗糙度為 Ra = 1-3 μm。

表面質(zhì)量和外觀會(huì)根據(jù) 3D 打印的角度而變化。為了獲得最佳結(jié)果，需要了解初始表面質(zhì)量的變化以及表面處理技術(shù)之間的差異。

通過(guò)這項(xiàng)研究表明，噴砂工藝具有很大的潛力，可以作為第一步來(lái)降低不同打印角度尤其是選擇性的降低下表面區(qū)域的粗糙度變化，其中可以將粗糙度降低多達(dá) 80％。通過(guò)離心研磨和等離子電解拋光，可以將表面處理至小于 Ra = 1 μm 的值，并具有良好的光澤度。

但是，在多數(shù)情況下，沒(méi)有單一的解決方案能實(shí)現(xiàn)最終的復(fù)雜零件表面處理。通過(guò)不同處理方式的智能組合可以帶來(lái)最佳結(jié)果。

本文系轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有；旨在傳遞信息，不代表3D打印資源庫(kù)的觀點(diǎn)和立場(chǎng)。如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者，如有任何疑問(wèn)，請(qǐng)聯(lián)系kefu@3dzyk.cn。

后處理，尤其是表面精加工目前仍然是增材制造的主要挑戰(zhàn)之一。表面對(duì)力學(xué)性能（例如零件的疲勞性和功能性）有很大影響。零件打印完從粉床中取來(lái)時(shí)，很少能直接做為最終產(chǎn)品使用。

現(xiàn)在有各種各樣的表面處理方式可供選擇，并且在不斷增加。如何選擇合適的處理方式以及何時(shí)進(jìn)行可以為增材制造零件帶來(lái)許多新機(jī)會(huì)。

在考慮使用不同的精加工技術(shù)之前，需要知道增材制造零件可以獲得什么樣的表面質(zhì)量。

我們與德國(guó)弗萊堡理工大學(xué)的增材制造部門負(fù)責(zé)人合作，使用三種不同的方法進(jìn)行表面后處理，并針對(duì)不同打印角度的表面粗糙度進(jìn)行了分析：

·        噴砂

·        離心研磨

·        等離子電解拋光

先在小測(cè)試樣件（使用 EOS StainlessSteel 316L 在 EOS M 290 上打印）上評(píng)估了打印完成后表面的狀態(tài)以及表面精加工的影響，最后將其應(yīng)用于實(shí)際的應(yīng)用部件。

在 3D 打印之后，預(yù)期可以得到什么樣的表面粗糙度？

根據(jù)不同的打印角度，會(huì)獲得不同的表面質(zhì)量。經(jīng) 316L 零件分析表明，打印后可以預(yù)期的平均粗糙度（Ra）可以在 5 到 45 μm之間。可以清楚地看到上表面和下表面之間的差異。

導(dǎo)致表面質(zhì)量差異的原因有很多。其中一個(gè)主要影響因素是用于特定區(qū)域的曝光策略類型。對(duì)于這些部分，可以清楚區(qū)分側(cè)表面、上表面和下表面。

即使朝上的表面通常比朝下的表面具有更好的表面質(zhì)量，但由于階梯效應(yīng)和表面上的熔化顆粒，特別是平坦的上表面通常呈現(xiàn)出更高的粗糙度值。

對(duì)于下表面區(qū)域幾乎也是同樣的情況，因?yàn)榀B加的材料在表面熔化時(shí)，局部位置傳導(dǎo)熱能的材料更少，這會(huì)導(dǎo)致更高的粗糙度。

對(duì)于某些小角度，經(jīng)常使用支撐件來(lái)改善傳熱和可建造性，并避免零件變形。需要去除支撐物，并且由于支撐結(jié)構(gòu)的殘留物殘留在表面上，通常會(huì)導(dǎo)致較高的表面粗糙度。這種顆粒以及熔化的顆粒會(huì)從零件表面突出到 200-500μm，這會(huì)大大增加表面粗糙度。

結(jié)果顯示零件的整體表面質(zhì)量可能非常不均勻。表面的不均勻性可能增加后期精加工的困難程度，與較粗糙表面（如下表面和支撐區(qū)域的表面）相比，已經(jīng)較光滑的表面（如上表面）可以更快地精加工到所需狀態(tài)。

因此通常需要對(duì)表面精加工過(guò)程采用更具選擇性的方法，或者對(duì)不同的精加工方法進(jìn)行智能組合。

如何有效降低表面粗糙度？

噴砂

噴砂是 3D 打印零件的最初表面處理步驟之一。通常，噴砂用于清除表面殘留的粉末顆粒，使表面光滑或改變零件的外觀。在某些方面，噴砂步驟可用作使零件表面均勻化的初始步驟，以減少下表面和上表面之間的粗糙度差異。

有許多不同的介質(zhì)可用于噴砂的，形狀、大小和材料不同。在這項(xiàng)研究中，使用了常用的噴砂介質(zhì)：

• 果殼
• 玻璃珠
• 碳化硅
• 陶瓷
  
  

噴砂后的表面粗糙度

噴砂后的結(jié)果可能會(huì)因所使用的噴砂介質(zhì)而異，對(duì)比如下：

除果殼外，其他使用的噴砂介質(zhì)都可將上表面和側(cè)表面粗糙度降低 30％ 至 65％。在下表面和支撐區(qū)域，效果更顯著。以陶瓷為例，即使在支撐角度下，下表面粗糙度也降低了近 80％。

使用噴砂作為初始精加工步驟，已經(jīng)可以減少大部分粗糙度，尤其是在下表面區(qū)域。因此，這也是其他表面處理必不可少的第一步。

離心研磨

該工藝被廣泛用于金屬零件的拋光，可用于多種用途，例如去毛刺、研磨或拋光。離心研磨的介質(zhì)通常在材料、形狀和大小上各異，并且通常在多步過(guò)程中進(jìn)行組合。在這項(xiàng)研究中，采用單步研磨介質(zhì)來(lái)快速降低粗糙度。

離心研磨時(shí)，通?？梢栽谙蛏匣虼怪北砻嫔陷p松實(shí)現(xiàn) Ra <1 μm 的粗糙度，但是在下表面區(qū)域中，該過(guò)程可能需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能去除支撐結(jié)構(gòu)上的所有下表面或殘留物。

例如，正常的下表面區(qū)域在處理 180 分鐘后，可以達(dá)到 Ra <4 μm 的值，而支撐區(qū)域中的表面仍然明顯較粗糙。為了縮小最佳和最差表面之間的差距，可以預(yù)先進(jìn)行噴砂獲得更均勻的精加工結(jié)果。

噴砂已經(jīng)去除了一些凸起表面，并獲得了更均勻的表面，因此，通過(guò)離心研磨去除的材料更少，不但節(jié)省了時(shí)間而且獲得了更好的處理結(jié)果。

等離子電解拋光

第三種精加工工藝 — 等離子電解拋光（PeP）。這是一種電化學(xué)過(guò)程，在零件表面形成的等離子層內(nèi)通過(guò)不同化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合來(lái)去除材料。與傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光相比，該工藝使用水和特殊鹽作為電解質(zhì)代替酸。

等離子拋光產(chǎn)生非常光滑和干凈的表面，因此非常適合作為最后的精加工步驟。

類似前面提到的，僅通過(guò)等離子拋光就可以實(shí)現(xiàn)非常好的表面光潔度，但是可能需要一些時(shí)間才能自行去除所有的下表面粗糙度。為了加快該過(guò)程，可以再次將噴砂作為第一步。這樣就可以將下表面區(qū)域的處理時(shí)間縮短至幾分鐘，即使在加支撐的下表面上也可以達(dá)到 Ra <4 μm。

該過(guò)程不必僅與噴砂結(jié)合使用。它也可以用作離心研磨零件的最后修整步驟，在幾分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的光澤效果。如果將所有三個(gè)步驟組合在一起，則即使在下表面區(qū)域中的表面粗糙度也可以減小到 Ra <1 μm。

復(fù)雜零件的精加工

由于前面提到的結(jié)果可能會(huì)根據(jù)幾何形狀而有所不同，因此這些技術(shù)需要同樣適用于更復(fù)雜的零件上。為此，在工業(yè)、海事或石油和天然氣應(yīng)用中可以找到小型用 316L 打印的螺旋槳。該零件的表面光潔度要求是 Ra <3.2 μm。

如果現(xiàn)在結(jié)合這三個(gè)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，并將其應(yīng)用于一臺(tái)螺旋槳：

• 噴砂 – 表面質(zhì)量更均勻
• 離心研磨 – 去除粗糙凸起物
• 等離子電解拋光（PeP）– 實(shí)現(xiàn)清潔和光滑的表面
  
  

經(jīng)過(guò) 4 小時(shí)的總處理時(shí)間，在上表面和下表面的總體表面粗糙度為 Ra = 1-3 μm。

表面質(zhì)量和外觀會(huì)根據(jù) 3D 打印的角度而變化。為了獲得最佳結(jié)果，需要了解初始表面質(zhì)量的變化以及表面處理技術(shù)之間的差異。

通過(guò)這項(xiàng)研究表明，噴砂工藝具有很大的潛力，可以作為第一步來(lái)降低不同打印角度尤其是選擇性的降低下表面區(qū)域的粗糙度變化，其中可以將粗糙度降低多達(dá) 80％。通過(guò)離心研磨和等離子電解拋光，可以將表面處理至小于 Ra = 1 μm 的值，并具有良好的光澤度。

但是，在多數(shù)情況下，沒(méi)有單一的解決方案能實(shí)現(xiàn)最終的復(fù)雜零件表面處理。通過(guò)不同處理方式的智能組合可以帶來(lái)最佳結(jié)果。

本文系轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有；旨在傳遞信息，不代表3D打印資源庫(kù)的觀點(diǎn)和立場(chǎng)。如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者，如有任何疑問(wèn)，請(qǐng)聯(lián)系kefu@3dzyk.cn。