科普：金属3D打印后处理步骤详解

当3D打印金属零件完成打印后，只需将其从机器中拉出就可以开始使用，对吗？差远了。

金属3D打印 (AM) 部件本质上是“焊接”到构建板上的，我们需要借助切割工具将其拿下来。除此之外，3D打印的部件在准备好使用之前仍需要系列后处理步骤。以下是与金属3D打印后处理零件相关的方法和大家分享。

图 1. 构建完成后，金属3D打印零件被埋入粉末床中（来源：宾夕法尼亚州立大学 CIMP-3D）       

粉末去除：随着新层被添加到顶部，3D打印部件在粉末床融合系统中“向下”构建，这意味着部件在完成后被埋在粉末中。在构建完成并且零件/构建板冷却后，机器操作员必须从构建工作台中移除所有粉末并筛分/过滤/回收以供以后使用。这是打印完的第一步操作，只需要人工成本，花些时间。

应力消除：随着零件逐层构建，金属的加热和冷却会导致内部应力，在将零件从构建板上移除之前，必须消除内部应力。否则，零件可能会翘曲甚至破裂。消除零件的应力需要一个足够大以适合整个构建板的烤箱或熔炉。许多人建议使用具有惰性环境的烘箱，以尽量减少零件表面的氧化。事实上大家更喜欢真空炉，但是它的成本要高得多。

图 2. 使用带锯从构建板上移除金属3D打印零件（来源：Wesley Hart，Imperial Machine & Tool Co.）                

移除零件：大多数公司使用电火花线切割从构建板上移除零件，这可能需要几个小时，具体取决于零件的数量和尺寸。但是许多机械车间开始使用带锯，因为它速度更快，效率更高，往往可以在几分钟内完成任务。请记住，铬镍铁合金等材料在加工时会发生应变硬化，因此很难仅用带锯将它们从构建板上移除。

热处理： 热处理可以有效改善零件的微观结构和机械性能，几乎对所有3D打印金属零件都是必需的。在许多情况下，此步骤还需要一个能够调节温度和冷却时间的环境控制炉。热处理可能会影响零件的尺寸，因此大多情况下是在加工/完成零件之前对零件进行热处理。

热等静压： 许多航空航天公司开始使用热等静压（HIP）代替热处理，这在铸造行业中经常使用，以提高铸件的疲劳寿命。HIP系统的成本远高于熔炉/烤箱，并且由于其运行时的高压（100 兆帕或更高）而具有自己的安全措施。如果对零件进行了热等静压，通常不需要再对其进行热处理。

图 3. 加工金属3D打印零件以满足公差要求（来源：Christian Joest，Imperial Machine & Tool Co.）

机加工： 需要对配合面、表面、螺纹、支撑结构等进行机加工，以确保成品零件的尺寸精度。很少有3D打印零件符合“预期”的规格，这就需要后期的加工来保证模型的尺寸精度。但建立加工基准可能很棘手，特别是对于使用3D打印制造的复杂、有机形状的零件。进入需要加工的内部通道或冷却通道也会增加成本，往往还需要特指的夹具。

表面处理： 还可能需要进行表面处理以提高零件的表面光洁度/质量、降低表面粗糙度、清洁内部通道或去除零件上部分未熔化的颗粒。表面粗糙度对零件的静态力学性能影响最大，关系到零件的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度等。可采取机加工、化学腐蚀和喷丸等方式，但在一定程度上损伤了零件本身。

检验和测试： 在后处理之后，可能需要在后处理过程中的多个点使用白光/蓝光扫描、染料渗透检测、超声波检测、计算机断层扫描 (CT) 扫描等进行计量、检测和无损检测。还可能需要对样品部件进行破坏性测试并分析试样（例如拉伸棒）、粉末化学、材料微观结构等，以收集数据以帮助进行工艺鉴定并最终进行部件认证。如果具有内部通道、晶格结构和其他内部增强功能的3D打印零件可能还需要CT扫描以确保通道畅通、内部几何形状评估等。

事实上，金属3D打印比我们所想象的更加复杂，相对于树脂或者塑料打印来说，它需要更多的后处理工艺来辅助完成，才能得到最终理想的成品零件。