Роль обработки поверхности в 3D-печати и аддитивном производстве

Благодаря постоянному развитию технологий 3D-печати и аддитивного производства (AM) этот передовой метод производства постепенно становится важной частью современного производства. Согласно исследованию MarketsandMarkets, к 2026 году мировой рынок 3D-печати достигнет почти $34,8 миллиарда долларов США, а среднегодовые темпы роста составят 22,5%. [1] 3D-печать широко используется в таких высокоточных областях, как аэрокосмическая промышленность, медицинское оборудование и автомобили, но также нашла свое место и на массовых рынках, таких как потребительские товары, строительство и электроника.

Однако, несмотря на то, что 3D-печать предоставляет производителям беспрецедентную свободу дизайна и повышает эффективность, поверхности изделий из нее зачастую несовершенны. Слоистая структура в процессе печати (так называемый рисунок печатного слоя) приводит к неравномерной шероховатости поверхности, что влияет на эстетику, долговечность и функциональные характеристики деталей. Поэтому обработка поверхности стала важным звеном, которое нельзя игнорировать в процессе 3D-печати. Она не только изменяет внешний вид, но и может улучшить механические свойства деталей и повысить их функциональность.

Эксперты отрасли согласны с тем, что обработка поверхности оказывает ключевое влияние на функциональность и применение 3D-печатных деталей. Например, инженер по материалам Джон Барнс сказал: "3D-печатные детали без отделки не подходят для некоторых ключевых применений. Отделка не только улучшает внешний вид, но и значительно увеличивает срок службы и производительность". Поэтому понимание и освоение технологии финишной обработки поверхности 3D-печатных деталей - это ключ к широкому применению технологии аддитивного производства.

2. Пескоструйная обработка

Пескоструйная обработка - это распространенный метод обработки поверхности, который подходит для удаления остатков материалов и слоев на поверхности деталей. Пескоструйная обработка - это полировка поверхности 3D-печатных деталей путем распыления абразивных частиц на высокой скорости для достижения эффекта удаления заусенцев и шероховатостей поверхности. В качестве абразива можно использовать оксид алюминия, стеклянные, керамические и т. д. частицы в зависимости от материала. Ее преимущество в том, что она позволяет быстро обрабатывать большие поверхности, а также может применяться к деталям со сложной геометрической структурой. Пескоструйная обработка широко применяется для обработки пластиковых и металлических деталей, особенно для обработки поверхностей автомобильных деталей и корпусов электроники.

3. Удаление наростов и лазерная полировка

В таких технологиях 3D-печати, как FDM и SLA, опоры неизбежны при печати вспомогательных конструкций. Для удаления опор часто используются ножницы или механическое оборудование. В то же время лазерная полировка становится все более популярным методом обработки поверхности, особенно для металлических деталей. Лазер расплавляет шероховатые участки на поверхности детали, точно контролируя подачу энергии, чтобы она вновь затвердела и превратилась в гладкую поверхность. По сравнению с традиционной полировкой лазерная полировка может обрабатывать детали более сложной формы, а также имеет преимущества в эффективности и точности.

 

• Метод химической обработки

В методах химической обработки используются химические реагенты, такие как растворители, кислоты и щелочные жидкости, которые растворяют или разъедают поверхность детали для достижения эффекта гладкости. К распространенным методам химической обработки относятся химическая полировка и покрытие поверхности.

1. Химическая полировка

Химическая полировка - это использование специальных растворителей для растворения неровных мельчайших частиц на поверхности 3D-печатных деталей в контролируемых условиях, что позволяет выровнять поверхность. Этот метод подходит для различных материалов для печати, таких как пластмассы и металлы. Например, PLA и ABS-пластики, которые обычно используются в FDM-печати, могут растворять шероховатый слой на поверхности с помощью этанола или ацетона для достижения гладкого эффекта. Преимущество этого метода обработки заключается в том, что он позволяет быстро обрабатывать большое количество деталей, особенно подходящих для небольших деталей в промышленном производстве.

2. Гальваника и обработка покрытий

Гальваническая обработка и нанесение покрытий часто используются для 3D-печатных металлических деталей, чтобы повысить их коррозионную стойкость, износостойкость или эстетический вид путем нанесения тонкой пленки на их поверхность. Например, на 3D-печатные детали из титанового сплава можно нанести гальваническое покрытие из никеля или хрома для повышения их коррозионной стойкости, что подходит для деталей, используемых в условиях высоких температур и высокого давления в аэрокосмической отрасли. Кроме того, на металлические детали можно наносить порошковое или жидкое покрытие, которое широко используется в корпусах бытовых электронных устройств для повышения их эстетичности и приятности на ощупь.

Различия в обработке поверхности различных материалов при аддитивном производстве

В области 3D-печати и аддитивного производства разнообразие материалов определяет, что потребности и методы обработки поверхностей также существенно отличаются. К распространенным материалам для 3D-печати относятся пластмассы, металлы и смолы, и разные материалы сталкиваются с разными проблемами при последующей обработке. Поэтому для оптимизации характеристик и внешнего вида 3D-печатных деталей особенно важно выбрать подходящую технологию обработки поверхности для разных материалов.

Обработка поверхности пластмасс

Пластмассы - одни из самых распространенных материалов в 3D-печати, такие как PLA, ABS, нейлон и т. д. Поскольку пластиковые печатные детали часто сопровождаются следами расслоения и большой шероховатостью поверхности, обработка поверхности в основном направлена на улучшение их гладкости и повышение эстетичности. Существует множество различных методов обработки поверхности пластиковых деталей, и особенно распространены следующие методы:

• Шлифование наждачной бумагой и пескоструйная обработка

Пластиковые детали часто подвергаются физическому шлифованию или пескоструйной обработке для удаления текстуры и шероховатостей поверхности. Например, в сфере потребительских товаров пластиковые корпуса мобильных телефонов, напечатанные методом 3D-печати, обычно шлифуются для достижения гладкости на ощупь, а затем подвергаются пескоструйной обработке для улучшения эстетики и долговечности.

• Химическая полировка

Химическая полировка широко используется в FDM-печати пластиковых деталей, особенно для термопластов, таких как PLA и ABS. Ацетон растворяет шероховатые части поверхности ABS, образуя гладкую поверхность, которая часто используется при производстве игрушек или прототипировании, чтобы обеспечить гладкость и визуальную привлекательность деталей.

 

Обработка поверхности металлов

По сравнению с пластиком, к обработке поверхности металлических деталей предъявляются более высокие требования, особенно с точки зрения функциональности и долговечности. К распространенным металлическим материалам относятся титановые сплавы, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и т. д. Обработка поверхности металлических деталей обычно требует сложного многоступенчатого процесса, чтобы соответствовать строгим требованиям, предъявляемым в промышленности.

• Обработка и гальваническое покрытие

Для повышения износостойкости и коррозионной стойкости металлических деталей их поверхность часто подвергается механической обработке, полировке и гальваническому покрытию. Например, в аэрокосмической отрасли 3D-печатные лопатки турбин из титанового сплава подвергаются механической полировке и никелированию для обеспечения стабильной работы в условиях высоких температур и высокого давления.

• Лазерная полировка и термообработка

Лазерная полировка также часто используется для обработки металлических поверхностей, которая позволяет быстро удалить поверхностные слои металлических деталей и улучшить их отделку. Кроме того, процесс термообработки повышает твердость и усталостную прочность металлических деталей за счет изменения микроструктуры материала и широко используется в таких ключевых компонентах, как автомобильные приводные валы или шестерни.

 

Обработка поверхности смолы

Смоляные материалы широко используются в таких востребованных областях, как медицинское оборудование и ювелирный дизайн, благодаря высокой точности и деликатному качеству поверхности. Однако поверхность деталей из смолы склонна к образованию следов полимеризации или мелких неровностей, поэтому перед получением готового изделия требуется постобработка.

• УФ-отверждение и напыление

Детали из смолы обычно дополнительно обрабатываются ультрафиолетовым отверждением для повышения твердости поверхности, а затем на них наносится напыление для улучшения эстетики и функциональности. Например, в медицинской промышленности 3D-печатные модели зубов из смолы часто подвергаются последующим процессам напыления и полировки, чтобы обеспечить гладкую и легко дезинфицируемую поверхность.

• Шлифование и покрытие

Шлифовка и нанесение покрытия - распространенные варианты для деталей из смолы, требующих высокой степени отделки и детализации. Например, в ювелирном дизайне украшения из смолы, прошедшие шлифовку и покрытие, не только выглядят красиво, но и обладают характеристиками износостойкости.

Случаи применения

Важность финишной обработки поверхности в 3D-печати заключается в ее способности значительно улучшить производительность, внешний вид и функциональность напечатанных деталей. Ниже будут рассмотрены конкретные примеры применения в различных отраслях промышленности, чтобы показать, как обработка поверхности может решить практические проблемы для конкретных деталей и принести значительные преимущества.

Аэрокосмическая промышленность

• Топливная форсунка

В аэрокосмической отрасли топливное сопло является ключевым компонентом, и его конструкция должна учитывать как легкость, так и высокие эксплуатационные характеристики. Технология 3D-печати позволяет создавать сложные геометрические структуры и значительно снижать вес деталей. Обработка поверхности необходима для улучшения управления воздушным потоком и производительности впрыска топлива в сопло. С помощью лазерной полировки или плазменной обработки можно эффективно уменьшить шероховатость поверхности, тем самым улучшив равномерность и эффективность впрыска топлива.

• Детали фюзеляжа

Детали фюзеляжа самолетов обычно требуют чрезвычайно высокой коррозионной стойкости и усталостной прочности. Обработка поверхности 3D-печатных металлических деталей позволяет не только уменьшить дефекты поверхности, но и повысить ее твердость и устойчивость к окислению. Например, применение технологии CVD для формирования защитного покрытия на конструктивных элементах фюзеляжа эффективно продлевает срок службы деталей и повышает безопасность самолетов.

 

Медицинская промышленность

• Медицинские имплантаты

В медицинской промышленности к 3D-печатным имплантатам (таким как костные имплантаты и зубные протезы) предъявляются строгие требования по обработке поверхности. Тонкая обработка поверхности позволяет улучшить биосовместимость имплантатов и снизить количество послеоперационных осложнений. Например, имплантаты из титанового сплава, прошедшие поверхностную обработку, могут эффективно улучшить сцепление с биологическими тканями, способствуя тем самым заживлению и стабильности.

• Хирургические инструменты

3D-печатные хирургические инструменты часто должны обладать хорошей коррозионной стойкостью и антибактериальными свойствами. С помощью технологии химического осаждения из паровой фазы (CVD) на поверхность инструмента наносится антибактериальное покрытие, которое может не только предотвратить рост бактерий, но и повысить износостойкость и срок службы инструмента, тем самым повышая эффективность и безопасность хирургических операций.

Автомобильная промышленность

• Детали двигателя

В автомобилестроении очень важна высокотемпературная стойкость и износостойкость деталей двигателя. Металлические детали, изготовленные с помощью технологии лазерного плавления 3D-печати, могут значительно улучшить свою термостойкость и износостойкость после последующей обработки поверхности. Например, после напыления керамического покрытия детали двигателя могут эффективно выдерживать более высокие температуры, продлевая срок службы деталей.

• Компоненты кузова

Технология 3D-печати все чаще используется в производстве кузовных деталей, особенно при создании сложных форм. Кузовные детали, прошедшие обработку поверхности, могут не только улучшить внешний вид, но и повысить аэродинамические характеристики. Благодаря технологии обработки поверхности, оптимизирующей воздушный поток, можно значительно снизить сопротивление воздуха и тем самым повысить топливную экономичность автомобиля.

 

Электронная промышленность

• Радиатор

В электронных устройствах радиаторы играют ключевую роль в обеспечении стабильной работы оборудования. Технология 3D-печати позволяет изготавливать радиаторы сложной формы, а обработка поверхности помогает улучшить их теплоотдачу. Например, тонкая обработка поверхности радиатора с помощью микроструйной технологии позволяет увеличить площадь поверхности и тем самым повысить эффективность теплоотдачи.

• Корпус и кронштейн

3D-печатные электронные корпуса и кронштейны часто должны быть легкими и иметь хороший визуальный эффект. После обработки поверхности эти детали могут не только повысить износостойкость, но и получить более гладкий внешний вид, улучшив впечатления потребителя.