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最后润色应用

粘合、密封和美化 3D 打印零件

对于几乎与注塑成型产品没有任何区别的原型、高级加工应用、以及外观和质感都非常出色的耐用型自定义设备,可以对 3D 打印零件应用某些简单的后期处理。

表面光滑处理机:提升潜在价值

综述

增材制造应用的范围十分广,并且仍在不断扩大。随着工艺和材料的不断进步,各行各业也将技术的使用范围从原型设计拓展到了实际生产。虽然应用多种多样,但它们却面对共同的困境,那就是关于美学质量和功能性的权衡。表面光洁度最好的增材制造技术产品与强度最高的那些技术有着很大区别。

几乎任何坚硬、耐用和强韧的零件都可以被精加工出可上色的光滑表面。但是,这样做的费用和时间成本可能非常高,或者对零件精度的影响无法被接受。因此,在过去,公司可能选择使用较脆弱的耐用度较低的替代方法来节省时间、降低成本并保留细节特征。

精加工原型、加工组件或最终用途零件可以通过几种方式完成,每种的交付周期、费用和质量都不尽相同。最常见的替代方式是手工或利用电动工具对零件进行打磨。整体来说,这效果很好,尤其是对尺寸合理并且细节特征很少的零件非常有用。但当零件包含较多特征、小型细节或较深的腔体时,打磨就会变得费时费力并且成本高昂。另一个要考虑的因素在于去除材料使得零件的尺寸精度会因为处理零件的个人不同而变化。

在各次打磨操作之间,零件可能还填充了填料或涂覆了底漆。在准备零件进行上漆时这是一种常见的技术,因为它可以让零件的表面光滑。填料和底漆还可以帮助保持尺寸精度,因为在打磨光滑之前,已经将凹陷填平。但这种已上漆的精加工成本较高。涂覆多层填料和底漆的涂层会花费很多时间,并且打磨这些涂层还要花费更多的人力。这会延长零件的交付周期并增加费用。

另一种对热塑塑料制成的零件进行平滑处理的方法是用溶剂“溶解”零件的外表面。可以将 MEK 或 ProWeld 刷涂到零件的外表面上,也可以将它们浸入这些材料的池中。溶剂会使塑料液化,将表面上凹陷的区域填平。溶剂还具有密封多孔表面的额外优点。但是也有一些缺点。较小的特征可能会变形;可能无法触及腔体;并且液滴会留下可见的印迹。另一个顾虑在于,如果需要等待溶剂从多孔表面内部深处蒸发,可能需要很长的干燥时间。

工业上尤其是直接数字制造 (DDM) 应用中需要的是这样一种精加工技术:可以最大程度地缩减交付周期和成本,同时可以提供坚固的功能性部件并保持较高精度以及脆弱的细节特征。

FDM 和平滑流程

现在有一种替代性的精加工方法可用于处理 FDM 零件。只需很少劳力以及较短的处理周期,表面光滑处理机就可以生产出具有可直接上漆、镀层或生产的表面的原型、工具和最终用途零件。表面光滑处理机可以提供 32-63 微米的表面光洁度。

平滑处理流程的成功让各公司重新评估 FDM 用于那些需要具有竞争力的技术的应用环境。在许多案例中,FDM 是首选的解决方案,但精加工零件的时间和费用却不适合应用。表面光滑处理机为这些公司提供 FDM 零件所具备的优势,同时还具有他们需要的光滑的表面光洁度。

表面光滑处理机由两个腔室组成:一个用于冷却和固化,一个用于平滑处理。零件首先被放置到冷却腔室中降低温度。然后它们被转移到平滑处理腔室,处理 10 - 30 秒。零件温度较低有助于平滑处理助剂在所有结构上均匀凝结。随之,它会在零件表面形成一个薄层,并将它们平滑处理成精细的表面。令其固化 15 - 20 分钟。轻轻打磨并根据需要重复流程。打磨并非必要流程,但可以获得最好的结果。根据需要重复流程,然后将零件放置在固化腔室中。零件会在 30 - 45 分钟内干燥到可以触摸的程度。为了获得最好的结果,零件应该固化 12 - 18 小时。

从表面光滑处理机中取出零件时,它们就拥有光洁的表面。如果需要哑光的表面,则在平滑处理流程后还需要进行喷砂处理机打磨(有时也称为喷砂机)。Stratasys 建议使用符合以下条件的喷砂处理机:喷嘴处的压力不大于 30psi 或 2.068 bar,尺寸不超过 1016 x 509 x 508 mm(40 x 22 x 22 英寸)。利用 Polyhard Type III 塑料珠介质来打磨表面(可在 www.ustechnology.com/ stratasys 订购),可以使零件获得均匀的缎面纹理,这与注塑模制零件非常类似。

该流程是一种温和的非接触式 FDM 零件精加工方法。这可以防止零件上较小的细节特征产生变形,或被错误地磨去。它还可以保持 FDM 零件的尺寸精度。

该结论经由德克萨斯大学厄尔巴索分校 (UTEP) 的 W.M. Keck Center for 3D Innovation 进行的研究得到确认。根据 Frank Medina(W.M. Keck 中心的主管)所说:“FDM 400mc 的精度为 +/- 0.005 英寸(+/- 0.013 mm)。平滑处理流程对零件的改变不超过 0.0009 英寸 (0.023 mm)。这使得我们可以得出结论,即在三次暴露后因平滑处理而导致的精度变化不明显。”在 UTEP 另一项独立的调查(由 David Espain、Frank Medina 和 Ryan Wicker 执行)中,团队确定尺寸精度基本不会受到暴露时间或暴露次数的影响。团队还确定了在将零件从平滑处理腔室中取出之后,1 小时 20 分钟已经足以使零件完全硬化。

表面光滑处理机重新将 FDM 成功引入那些表面纹理与功能性、交付周期和成本同样重要的应用中。一次普通的 FDM 零件浴可以在两小时内完成,为上漆做好准备,并且需要的人力不足 15 分钟。

应用

光滑处理机流程在现实世界应用中的示例包罗万象,从给市场营销样品喷漆到精加工商品的制造。自启用表面光滑处理机以来,Fortus 系统的应用又扩展到了一系列新的应用领域。通过平滑流程,公司将对 FDM 的使用扩展到那些既需要功能性也需要光滑表面的应用中。这些应用包括:1. 通过上漆或电镀来精加工母版零件;2. 加工母版;3. 密封零件以用于液体应用;4. 模具热成型;5. 熔模铸造。

上漆:

一家业内领先的汽车制造商估计,将前端格栅原型准备好以进行上漆需要花费三天以及 700 美元。在三天的过程中,工人要涂覆主体填料、打磨所有表面、喷涂底漆、重新打磨所有表面并在最上层用底漆涂层。而相比之下,同样的格栅只需要不到两小时就可以完成平滑处理并准备好上漆。平滑处理流程的总人力消耗仅为 ¾ 小时,耗材成本低于 10.00 美元。尽管在时间和费用上 90% 的节省幅度已经非常令人惊讶,但公司发现最大的好处在于构建时间的大大缩短。

为了将手工打磨格栅所需的时间缩到最短,汽车公司将以和汽车中的安装方向相同的方向来构建 FDM 零件。还将采用更小的片层厚度来构建零件。平滑则避免了这些耗时耗力的方式。通过用更厚的层构建格栅背面,公司将构建时间减少了一半以上。这减少了零件成本、加快了交付速度并增加了机器产量。更高的产量和更短的交付周期意味着更少地采用外包服务,又进一步降低了原型的费用,同时也将敏感的机密设计信息保留在组织内部。

一家领先的儿童玩具和婴儿用品制造商估计它全年制造的所有增材制造零件中有近一半需要上漆。为了将这些零件准备好以进行上色,它们需要经过打磨、填充、喷涂底漆涂层并再次进行打磨。该方法会使原型设计操作的交付周期延长,人力消耗增多并增加大量成本。

在一项评估中,公司比较了手工精加工方法和平滑处理流程在对婴儿座椅进行上漆准备方面的差异。结果发现交付周期和成本可以减少 80% 以上。平滑处理流程可以在两小时内完成,花费不超过 40 美元,而打磨和喷涂底漆需要六个小时的人力以及 250 美元以上的成本。

热成型:

一家食品包装制造商在其执行设计验证时使用 FDM 工具来进行热成型流程。FDM 工具的优点在于它可以构建多孔的产品,这可将整个零件抽真空。从而公司就可以在 FDM 工具构建完成后立即将其投入使用。但是,它并不将这些工具用于市场营销的样品,因为多孔的表面太过粗糙。

实验已证实平滑处理流程可令 FDM 模具同时适用于这两个用途。在设计验证之后,FDM 模具将接受平滑处理。所得的光洁表面非常适用于热成型的市场营销样品。通过平滑处理,公司现在可以在一天之内通过热成型生产设计模型和市场营销样品。

平滑处理的一个小限制在于它将零件的表面密封起来,而这正好掩盖了 FDM 热成型模具的一个优点。但是,公司发现在 FDM 零件表面的重要位置穿孔很容易。因为平滑处理仅穿透 0.010 英寸(0.25 mm),因此技术人员可以使用任何尖锐的工具在模具的表面打孔。

电镀:

电镀操作人员已经发现,平滑处理可以在一次操作中发挥两项基本作用。最终实现更快地交付、更低的花费和更高的品质。

在电镀流程之前,零件必须经过平滑处理和密封。在经镀层的零件上仍可以看到粗糙的表面,而多孔的特性使得电镀溶液得以渗入零件内部。平滑和密封零件的传统手工流程会延长交付周期和增加直接人力开销。它们还会导致零件质量和精度上的差异。

将零件通过手工打磨成适合于抛光的金属表面是一个非常耗时的流程。它还涉及到一些技术,可能导致零件质量产生差异。同样地,利用底漆密封零件可导致底漆和导电涂层的涂覆不均匀。替代方式是将零件浸入溶液中,但这可能会破坏较小的细节。浸润还需要较长的干燥周期,通常为一到两天。

相比之下,平滑处理保护了电镀零件上的小型特征和精细细节,同时保持了尺寸的统一。并且它还可以将直接人力成本和处理时间降至最低。在大多数情况下,零件都可以在两小时内准备好进行电镀。

铸造:

砂模铸造和熔模铸造工厂实施了 FDM 来加快模型制作和工具制造流程。缩短高质量铸模交付周期的另一个障碍是表面精加工。因为铸模的质量取决于模型的质量,或是在每个 FDM 零件中所投入的用于手动精加工表面的工具、时间和人力。

对于熔模铸造,手工精加工是一项需要反复进行的流程,因为 FDM 模型在每次金属铸造中都会消耗掉。除了对时间和成本的影响,手工处理模型还难以保持各个零件之间的尺寸统一性。平滑流程同时解决了上述这三个问题。在一个批次中,表面光滑处理机可以在一个小时以内处理多个 FDM 模型,同时仅需几分钟的直接人力消耗。此外,平滑操作对所有零件都是完全相同的,因此零件的表面质量和尺寸精度得以统一。

砂模铸造工厂使用 FDM 模型来制造芯盒、上砂箱、下砂箱以及分型板,它们将砂子包在一起以制作铸模工具。工厂还直接从 Fortus 系统中制作这些物品,从而消除了对模型的需求。不论是 FDM 模型还是 FDM 工具,平滑处理都将对直接人力的需求和交付生产级砂模铸造件的交付周期降至最低。

平滑处理的优点在制造复杂的砂模铸造件时尤为显著,比如齿轮箱或转向关节。一家工厂注意到,复杂零件可能需要许多砂芯 — 每一个都用一个不同的芯盒来制造 — 以重造内部的通道和腔体。要手工精加工这些芯盒可能需要很多天和难以计数的人力。通过采用平滑处理,相同的工作可以在很短的时间内完成,并且需要的直接人力也很少。工厂的底线是增加产量并缩短交付周期。

结论

许多公司正在认识到使用表面光滑处理机来精加工和密封 FDM 零件可以极大地缩短交付周期并降低费用。表面光滑处理机可于数小时内在任意复杂度以及包含任意数量细节特征的表面上创造出可准备好上漆的精加工效果,并且其需要的人力不足一小时,耗材价值只有 10.00 美元。

表面光滑处理机从本质上实现了 FDM 增材制造精加工流程的自动化。它消除了对零件进行打磨、填充和涂覆底漆所需的时间、劳力和费用,同时又可获得平滑的表面精加工 效果,用于生产零件、原型工具以及上漆样品。这样一来,表面光滑处理机还免去了在美学质量和产品功能性之间做出权衡的烦恼。

婴儿座椅


流程

交付周期

人力成本

耗材成本

手工打磨

1.5 天

USD $240

USD $15

平滑处理

2 小时

USD $30

USD $10

节省

83%

84%

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