基于FDM成型的產品后處理分析

陳福德，鄭明輝，楊瑞青

（1.山東華宇工學院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設計工程技術研發中心，山東 德州 253034）

引言

3D打印技術作為世界制造技術領域的一項重大創新技術，近年來在我國得到了快速發展。3D打印技術解決了國防、機械制造、航空航天、生物醫學等領域的許多難題，也給人們的生產和生活帶來極大的變化[1]。清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學等研究團隊在設備研發、技術革新等方面做了大量研究，極大地促進了3D打印技術在我國的推廣及應用。

3D打印技術屬于增材制造技術，它是一個由離散到堆積的過程，是由計算機輔助設計模型直接驅動，利用金屬、塑料、陶瓷等成型材料，在快速成型設備里分層制造任何復雜形狀的物理實體的技術。目前，我國3D打印技術人才相對緊缺，尤其是產品后處理方面，本文基于FDM（又稱熔融沉積成型技術），對成型制件的后處理進行了細致的分析，為3D打印產品后處理的進一步研究及應用提供一定的理論參考[2]。對于采用FDM技術打印的成型件后處理流程為：取件→去支撐→表面處理（砂紙打磨、拋光處理、蒸汽平滑等）；對于采用 FDM 技術打印的拼裝成型件，后處理主要包括取件、去除支撐、打磨、拋光、上色及組裝等工藝流程，如圖1所示。

圖1 FDM后處理工藝流程

1 FDM后處理工藝流程

1.1 取件

3D打印后處理的第一步就是從打印機工作平臺上將模型取下。當模型打印完成后，打印機會發出提示音，此時打印機噴嘴和打印平臺停止加熱，并進行復位。待打印平臺完全冷卻后再將模型取下，避免造成模型變形或對操作人員產生灼傷。若打印模型與平臺黏得太緊，用手將較難移除，可用平頭鏟（最好開刃）將模型取下。基于 FDM 工藝的打印設備，打印平臺分為有固定式和活動式兩種。對于固定式平臺，首先用平頭鏟刀的一個角伸入模型和平臺之間，使模型與平臺出現分離縫隙，再用鏟刀沿模型的周圍鏟入，直至模型與平臺完全分離，如圖2所示。

圖2 取下模型

對于黏結比較牢固的模型，需用手扶住固定打印平臺，防止平臺產生較大晃動，影響打印平臺精度，對于細小和多的模型，取件時動作要輕，速度要慢，避免對模型產生損壞。對于活動平板取件，在模型打印完成后，需將活動平板拆卸下來，用鏟刀將模型鏟下。相比較于固定平臺，活動平板取件更加方便。

1.2 去除支撐

基于 FDM 技術打印的模型，為了保持平衡及保證打印成功，很多模型都需要添加支撐結構。利用切片軟件對模型進行離散分層生成加工路徑，通過打印設備打印完成的模型由兩部分組成，一部分是模型主體，一部分是支撐結構。當支撐結構與模型材料相同時，去除支撐時，需借助斜口鉗、刻刀、平頭鏟刀等工具。斜口鉗主要用于剪切支撐、剝離基底支撐等，刻刀主要用于去除半封閉的支撐結構，平頭鏟刀主要用于鏟去大平面的基底支撐。

在去除模型支撐之前，需認真對照計算機三維模型，區分模型和支撐結構，去除支撐結構，保留模型結構的完整性。去除支撐過程中，應當輕拿輕放模型，防止折斷、摔壞。使用工具去除支撐時，操作力度要適當，邊操作、邊檢查，保證模型表面干凈、清潔。去除簡單支撐結構時，可用斜口鉗或鏟刀，使模型與支撐出現分離縫隙，手工能較容易剝離支撐，手工剝離時，應戴防護手套，避免手受傷，如圖3所示。去除復雜模型結構支撐時，使用斜口鉗或刻刀，根據由外向內、由易到難的順序去除支撐[3-4]。

圖3 去除支撐

1.3 打磨

由于層疊機理、機器設備精度及操作者技術等原因，基于 FDM 工藝打印的模型上會產生臺階效應、毛刺、拉絲、殘余顆粒等缺陷，從而破壞模型形狀和表面質量。打磨能夠去除零件毛坯上的各種毛刺、加工紋路，并且在必要時對機加工時遺漏或無法加工的細節進行修補，如圖4所示。在化學拋光前，應先對模型進行打磨處理，避免模型表面粗糙度不一致，而影響整體拋光效果。常用的打磨工具有砂紙、銼刀和電動打磨機等。砂紙打磨是一種最簡單最便捷的方式。砂紙的型號越大打磨越精細，反之，打磨越粗糙。常用的砂紙是120～2 000目，精細打磨800～3 000目。

圖4 打磨

常用的銼刀分為普通銼和整形銼。銼刀按其斷面形狀分為方銼、平銼、三角銼、半圓銼、圓銼等。方銼用來銼方孔、長方形孔和窄平面；平銼用來銼平面、外圓面、凸弧面和倒角；三角銼主要是銼內角、三角形孔和平面；半圓銼用來銼凹弧面；圓銼用來銼圓孔、凹圓弧面和橢圓面。整形銼用于修整工件的細小部位。電動打磨機廣泛用于產品的磨削加工及表面拋光處理，打磨效率是常規工具的5～10倍，模型的大平面適合電動工具粗打磨，打磨模型時需注意打磨速度、打磨量，否則容易損傷模型表面，降低模型的表面質量，因此，該方法不適合打磨薄壁模型件。

1.4 拋光

拋光是在打磨工序的后一步加工，可使零件表面更加光亮平整，產生近似于鏡面的效果。目前常用的拋光方法有機械拋光法、化學拋光法、流體拋光法、電解拋光法、超聲波拋光法和磁研磨拋光法。常用的工具有砂紙、砂綢布、打磨膏等，有時也可以使用拋光機配合帆布輪、羊絨輪等設備進行拋光，如圖5所示。

圖5 拋光

化學拋光是讓材料在化學介質中表面微觀突出的部分較凹進部分優先溶解，從而得到平滑表面，是拋光模型的重要方法之一。化學拋光方法主要有化學溶劑涂抹法、化學溶劑浸沒法和熏蒸法。涂抹法適合3D打印模型的層厚≤0.5 mm，表面固化時間4～6 h，完全固化時間為12～18 h的場合。化學拋光的主要優點是可以拋光復雜模型，效率高，能獲得較好的表面質量。化學拋光需要拋光溶劑，PLA打印模型可用三氯甲烷或二氯甲烷等有機溶劑，ABS打印模型可用丙酮等有機溶劑進行表面拋光處理。化學溶劑拋光，操作時有一定危險性，應嚴格按照使用方法和注意事項進行操作。

1.5 上色

通常使用丙烯顏料給模型上色。丙烯顏料可手涂上色和噴涂上色。自噴漆，即霧氣漆，通常由氣霧罐、氣霧閥、油漆、噴射劑和裝入氣霧罐內起到攪拌作用的攪拌球組成。上色前，徹底清除模型表面的油污和塵埃，模型要干燥，表面不得有水漬和汗漬，需戴橡膠手套拿取模型。噴涂時，應保持油漆罐正立且與水平面夾角不小于 45°，距物體表面約15～30 cm處，保持30～60 cm/s來回勻速噴漆，噴涂時油漆速度不能太慢，否則噴的太厚容易產生流掛現象。采用多次噴涂法，每隔5～10 min噴涂一次，直到效果滿意為止。

1.6 組裝

將遮蓋膠紙拆除，清點零部件的數量，把各零部件按照技術要求組裝起來。組裝時，有時需要用粘結劑將零部件粘合在一起。粘合常用的膠水有502膠、AB膠、熱熔膠、模型專用膠水等，通常宜采用低流動性的粘合劑，高流動的膠水容易滲透到模型表面，使模型表面留下痕跡，模型組裝完成后需仔細檢查，亦可對其進行功能檢驗。

2 結語

（1）對于黏結比較牢固的模型，需用手扶住固定打印平臺，防止平臺產生較大晃動，影響打印平臺精度；對于細小和多的模型，取件時動作要輕，速度要慢，避免對模型產生損壞。

（2）去除模型支撐時，應正確區分模型和支撐結構，去除支撐結構，保留模型結構的完整性。模型去除支撐過程中，需輕拿輕放，防止折斷、摔壞。使用工具去除支撐時，操作力度要適當，邊操作、邊檢查，保證模型表面清潔。

（3）打磨可去除零件毛坯上的各種毛刺、加工紋路，必要時對機加工時遺漏或無法加工的細節修補。化學溶劑拋光，操作時具有一定危險性，應嚴格按照使用方法和注意事項進行操作。

（4）化學拋光方法主要有化學溶劑涂抹法、化學溶劑浸沒法和熏蒸法。涂抹法適合3D打印模型的層厚≤0.5 mm，表面固化時間4～6 h，完全固化時間為12～18 h場合。

（5）后處理是模型轉換成產品的一個重要和關鍵環節，要做到工藝流程合理、有效，操作技術嫻熟、到位，在每個工藝流程都要有檢查反饋、糾錯措施。根據不同產品的結構特點和技術要求，制定相應的工藝流程，使模型達到最佳的后處理效果。