Поверхностная отделка 3D-печати: ключевые техники для качества деталей

Начнем с введения в концепцию поверхностной отделки 3D-печати. Простыми словами, это качественная мера шероховатости поверхности детали после печати. Очень гладкая поверхность считается «тонкой», а шероховатая — «плохой» отделкой.

Это критически важный этап в любом производственном процессе, поскольку для почти каждого продукта существуют строгие требования к качеству поверхности. Лист бумаги, например, не выполнит свою функцию, если он слишком грубый для письма, и не будет успешен на рынке.

Таким образом, достижение желаемой поверхностной отделки — приоритет для производителей 3D-печати. Часто это пост-обработка, включающая множество техник, которые будут обсуждены ниже.

Кроме того, отделка 3D-напечатанных деталей представляет уникальную сложность из-за присущих аддитивному производству качеств. Поскольку детали строятся слой за слоем, их поверхность состоит из повторяющегося узора гребней и впадин, которые нужно выровнять, сохраняя целостность детали.

Причины установки целей по отделке

Существует несколько причин для установки конкретных целей по поверхностной отделке 3D-печати. Они могут быть как эстетическими, так и функциональными. Ниже обобщенный список таких причин.

1. Эстетика

Хорошая поверхностная отделка добавляет эстетическую ценность детали. Сюда входят элементы внешнего вида: цвет, текстура и фактура (глянцевая/матовая).

2. Механические и химические свойства

Методы отделки могут улучшить характеристики 3D-напечатанных деталей. Металлические детали, например, можно покрыть покрытием для коррозионной стойкости и электрической проводимости. Некоторые методы придают устойчивость к высоким температурам и износу для деталей, предназначенных для тяжелых и требовательных применений.

3. Функциональность

Отдельные приложения требуют конкретной поверхностной отделки для правильной работы. Натяжное соединение, например, сильно зависит от качества поверхности сопрягаемых деталей. В других случаях шероховатая поверхность может быть предпочтительнее для увеличения площади поверхности для эффективного теплообмена.

4. Производственные допуски

Обработка поверхности в 3D-печати часто используется для вывода детали в пределы размерных допусков. Так, лишний материал может быть удален или добавлен для этой цели.

Факторы, влияющие на поверхностную отделку

3D-печать — сложный процесс со множеством вносящих вклад факторов и движущихся частей. Каждый из этих факторов влияет на поверхностную отделку по-своему. Инженер должен хорошо понимать это, чтобы знать, что подкрутить для получения желаемой отделки.

1. Процесс 3D-печати

Поверхностная отделка резко варьируется между разными технологиями 3D-печати. FDM, например, подвержен проблемам вроде низкого поверхностного разрешения и варпинга из-за своего процесса слоеного наложения. Порошковые методы вроде SLS дают зернистую отделку, так как детали сделаны из порошковых частиц.

2. Параметры 3D-принтера

Параметры печати играют значительную роль в финальной отделке. Например, чем меньше толщина слоя (или разрешение), тем гладче выглядит поверхность. Скорость печати, процесс отверждения и заполнение также важны для качества поверхности.

3. Материал 3D-печати

Материалы имеют разные свойства и совместимы с разными методами. Вариации в отделке могут быть вызваны ограничениями и свойствами материалов.

4. Качество 3D-принтера

Конструкция и состояние 3D-принтеров также влияют на отделку. Дешевые принтеры не могут производить детали с высоким качеством поверхности. Точно так же старый, плохо обслуживаемый принтер теряет точность со временем. Факторы: состояние рельсов и моторов, выравнивание рамы/базы, возможности контроллера, состояние источника питания и т.д.

Таблица ниже сравнивает возможности поверхностной отделки популярных процессов 3D-печати (Ra, мкм):

Процесс 3D-печати	Шероховатость поверхности (Ra)
FDM/FFF	10
SLD/DLP	3
SLS	13
PBF	15

Методы отделки 3D-напечатанных деталей

Эти техники значительно различаются по эффективности, затратам, требованиям к навыкам и общей методологии. Обсудим самые важные варианты ниже.

1. Шлифовка

Шлифовка — самый распространенный метод отделки 3D-печати. Это простой процесс, где абразивная наждачная бумага протирается по поверхности детали для сглаживания. Несовершенные особенности поверхности, такие как выступы и острые углы, либо сламываются, либо выпрямляются от трения в этом процессе.

Это очень удобная техника: интуитивная, дешевая, эффективная и работает на большинстве материалов. Наждачная бумага бывает разной зернистости. Крупные зерна удаляют больше материала, но оставляют более шероховатую поверхность. Обычно процесс начинается с крупных зерен и постепенно переходит к более мелким по мере сглаживания поверхности.

Однако нужно быть осторожным: легко удалить лишний материал и испортить деталь. Поэтому процесс затратен по времени и может не подходить для высокопроизводительных задач. Финальная отделка не блестяще-гладкая, а матовая. Для улучшения можно использовать полировальные ткани, сверхмелкую наждачку или покраску/покрытие.

2. Обработка резанием/шлифованием

Хотя 3D-печать и ЧПУ-обработку часто противопоставляют как конкурирующие технологии, есть направления, где они дополняют друг друга. Одно из таких гибридных применений — отделка 3D-напечатанных деталей.

Многие методы 3D-печати не способны достичь тонкой отделки вычитающих процессов вроде фрезерования и шлифования. Таким образом, цикл отделки фрезерованием/шлифованием очень распространен после 3D-печати. Он высокоэффективен для поддержания тугих допусков и исключительно гладких поверхностей. Более того, фрезерование — универсальный инструмент, полезный в труднодоступных зонах, вроде отверстий или изогнутых элементов. Совместимо с большинством материалов 3D-печати, как пластиковыми, так и металлическими.

3. Абразивная обработка микропеском/шаром

Обработка микропеском — еще один популярный абразивный метод отделки. Как следует из названия, она включает напор мелких пластиковых или стеклянных шариков на шероховатую поверхность. Удар выравнивает поверхностные несовершенства.

Это быстрый метод по сравнению со шлифовкой. Кроме того, шарики можно направить в труднодоступные элементы и сгладить внутренние поверхности, недоступные для ручной наждачки. Обычно начинают с низкого давления для оценки абразивной скорости. Это нужно, так как избыточное давление может удалить лишний материал или повредить поверхность. С правильным визуальным контролем и опытом оператор может увеличить давление для оптимизации отделки. Существуют также похожие процессы: песковая струйка, шаровая обработка, водяная струйка с незначительными различиями.

4. Наклепка/гальваническое покрытие

Гальваническое покрытие (электроплакирование) — процесс электрического нанесения тонкого металлического слоя на пластиковую или металлическую поверхность. Распространенная практика для отделки 3D-деталей из-за широких преимуществ и удобства.

В большинстве случаев гальваника улучшает материальные свойства детали. Пластиковые 3D-детали понятно слабы и склонны к поломке. Покрытие их подходящим металлом может повысить долговечность, износостойкость и дать способность выдерживать более высокие температуры. Для металлических деталей гальваника может придать коррозионную и окислительную стойкость, паяемость и электрическую проводимость. Помимо функциональных целей, гальваника служит отличным способом улучшить эстетику отделки. Металлические покрытия вроде золота, серебра и хрома добавляют превосходную эстетическую привлекательность.

5. Покраска

Покраска — прямой и хорошо понятный процесс. Она служит той же цели, что и везде: лучший внешний вид. С краской пользователи имеют выбор практически любого цвета и вида. Обычно покраске предшествует слой грунтика и шпаклевки. Это слегка сглаживает поверхность, заполняя зазоры и впадины и лучше готовя поверхность для слоя (или слоев) краски. Кроме того, покраска служит практической цели уплотнения до определенной степени. Хотя это не герметик в полном смысле, она может выступать в этой роли второстепенно. С проблемой пористости, распространенной в 3D-печати, это полезный эффект.

Какой метод отделки 3D-печати лучший?
Полностью зависит от приложения. У каждого метода свои плюсы и минусы, он подходит для конкретного класса продуктов. Если единственная забота — эстетика, покраска или покрытие — лучший вариант. Если продукт имеет функциональные нужды, например электрическую проводимость, можно рассмотреть подходящий материал для гальваники.

Есть ли у 3D-печати лучшая отделка, чем у ЧПУ?
В общем, ЧПУ-обработка выигрывает у 3D-печати по шероховатости. Однако с правильными техниками отделки и выбором принтера/метода этот разрыв можно значительно сократить.