工业级 3D 打印技术中的后处理工艺解析

一、引言

二、后处理工艺的目的与重要性

（一）提高零件的机械性能

1. 消除残余应力
   在 3D 打印过程中，由于材料的快速熔化和凝固、温度梯度的变化以及复杂的热历史，零件内部会产生残余应力。这些残余应力可能导致零件变形、开裂或降低其疲劳寿命。后处理工艺中的热处理可以通过对零件进行加热和冷却的控制，使材料内部的晶体结构重新排列，从而消除或减少残余应力。例如，对于金属 3D 打印零件，通过适当的退火处理，可以改善零件的力学性能和尺寸稳定性。

2. 增强材料性能
   一些后处理工艺可以增强 3D 打印零件的材料性能。例如，通过热等静压（HIP）处理，可以使金属零件内部的孔隙闭合，提高材料的致密度和强度。对于高分子材料，通过交联处理可以增加材料的硬度和耐磨性。这些后处理方法可以将 3D 打印零件的材料性能提升到满足工业应用要求的水平。

（二）改善零件的表面质量

1. 去除表面粗糙度
   3D 打印零件在打印完成后，其表面通常会存在一定的粗糙度，这可能是由于打印层厚、材料凝固特性或打印工艺本身的限制造成的。后处理工艺中的机械打磨、抛光等方法可以有效降低表面粗糙度，使零件表面更加光滑。例如，在制造精密模具时，需要对 3D 打印的模具表面进行精细打磨和抛光，以满足模具对表面质量的要求，从而保证模具脱模的顺畅和塑料制品的质量。

2. 修复表面缺陷
   在打印过程中，零件可能会出现一些表面缺陷，如气孔、裂纹或材料堆积等。后处理工艺可以通过填补、修复这些缺陷来提高零件的质量。对于金属零件表面的气孔，可以采用焊接、钎焊等方法进行修复；对于高分子材料表面的裂纹，可以使用合适的填充材料进行修补。

（三）满足特定的工业标准和要求

1. 尺寸精度调整
   工业应用对零件的尺寸精度有严格要求。尽管 3D 打印技术在精度控制方面有了很大进步，但在一些情况下，仍然需要后处理工艺来调整零件的尺寸。例如，通过机械加工（如铣削、车削等）对 3D 打印零件的关键尺寸进行精确调整，使其符合设计图纸的尺寸公差要求。这种尺寸精度调整对于航空航天、汽车等领域的高精度零件制造至关重要。

2. 满足特殊环境要求
   在某些特殊工业环境下，零件需要满足特定的性能要求。如在高温、腐蚀或强辐射环境中工作的零件，后处理工艺可以通过涂覆特殊涂层来提高零件的耐高温、耐腐蚀或抗辐射能力。这些涂层可以通过化学镀、物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法施加到 3D 打印零件上。

三、常见的后处理工艺类型及方法

（一）热处理

1. 退火
   退火是一种常用的热处理方法，用于消除金属 3D 打印零件中的残余应力、细化晶粒和改善材料的韧性。在退火过程中，零件被缓慢加热到适当的温度范围，然后保持一段时间，再缓慢冷却。不同的金属材料有不同的退火温度和时间要求，需要根据材料的种类和零件的具体情况进行选择。例如，对于铝合金 3D 打印零件，退火温度一般在 300℃ - 500℃之间，具体温度取决于合金成分。

2. 淬火和回火
   淬火可以提高金属材料的硬度和强度，但淬火过程中会产生较大的内应力，容易导致零件变形或开裂。因此，淬火后通常需要进行回火处理，以消除内应力并调整材料的硬度和韧性之间的平衡。例如，在制造刀具等需要高硬度的金属 3D 打印零件时，淬火和回火工艺的合理应用可以使刀具具有良好的切削性能和使用寿命。