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 499天前
為了對3D 打印部件進行拋光以實現精致的表面效果，工程師采取了多種工業精加工技術，包括涂層、噴砂和手工精加工方法。盡管 3D 打印可以生產復雜的零件，但初始的打印件通常會表現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）生產的零件中。為此，后處理是零件生產極其重要的一環，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行系統地介紹和對比，以方便了解每種方法各自的流程、優點和缺點。
蒸汽平滑
蒸汽平滑（Vapor Smoothing），也稱為化學蒸汽平滑，是一種將打印部件暴露于蒸發溶劑環境下進行表面處理的技術。工業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，以實現最大程度的暴露。將化學溶劑混合物（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并硬化，通過受控熔體消除表面不規則性。隨著腔室溫度升高，殘余溶劑蒸發并被回收。最終部件變得防水并保留其光滑的內腔、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 打印蒸汽平滑設計的工業級設備在受控環境中實施這一過程。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溶劑來實現蒸汽平滑，或者在這種情況下稱為溶劑浸漬。然而，必須謹慎行事并確保適當的安全措施和設備到位。
△左側為蒸汽平滑部分，右側為標準表面處理（照片來源：ProtoLabs）
振動精拋光
另一方面，振動精拋光不使用化學品進行表面處理。相反，它依靠研磨介質來增強 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和化合物潤滑液。當機器打開時，桶開始移動，在零件和研磨介質之間產生機械摩擦。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量。振動精拋光需要特殊的措施和設備，并提供兩種方法：振動法和翻滾法。振動方法特別適合較大、細節較少的物體，并且可以更快地達到所需的結果。
磨料或切屑的選擇在振動精拋光中至關重要。磨料碎片可以由陶瓷、塑料或鋼制成，每種都會產生不同的結果。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表面。它們有金字塔形和圓錐形兩種形狀。此外，Walther Trowal 還開發了乳頭形磨料，適用于難以觸及區域的超小、精細零件。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，以便進行酸洗。處理后，需要進行干燥處理。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（例如玉米芯粉、堅果粉或木塊）一起放置，并進行振動。或者，帶式干燥機特別適合具有內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系統并以這種方式干燥。
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量和復雜性。
兼容的材料
蒸汽平滑與大多數 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 打印技術的后處理方法，例如 FDM/FFF 和粉末床熔融技術。
△經過振動精拋光的金屬零件前后對比（來源：Acton Finishing）
后處理技術的局限性和優點
這兩種工藝在表面外觀和性能方面都具有許多優勢。通過蒸汽平滑可以獲得與注塑成型相當的光滑和防水的表面光潔度零件，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，經過振動精拋光處理的零件表現出明顯更柔軟、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。太復雜、太小、太大或太平的模型可能會變形或丟失細節，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表面缺陷。因此，在對帶有接頭的移動部件或部件進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零件的任何個性化需求、材料特性和結構。只要該過程始終由專家專業完成，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生這種情況。此外，振動整理有時需要隨后進行進一步的干燥程序，這會延長該過程。
應用領域
蒸汽平滑是一項受到醫療、汽車和航空航天等行業青睞的技術，能夠對防水、抗菌且不含化學物質的部件進行處理。當談到振動精拋光時，醫療、汽車和體育行業尤其受益于這項技術。在每個領域，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品開發周期都可以實施，從概念模型到原型再到最終產品，并在醫療、汽車和消費品等各個行業都得到了廣泛應用。例如，采用振動精拋光工藝加工的零件有汽車行業的汽車零件或體育行業的溜冰鞋和健身器材。此外，珠寶和餐具均經過振動精拋光，供消費者使用。汽車工業中經常使用蒸汽平滑部件的一個例子是車輛的內部部件，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中的飛機零件，例如機翼、空氣管道和發動機零件等。
△蒸汽平滑通常應用于航空航天工業中的飛機零件（圖片來源：Fast Radius）
來源：南極熊
