Если вы когда-либо работали с 3D-печатью, вы знаете, что даже самый точный цифровой дизайн может превратиться в деталь, полную крошечных выступов, линий слоев и дефектов, когда она выходит из принтера. Как поставщик деталей моделей для 3D-печати, который работал с сотнями клиентов — от групп робототехники до дизайнеров медицинского оборудования — я потратил годы на устранение проблем с гладкой поверхностью, и позвольте мне сказать вам: речь идет не только о настройке параметров принтера. Чтобы получить безупречную, гладкую отделку, требуется сочетание продуманной подготовки, правильных материалов и последующей обработки, соответствующей цели вашей детали. Печатаете ли вы металл, пластик или нестандартные компоненты, существуют последовательные, научно обоснованные шаги, которые превращают грубый прототип в деталь, которая выглядит и работает как готовый продукт.
Во-первых, давайте начнем с основы: выбора правильного процесса печати и материалов. Многие новички выбирают принтеры FDM, потому что они доступны по цене, но послойная экструзия FDM по своей природе склонна к появлению заметных выступов, особенно на изогнутых поверхностях. Вот почему я рекомендую нашим клиентам присмотреться к таким процессам, как SLA (стереолитография) или SLS (селективное лазерное спекание), чтобы получить более гладкие базовые поверхности, в зависимости от их потребностей. Для металлических деталей наша служба 3D-печати SLA использует алюминий и нержавеющую сталь, которые производят детали с гораздо меньшим количеством линий начального слоя, чем FDM, благодаря точности УФ-отверждения или лазерного плавления. Если вам нужны пластиковые детали, наша линия пластиковых деталей для 3D-печати предназначена для минимизации неровностей поверхности сразу после печатной платформы, с гладкими, однородными слоями, которые требуют меньше работы после печати. Для медицинских деталей мы используем 3D-печать SLA для медицинских деталей, которые соответствуют строгим стандартам биосовместимости, а гладкая поверхность смолы уже идеальна для применений, которые должны вступать в контакт с кожей или внутренней средой. Даже для нестандартных функциональных деталей нейлоновые детали, напечатанные SLS 3D, имеют естественную гладкую поверхность по сравнению с FDM, и во многих случаях нет необходимости в очистке линий слоев. Выбор правильного процесса для материала и функции вашей детали — это первый неоспоримый шаг: если его пропустить, постобработка станет намного сложнее и менее эффективной.
Далее, точная калибровка принтера и настроек является ключом к уменьшению дефектов поверхности в источнике. Многие люди упускают из виду, что небольшие повседневные проблемы с калибровкой приводят к неровным поверхностям. Давайте разберемся: во-первых, выравнивание сопла и станины. В случае FDM сопло, расположенное слишком близко к слою, сжимает слишком много нити, что приводит к вздутиям и неровным слоям, а сопло, расположенное слишком далеко, приводит к появлению промежутков между слоями, которые отображаются в виде линий. Для принтеров SLA высота слоя смолы является критически важной настройкой: более тонкие слои (например, 0,02 мм вместо 0,1 мм) означают меньшие шаги между слоями, поэтому выступы практически невидимы невооруженным глазом. Но есть одна загвоздка: более тонкие слои увеличивают время печати, поэтому вам придется сбалансировать скорость и качество отделки. Еще один параметр, который часто упускают из виду, — это скорость печати. Слишком быстрая печать означает, что экструдеру или лазеру не хватает времени для равномерного нанесения или отверждения материала, что приводит к образованию пробелов, пятен и неровных участков. Для SLA мы рекомендуем скорость 20–30 мм в секунду для большинства деталей; для SLS скорость 15–25 мм/с обеспечивает равномерные и гладкие слои. Температура также играет роль: для FDM слишком холодное сопло приводит к неправильному плавлению нити, что приводит к образованию комковатых слоев, а для смолы SLA слишком теплая смола может затвердевать неравномерно, что приводит к образованию липких или шероховатых поверхностей. Я всегда советую новым клиентам сначала выполнить печать небольшого калибровочного куба — измерить его размеры и проверить поверхность на наличие линий — чтобы настроить эти параметры перед печатью окончательной детали. Это дополнительные 30 минут работы, но это экономит часы последующей обработки.
После того, как ваша деталь напечатана, наступает этап постобработки, на котором вы действительно превращаете шероховатую поверхность в гладкую, и этот шаг зависит от того, какой материал вы использовали. Начнем с наиболее распространенных процессов, которые мы используем в нашем магазине:
Для деталей из смолы SLA первым шагом является промывка и отверждение. После печати вам необходимо удалить излишки неотвержденной смолы — для этого мы используем изопропиловый спирт (IPA) и выполняем двухэтапную промывку: сначала 10-минутное замачивание, затем 5-минутное ополаскивание свежим IPA, чтобы удалить все остатки смолы. Если вы пропустите этот шаг, оставшаяся смола застынет неравномерно, оставив липкую и шероховатую поверхность. После промывки деталь попадает в камеру УФ-отверждения. Важно правильно выбрать время отверждения: если его слишком мало, деталь станет мягкой и склонной к царапинам, если слишком большая, она может стать хрупкой или получить матовую, пыльную поверхность. Мы используем 10-минутное отверждение при длине волны 405 нм, что дает твердую, стабильную основу, готовую к разглаживанию. Для деталей SLS первым шагом является обеспыливание — удаление излишков нейлонового порошка, прилипшего к поверхности. Мы используем комбинацию струйной обработки воздухом и галтовки с наполнителем, чтобы сбить рассыпчатый порошок, а затем с помощью тонкого вакуума проникаем в щели. Детали из нейлона SLS могут иметь слегка пористую поверхность, если их не очистить должным образом, поэтому этот шаг очень важен перед сглаживанием.
Для металлических деталей после печати на нашем сервисе 3D-печати металлом SLA первым шагом является удаление опорной конструкции: металлические опоры привариваются к детали, поэтому мы используем комбинацию точной механической обработки и шлифовки, чтобы снять их, не оставляя царапин. Затем мы проводим термообработку для снятия внутренних напряжений, которые могут привести к короблению детали и созданию неровных поверхностей. Как только это будет сделано, этапы сглаживания становятся более интенсивными: комбинация дробеструйной обработки (с использованием мелких стеклянных шариков для равномерного травления поверхности, удаления мелких линий слоя) и затем мелкозернистой шлифовки с последующей полировкой полировальным кругом и составом. Для медицинских деталей, которым требуется очень гладкая, непористая поверхность, мы также выполняем этап химической полировки, при котором используется мягкий раствор кислоты, который плавит самый верхний слой металла, заполняя любые крошечные зазоры и оставляя зеркальную поверхность.
Кроме того, существуют специальные методы сглаживания деталей, которые должны хорошо выглядеть и хорошо функционировать. Для нестандартных деталей, таких как наш специальный корпус роботизированной руки для гуманоидных и ловких роботов, поверхность должна быть достаточно гладкой, чтобы ее можно было перемещать, не зацепляясь, а также выглядеть чистой для презентаций клиентам. Для этого мы пропускаем более агрессивную шлифовку и дробеструйную очистку и используем паровую сглаживание. Сглаживание паром происходит путем воздействия на пластиковую деталь (например, ABS или ASA, распространенную для корпусов роботов) парам растворителя, которые плавят верхний слой пластика, заполняя все линии слоев и мелкие дефекты. В результате получается идеально гладкая, блестящая поверхность, шлифовка не требуется. Ключевым моментом здесь является контроль времени выдержки: слишком длинное — деталь может деформироваться, слишком короткое — не получится должным образом сгладить. Мы используем закрытую камеру, которая позволяет нам контролировать температуру и концентрацию пара, поэтому каждая деталь получает стабильные результаты. Для деталей, которые должны быть матовыми, а не глянцевыми, мы можем отрегулировать время испарения или использовать этап дробеструйной обработки после сглаживания паром, чтобы создать мягкую, ровную текстуру, которая по-прежнему будет гладкой на ощупь.
Еще один фактор, который многие люди не принимают во внимание, — это конструкция опорной конструкции. Опоры необходимы для удержания выступов и деталей сложной геометрии во время печати, но если они расположены неправильно или сконструированы с использованием слишком большого количества материала, при удалении они оставляют следы на поверхности детали. Например, большая опора на изогнутой поверхности оставит большую вмятину, которую вам придется шлифовать часами. Поэтому в нашем магазине дизайнеры тесно сотрудничают с клиентами, чтобы размещать опоры только там, где они необходимы, и использовать отрывные опоры (вместо растворимых, в зависимости от материала), которые оставляют минимум следов. Для свесов с крутизной более 45 градусов мы проектируем тонкие, редкие опоры, которые легко снять с помощью прецизионных плоскогубцев, практически не оставляя следов. Для деталей с деликатными деталями, такими как небольшие петли или отверстия, мы используем специальные опорные каркасы, которые защищают детали от повреждений во время печати, поэтому вам не придется шлифовать сломанные края.
Контроль качества — это последний шаг, который гарантирует, что ваша гладкая поверхность останется гладкой даже после использования детали. Многие клиенты думают, что сглаживание — это одноразовый шаг, но на деталях, которые подвергаются использованию (например, корпуса роботов, которые трутся, или медицинские детали, которые дезинфицируются), со временем могут появиться крошечные царапины. Мы проверяем каждую деталь на прочность поверхности: детали роботов мы тестируем на истирание мягкой тканью, чтобы убедиться, что поверхность не царапается; Что касается медицинских деталей, мы проверяем устойчивость к обычным дезинфицирующим средствам, чтобы убедиться, что гладкая поверхность не покрыта ямками. Мы также используем профилометр поверхности в нашем магазине для измерения значения шероховатости (Ra) каждой детали — наш стандарт для гладких деталей составляет Ra < 1,6 микрометра, что настолько гладко, что едва можно почувствовать линии слоев, и намного более гладкое, чем большинство готовых деталей, напечатанных на 3D-принтере.
На протяжении многих лет я видел, как клиенты испытывают трудности с гладкостью поверхности по разным причинам: они выбирают неправильный материал, пропускают калибровку или срезают углы при постобработке. Хорошая новость в том, что все это поправимо при правильном подходе. Независимо от того, печатаете ли вы индивидуальный корпус роботизированной руки для своей команды по робототехнике, пластиковую деталь для потребительского продукта или металлический компонент для медицинского устройства, начните с правильного процесса (например, с нашей услуги по 3D-печати металлических деталей SLA из алюминия и нержавеющей стали или нашей 3D-печати SLA для линии медицинских деталей), правильной калибровки принтера и использования целевой постобработки, чтобы получить идеальную гладкую поверхность, которая вам нужна.
Если вы готовы выйти за рамки грубых 3D-печатных прототипов и получить нестандартные детали с гладкой отделкой, необходимой вашему проекту, наша команда всегда готова вам помочь. Мы работаем с клиентами из разных отраслей, от небольших стартапов до крупных производственных компаний, чтобы поставлять детали, отвечающие как функциональным, так и эстетическим требованиям. Обратитесь к нашей команде, чтобы обсудить ваш проект, будь то простая пластиковая деталь, сложная металлическая деталь или индивидуальный корпус для роботизированного устройства. Мы проведем вас через каждый этап, от проектирования до последующей обработки, чтобы убедиться, что вы получите нужные вам гладкие и высококачественные детали.
Ссылки
- Гибсон И., Розен Д.В. и Стакер Б. (2015). Технологии аддитивного производства: 3D-печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. Спрингер.
- Кампо, Э. (2020). Наука о отделке поверхности при 3D-печати. Индустрия 3D-печати.
- Калпакджян С. и Шмид С.Р. (2019). Процессы производства инженерных материалов. Пирсон.
- Гриффит, М.Л. и др. (2014). Обработка поверхности в аддитивном производстве: обзор. Журнал производственных наук и техники.
