3D打印与数字化设计 课件 11 后处理

机设教研室增材制造后处理技术概论本节学习目标掌握增材制造技术的选用方法2掌握增材制造后处理的主要方法熟悉增材制造精度分析问题思考大家能发现下面打印完成之后的模型有什么问题吗？3模型中存在一些不需要的支撑结构，如图圈中所示。问题思考4右图中零件表面存在明显的纹理特征。3D打印直接打印出来的制品存在一些支撑结构，模型表面的质量也不尽如人意，需要进行进一步的处理，主要内容包括：剥离、修补、打磨、抛光、表面涂覆、二次强化等等。8.1后处理从快速成型机上取下的制品往往需要进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有的还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等，这些工序统称为后处理。目的是为了提高制件的表面精度，力学性能等特性。58.1.1剥离剥离是将增材制造过程中产生的废料、支撑结构与工件分离。剥离是一项细致的工作，有些情况下也很费时。支撑的剥离方法可以分为手工剥离、化学剥离、加热剥离三种。6剥离手工剥离手工剥离是操作者用手和一些较简单的工具使废料、支撑结构与工件分离。是一种最常见的剥离方法，灵活简单，适用面广，但比较费时，而且容易出错。对于LOM成形的制品，一般用这种方法使网格状废料与工件分离，一些FDM工艺与SLA工艺也采用这种方式进行。78.1.1剥离2.化学剥离当某种化学溶液能溶解支撑结构又不会损伤制件时，可以用此种化学溶液使支撑结构与工件分离，此种方法称为化学剥离。例如可用溶液来溶解蜡，从而使工件(热塑性塑料)与支撑结构(蜡)、基底(蜡)分离。这种方法的剥离效率高，工件表面较清洁，但适用材料类型有限。例如Ultimaker公司UltimakerS5

FDM打印机使用的水溶性支撑材料PVA可以在水中自行分解，作为PLA、CPE、Nylon和Tough

PLA等材料的支撑材料时，这类打印机都是双喷头FDM打印机。88.1.1剥离3.加热剥离当支撑结构为蜡时，而成形材料为熔点较蜡高的材料时，可以用热水或适当温度的热蒸汽使支撑结构熔化并与工件分离。这种方法的剥离效率高，工件表面较光滑。例如3D

Systems公司的MJP多喷头打印机使用可熔融或可分解的支撑材料。98.1.2修补、打磨和抛光当工件表面有较明显的小缺陷而需要修补时，可以用热熔性塑料、乳胶与细粉料调合而成的腻子，或湿石膏予以填补，然后用砂纸打磨、抛光，常用工具有各种粒度的砂纸、小型电动或气动打磨机。对于3D打印的制件，常用的抛光技术有砂纸打磨（Sanding）和珠光处理（Bead

Blasting）和化学抛光。10珠光处理砂纸打磨8.1.2修补、打磨和抛光1.砂纸打磨（Sanding）

虽然3D打印技术能够制造高品质的零件，但零件上因为台阶效应会存在逐层堆积的纹路，这会影响用户的判断，尤其是当零件对外观要求比较严时。砂纸打磨可以用手工打磨或者使用砂带磨光机这样的设备，是3D打印零部件后处理应用最为广泛的技术。

如果零件有精度和耐用性的最低要求时，

一定不要过度打磨，要提前计算好打磨去多少

的材料，否则会打磨过度使零部件变形报废。

进行基准测试有助于确定要使用的打磨工艺及

工具。11砂纸打磨8.1.2修补、打磨和抛光2.珠光处理（BeadBlasting）

珠光处理是操作人员手持喷嘴朝抛光对象高速喷射介质小珠从而达到抛光效果，速度比较快，5-10min即可完成，处理过后表面光滑，有均匀的哑光效果。

珠光处理比较灵活，可用于大多数3D打印材料，可应用于产品开发到制造的各个阶段。

珠光处理一般是在一个密闭的腔室内进行，

对处理的对象有尺寸限制，一次只能处理一个，

不能大规模应用。

珠光处理可以为零部件后续进行上漆、涂

层和镀层做准备。

12珠光处理前后对比8.1.2修补、打磨和抛光133.化学抛光

以ABS材料为例，可用丙酮蒸汽进行抛光，也可在通风处煮沸丙酮来熏蒸打印成品，也可以选择市面上其它的抛光机；

但是PLA材料不可用丙酮抛光，有专用的PLA抛光油，但化学抛光要掌握好度，因为都是以腐蚀表面作为代价的。整体来讲，目前化学抛光还不够成熟，应用不是很广泛，可作为后处理的备选方案之一。

8.1.3表面涂覆表面涂覆是改变制件外观颜色等特性的一种处理方法，不同方法的目的有所不同，对于增材制造工件来说，典型的涂覆方法有如下几种：1．喷刷涂料在增材制造制件表面可以喷刷多种涂料，常用的涂料有油漆、液态金属和反应型液态塑料等。148.1.3表面涂覆2．电化学沉积，也称电镀。电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，实质是通过电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜，从而起到防止金属氧化（如锈蚀），提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性（硫酸铜等）及美观性等作用。有镀铬、镀铜、镀镉、镀锡、镀锌等多种。但由于大多数快速成形件不导电，因此在进行电化学沉积前，必须先在增材制造表面喷涂一层导电漆。15电镀和喷漆的区别颜色种类不同金属色喷漆可以选的颜色是整个色卡，而电镀可选的颜色大部分只能选金属银，金属金，玫瑰金等颜色。金属色喷漆种类更多，上色效果更灵活。成本不同因二者制色工艺不同，金属电镀的价格一般比金属色喷漆要高，且成品效果比较难控制。成品效果不同16金属电镀表面更有光泽，且不掉色。总之，无论是电镀还是金属色喷漆，各自有自己的优缺点，具体应该选择哪一种方案，需要综合参考以上提到的各种特性，结合产品的应用方向与经济条件来最后决定。8.1.3表面涂覆3．无电化学沉积，又称化学镀无电化学沉积是通过化学反应形成涂覆层，能在制件表面涂覆金、银、铜、锡以及合金等，涂覆层厚度可达5-20微米。电镀与化学镀都是在溶液中进行氧化还原反应，但前者是在外电场作用下通过电解质溶液中正负离子的迁移而在电极上发生氧化还原反应形成镀层的；后者则是通过化学镀液在工件的自催化作用下在工件表面直接形成镀层的。178.1.3表面涂覆与电化学沉积相比，无电化学沉积的优点：对形状复杂的制件进行沉积时，能获得较均匀的沉积层，不会在突出和边缘部分产生过量的沉积。沉积层较致密。无需通电。能直接对非电导体进行沉积。沉积层具有一致的化学、力学和磁特性。188.1.3表面涂覆4．物理蒸发沉积物理蒸发沉积一般在真空室内进行，典型涂覆层厚度为1-5微米，粒子能量越高，涂覆时的粘合性越好，被涂覆表面的温度越高。分为以下三种方式：① 热蒸发，属于低粒子能量；② 溅射，属于中等粒子能量；③ 电弧蒸发，属于高粒子能量；5．电化学沉积和物理蒸发沉积的综合电化学沉积和物理蒸发沉积综合了电化学沉积和物理蒸发沉积的优点，扩大了涂覆材料的范围。除此之外，还有金属电弧喷镀、等离子喷镀两种方法。198.2.1制造精度所谓精度，简单来说就是最终产品与预期的相符程度，增材制造精度，包括增材制造装备的精度，以及装备所能制作出的成形件精度。1、增材制造装备的精度增材制造装备[打印机]的精度包括软件和硬件两部分，对于不同的实现方法，具体的精度项目有所不同，所谓软件部分主要是指模型数据处理精度，类似于传统制造领域中的原理误差。硬件部分的精度主要指成形设备的各项精度。2、成型件的精度成型零件的精度主要包括尺寸精度、形状位置精度以及表面质量。208.2.1制造精度211、尺寸精度主要指成形件与CAD模型相比，在XYZ三个方向上的尺寸误差，一般成型机样本中所列出的“制件精度”指的就是制件尺寸误差范围。2、形状位置精度形状位置精度是指增材制造时可能出现的形状误差和位置误差，统称形位误差，比如制件的翘曲、扭曲、圆度、局部缺陷和遗失特征等。3、表面质量增材制造的表面误差有台阶、波浪和粗糙度，都应在打磨、抛光和其他后处理之前进行测量，其中台阶误差常见于自由曲面处，主要原因是3D打印的台阶效应。8.2误差形成机理1、制件误差产生原因分类按照原型零件的形成过程，即从CAD电子模型到三维实体模型（原型零件）的转换过程，制件产生误差的主要因素如图所示：228.2.2误差形成机理2、产生零件误差的因素分析（1）数据处理产生的误差① 面片化处理造成的误差在对三维CAD模型分层切片前，需将实体模型近似处理，称为面型化处理，是用三角面片近似表示模型表面，转换成STL格式，在此过程中，CAD型面信息有所丢失，导致各类误差的产生。238.2.2误差形成机理242、产生零件误差的因素分析（1）数据处理产生的误差②

分层切片时产生的误差分层切片是在选定了制作方向之后，对STL文件格式进行一维离散，从而获取每一层截面轮廓及实体信息，切片方向的选择对原型件的精度、制作时间、成本有重要影响。切片的过程是通过一簇垂直于制作方向的平行平面与STL格式模型相截，所得到的截面与模型实体的交线就是各层的轮廓和实体信息。平行平面之间的距离就是分层厚度，也就是成形叠加时的单层厚度。由于每一切片层之间存在距离，因此切片不仅破坏了模型表面的连续性，而且不可避免地丢失了两切片层之间的信息，导致原型产生形状和尺寸上的误差。同时，当零件上的微小特征信息尺寸小于分层厚度时，该微小特征可能被丢失。8.2.2误差形成机理2、产生零件误差的因素分析（1）数据处理产生的误差②

分层切片时产生的误差如右图所示，

A=3.24mm，B=57.78mm，N为叠加堆积方向，分层数量为B/∆t。①当分层厚度∆t=0.1mm时，所分层数为578层，实际打印的尺寸A=3.2mm，误差为0.04mm，B=57.8mm，误差为0.02mm。②当分层厚度∆t=0.05mm时，所分层数为1156层，实际打印的尺寸A=3.25mm，误差为0.01mm，B=57.8mm，误差为0.02mm。由上可知，层厚越小，误差越小，所分层数越多，同时，当所选层厚能够被公称尺寸整除时，理论误差为零。258.2.2误差形成机理262、产生零件误差的因素分析（2）成形加工产生的误差，成形加工包括层准备、层制造与叠加和后处理。①

层准备时产生的误差层准备就是准备好一层待成形的材料。不同工艺各不相同，我们以SLA工艺为例进行说明，SLA工艺的层准备包括液面的平整和稳定性，实际由于机械部件的振动、树脂的黏性和表面张力等因素影响，保证层准备的精度并不容易。②

层制造与层叠加产生的误差该部分误差主要由于机械结构的运动误差和原材料成形过程中的误差。其中成形过程中的误差包括原材料的状态变化、不一致的约束、叠层高度累积、、成形功率控制不恰当、工艺参数不稳定等五方面原因产生的误差。8.2.2误差形成机理272、产生零件误差的因素分析2、成形加工产生的误差，成形加工包括层准备、层制造与叠加和后处理。③

后处理不当产生的误差从成形设备上取下的已成形制件，一般还需要进行剥离、固化、修补、打磨等一系列后处理工序，此过程产生的误差分为如下几种：剥离支撑等废料后，制件的形状及尺寸发生变化，产生误差；剥离废料过程中，制件受力发生变形，产生误差；固化过程中，引起制件的形状和尺寸发生变化，产生误差；为提高表面质量而对制件进行修补、打磨和抛光等处理，产生形位误差；8.2.3表面粗糙度1.表面粗糙度的比较不同增材制造工艺和材料搭配所能得到的制件表面质量各不相同，下表为英国诺丁汉大学的一个实验结果，可以看出SLA制件具有较小的表面粗糙度，FDM制件具有较大的表面粗糙度。。288.3技术的比较与选用2.分区变层厚固化工艺在增材制造工艺中，影响零件型面精度及粗糙度的主要原因是层堆积过程产生的台阶效应。传统方法是减小分层厚度或优化成形方向来减少这一影响，但减小分层厚度会造成制作效率的显著降低，优化成形方向对于复杂的模型，会顾此失彼，同时成形方向的确定需要考虑制作效率、工件变形及支撑结构等多种因素，因此这些方法的应用受到一定限制。29分区变层厚成形工艺则能够较好的解决上述方法遇到的问题，其核心是通过对不同区域特征采用不同层厚来提高成形效率，分区变层厚成形工艺的关键技术是合理划分区域、确定大小层厚的比例关系。既要考虑表面粗糙度要求又要保证层与层之间的可靠粘结。8.3

技术的比较与选用308.3.1

典型技术的比较目前，比较成熟的增材制造技术已经有很多种，不同的成形工艺有不同的特色，如何根据制件的使用要求、结构特点、精度要求和成本核算等特点，正确选择增材制造的工艺方法，对于更有效地利用这项技术是非常重要的。因此首先需要了解不同增材制造工艺的工艺特点，不同工艺性能比较如下表所示：工艺类型精度表面质量材料价格材料利用率运行成本生产效率设备费用占有率SLA增材制造优优较贵约100%较高高较贵78LOM增材制造一般较差较便宜较差较低高较便宜7.3SLS增材制造一般一般较贵约100%较高一般较贵6.0FDM增材制造较差较差较