CN103524770A - 一种3d打印产品表面抛光方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印产品表面抛光处理的方法以及所需要的装置。具体是指将3D打印产品置于特殊设计的装置中，利用能溶解该产品的溶剂作为化学抛光剂，加热溶剂产生蒸汽，利用蒸汽进行相关产品表面的抛光处理。与现有技术相比，本发明采用蒸汽刻蚀技术，制备工艺简单，抛光效率高，而且溶剂可回收，不污染环境，是一种绿色高效的抛光技术。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印产品表面抛光方法及其装置。
背景技术
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用塑料、金属和石膏等可粘合材料，通过逐层堆积的方式来构造物体的技术。该项技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有广泛的应用。然而，由于3D打印机打出的产品每一层的厚度高达100微米，在层与层堆积的过程中，沿截面厚度方向（即Z方向）往往很粗糙，制约了其在对表面质量有较高要求领域中的应用。
为了提高3D打印产品的光洁度和光亮度，需要使用抛光设备和抛光材料对产品进行表面精细加工。传统抛光工艺是利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对产品表面进行修饰加工，如中国专利CN 1303654C等。这种单纯靠机械力作用的抛光方式往往导致加工时间长、设备损耗率高和表面质量差等问题，因而应用的越来越少。取而代之的是通过机械、化学协同作用的抛光方式，其原理主要是利用化学物质的润滑和腐蚀作用，得到更适合机械抛光的表面，如中国专利CN1331636C和CN 100532484C等。但是利用机械接触式抛光的方法都会不同程度地造成材料的表面破坏，形成微裂纹，也无法避免表层掩盖下的亚表面损伤。同时，产品在经过机械接触式抛光后，表面往往存在难以清洗的残留物，所有这些都会最终影响产品的力学性能和使用寿命。同时，此类加工方法也不适合对具有凹凸结构的产品进行抛光。
为了避免机械接触式抛光的固有缺陷，中国专利CN 100462199C提出了一种常压等离子体抛光方法，利用常压等离子体中的高密度高能活性粒子与材料表面发生物理、化学作用，实现高效、原子级的材料去除。但是该方法需要特殊的等离子体发生设备，而且主要针对碳化硅等硬脆性难加工材料，应用面比较窄。中国专利CN 1142322C提出了一种不锈钢化学抛光的方法，主要是利用盐类物质取代强腐蚀性的酸类，对不锈钢表面进行化学刻蚀，改善了工作环境。但是该法直接将不锈钢浸入化学溶剂中，不但不好控制抛光的程度，而且随着抛光次数的增多，抛光效果会越来越差。
发明内容
本发明的目的是针对3D打印制品形状的特殊性：多凸台、多曲面和多内嵌结构，无法利用常规的机械接触式方法对其进行抛光处理的问题，提供了一种利用溶剂蒸气浅层刻蚀产品的表面，以获得光亮、平整表面的加工方法。这一技术主要是针对一些在有机溶剂中具有一定溶解性的原材料打印出的产品。
本发明的目的可以通过以下方案来实现：将能溶解该产品的溶剂倒入可加热容器中，再将需要抛光的物体放到该容器内部支架上方的托盘中，安装好冷凝管，最后将该容器置于加热设备上加热至溶剂的沸点，利用溶剂蒸汽对制品的表面进行刻蚀，实现抛光的效果。具体的内容如下:
所述的3D打印产品的原材料选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龙（PA）、聚己内酯（PCL）、聚烷酸脂（PHA）、聚丁二酸丁二脂（PBS）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚甲醛（POM）、聚氯乙烯（PVC）。
所述的溶剂选自丙酮、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、N’N-二甲基甲酰胺和甲酸的单组份或者多组分混合溶剂。加入溶剂后，溶剂液面高度须低于托盘2-3cm。
所述的3D打印产品表面抛光装置包括冷凝管、接口、可加热容器、托盘和支架，其连接关系为：冷凝管通过下部磨口与接口上部磨口连接，接口下部磨口与可加热容器上部磨口连接，托盘置于可加热容器内部，其下方有支架支撑。
所述的可加热容器的材质选自玻璃或陶瓷，而且容器壁是透明的，实验过程中可随时观察物体的抛光情况。
所述的接口是直角形状的，当蒸汽接触接口壁而冷凝下来的溶剂液滴可直接回收利用。
所述的托盘上有小孔，防止冷凝的液滴在托盘上汇聚。
所述的托盘直径小于容器的内径，防止托盘接触容器壁，冷却的蒸汽液滴直接滴到托盘上。
所述的支架可进一步设计成能够平面旋转的支架。
本发明的实施方式与现有技术相比具有如下优点：本方法对产品的外形、结构无要求，可以实现大尺寸产品的抛光处理，抛光装置的拆卸和安装都很方便、操作简单，抛光效率高，溶剂可回收，是一种绿色无污染的抛光方法。
尽管以上说明本发明的应用对象是3D打印产品，但是本发明也可以应用于其它塑料产品的表面抛光处理。
附图说明
图1：为本发明3D打印产品表面抛光技术装置示意图。
图2：为本发明3D打印产品表面抛光技术装置中的托盘示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细说明：
附图1是本发明3D打印产品表面抛光技术的装置，依次包括：1、冷凝管；2、接口；3、可加热容器；4、托盘；5、支架。
如附图2所示，托盘上有很多小孔，有效防止了溶剂在托盘上的汇积。
以下结合实施例进一步阐述本发明，但是不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
将用ABS树脂为原材料打印出的正方体放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量丙酮溶液，丙酮溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在56℃，保持1min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。经检测，使用该方法抛光的正方体表面光滑、无气泡，表面粗糙度达到Ra 0.005，加工误差小于0.1μm。
对比例1
将用ABS树脂为原材料打印出的正方体利用抛光膏和抛光布配合的机械式方法抛光30min。经检测，使用该方法抛光的正方体表面光洁度较低，表面粗糙度为Ra 0.05，加工误差约5μm。
实施例2
将用PCL树脂为原材料打印出的圆柱体放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量氯仿和丙酮混合溶液（体积比为1:1），混合溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在61℃，保持2 min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。经检测，使用该方法抛光的正方体表面光滑、无气泡，表面粗糙度达到Ra 0.005，加工误差小于0.1μm。
对比例2
将用PCL树脂为原材料打印出的圆柱体浸入含有氯仿和丙酮混合溶液（体积比为1:1）的烧杯里进行化学抛光，采用溶剂对样品表面凹凸不平区域和划痕进行选择性溶解2 min。经检测，使用该方法抛光的圆柱体表面较为光滑，表面粗糙度为Ra 0.01，加工误差约1mm。
实施例3
将用PLA为原材料打印出的圆柱体放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量氯仿溶液，氯仿溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在61℃，保持1min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。
实施例4
将用PBS为原材料打印出的长方体体放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量氯仿和丙酮的混合溶液（体积比2:1），溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在61℃，保持2min，停止加热，冷却至室温，待样品表面溶剂挥发完全后，取出即可。
实施例5
将用PC为原材料打印出的零件放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量二氯甲烷溶液，溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在40℃，保持1min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。
实施例6
将用PVC树脂为原材料打印出的圆柱体放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量四氢呋喃溶液，溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在65℃，保持1min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。
实施例7
将用PA为原材料打印出的零件放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量甲酸和丙酮混合溶液（体积比2:1），溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在56℃，保持5min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。
实施例8
将用POM为原材料打印出的零件放到托盘上，将托盘放入可加热容器中，倒入适量N’N -二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶液（体积比2:1），溶液液面应低于托盘2-3cm，依次将直角形三角接口和冷凝管安装上，通冷凝水，装置安装完成后，水浴加热，控制温度在65℃，保持5min，停止加热，冷却至室温，待样品表面的溶剂挥发完全后，取出即可。
Claims (8)
1.一种3D打印产品表面抛光方法，包括如下步骤：将能溶解该产品的溶剂倒入可加热容器中，再将需要抛光的物体放到该容器内部支架上方的托盘中，安装好冷凝管，最后将该容器置于加热设备上加热至溶剂的沸点，利用溶剂蒸汽对制品表面进行刻蚀，实现抛光的效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述3D打印产品的原材料选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚乳酸、尼龙、聚己内酯、聚烷酸脂、聚丁二酸丁二脂、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛或聚氯乙烯。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述溶剂选自丙酮、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、N’N-二甲基甲酰胺和甲酸的单组份或者多组分混合溶剂。
4.一种3D打印产品表面抛光装置，包括冷凝管、接口、可加热容器、托盘和支架，冷凝管通过下部磨口与接口上部磨口连接，接口下部磨口与可加热容器上部磨口连接，托盘置于可加热容器内部，其下方有支架支撑。
5.根据权利要求4 所述的装置，其特征在于：可加热容器的材质选自玻璃或陶瓷，而且容器壁是透明的，实验过程中可随时观察物体的抛光情况。
6.根据权利要求4 所述的装置，其特征在于：接口是直角形状的，当蒸汽接触接口壁而冷凝下来的溶剂液滴可直接回收利用。
7.根据权利要求4 所述的装置，其特征在于：托盘上有小孔，防止冷凝的液滴在托盘上汇聚，托盘直径小于容器的内径，防止托盘接触容器壁。
8.根据权利要求4 所述的装置，其特征在于：支架可进一步设计成能够平面旋转的支架。
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