3D 列印的後處理製程
■高速 3D 列印研究中心 / 錢啟文
前言
本文主要是介紹積層製造之後處理技術，不論是金屬或塑膠材料的列印成品，雖然能完成大致上的外型，但在表面粗糙度與平滑度上，仍然有改善空間。由於積層製造的製程是以層層堆疊的方式來塑形，所以層厚將會影響列印的精細度，但是就算每層厚度再薄，表面還是會有些微凹凸不平，無法完全平滑，所以需要進行後處理來改善其表面粗糙度，除此之外還有機械性質的改善，使積層製造的後處理更多樣且重要。
去除支撐
在積層製造列印後常需要移除支撐材，對於擠製成型技術可以將支撐材分為可溶與不可溶兩種材料，可溶性為可溶於水或特定化學溶劑的材料，如 PVA 和HIPS，可使支撐材溶解於溶劑中，僅留下主體建構的零件；不可溶性材料如 PLA、ABS、Nylon 和 PC，此類支撐材常用手動工具（尖嘴鉗和美工刀等）或水切割器去除，圖 1 為去除支撐材前後之差異。對於材料噴印成型去除支撐材，可依照支撐材料的不同，例如蠟支撐材，會利用烘箱在一定溫度下將蠟燒融以去除支撐。
此外在移除支撐材的技術上有 PostProcessTechnologies 公司所開發的 SVC 技術，這項技術是利用渦流產生可控制的泵做動以移除支撐材，超聲波在不同頻率下吸收聲波以在洗滌劑中產生壓縮和膨脹，使每個零件都能漂浮在洗滌劑中，確保其均勻暴露於洗滌劑與超聲波產生的氣流中，作動方式如圖 2所示。而此技術的要素有洗滌劑、渦流泵方案和可變超聲波 AUTOMAT3D ™軟體。圖 3 為 PostProcess 公司使用 SVC 技術所開發之設備 DEMI。
表面光滑處理
BLAST ™製程
以 AMT 公司運用 BLAST ™製程，是一種平滑熱塑性聚合物表面的自動化後處理解決方案，使用自行研發的醫療有機無毒溶劑，將其加熱成蒸汽對列印件進行處理，運作原理如圖 4 所示，將溶劑加熱成蒸氣後運送至處理腔室中，待處理完成後，再送至回收溶劑槽中，腔室溫度為 70° C，處理時間約 120 分鐘內完成。圖 5為 AMT 公司開發之設備 PostPro3D，適用於多種塑膠材料，圖 6 為列印件處理前後之差異，可觀察出圖右處理後零件表面光滑許多，表 1 為後處理前後表面粗糙度與機械性質的改變，處理後表面粗糙度由 6.56μm減少至平均 1.15μm，斷裂伸長率增加約 248%。
懸浮旋轉力 (SRF) 技術
PostProcess Technologies 公司運用自行研發的懸浮旋轉力 (SRF) 技術，為一種以振盪產生水平或垂直圓周運動，由複合材料、磨料和流體混合物組成的腔室，保持最佳振福、最大化停留時間和平衡其重力以保持零件的安全，作動方式如圖 7 所示，圖 8 為PostProcess 公司所開發之設備 Rador，適用於所有金屬與塑膠的列印製程。圖 9 為使用 Rador 機臺後處理前後的表面 SEM 圖，可看出圖右的表面平滑許多，圖 10 為使用 Rador 機臺後處理隨著時間增加，表面粗糙度可改善約 6-10μm 的粗糙度。
消除應力
積層製造後處理除上述介紹的去除支撐與表面光滑處理外，還有消除應力，因零件在逐層列印時，不均勻的加熱和冷卻會產生內部應力，導致零件翹曲甚至破裂，所以必須在烘箱或真空爐中進行熱處理以消除應力，如圖 11 所示，而塑膠材料熱處理溫度通常在玻璃轉換溫度與熔點間，可使內部晶體結構重新組織，形成更大的晶粒，以改善零件機械性質，圖 12為零件在各溫度下進行熱處理拉伸強度的變化，可看到 PLA、PETG、ASA 和 ABS 幾種材料在退火溫度100° C 開始明顯的增加拉伸強度，有效改善機械性質。金屬材料列印的成品經過熱處理（熱等靜壓 HIP）可以去除殘留的內部微孔，如圖 13 所示將金屬列印件放於真空爐中熱處理，使列印成品達到更高的密度，以改善零件的微觀結構和機械性質。而熱處理可能會影響零件的尺寸，因此通常會在熱處理後進行機械精加工來修改尺寸，如圖 14 所示。
結語
上述所介紹的為三種常見的積層製造後處理需求，分別是支撐材的移除、表面光滑處理，以及應力消除，除了我們常見的處理方式外，各公司也研發出自家的後處理技術， 如 AMT 和 PostProcess Technologies等公司，運用物理和化學的方法來完成支撐材的移除與零件表面的光滑處理，使後處理技術更加完整且成熟，然而如果能在表面處理之外，也改善列印零件的機械性質，達到更好的強度，將能使後處理技術有更大的發展。■
參考資料
［1］標題圖引自 https://www.3dnatives.com/en/optimise-postprocessing-3d-printing-expert-advice-220820195/#!
［2］https://www.postprocess.com/wp-content/uploads/2018/04/Blog-Images-3-FIX-01.png
［3］https://www.postprocess.com/2019/08/the-buildingblocks-of-svc-technology/
［4］https://www.postprocess.com/product/demi-supportremoval/
［5］https://3dprintingindustry.com/news/additivemanufacturing-technologies-four-pillars-ofsustainability-159204/
［6］https://www.youtube.com/watch?v=URuPZ80JEPA&feature=emb_title
［7］https://www.nanjixiong.com/thread-138491-1-1.html
［8］https://www.postprocess.com/wp-content/uploads/2020/02/White-Paper-Eliminating-Manual-SurfaceFinish-MJF-3D-Printing-Solutions-2020.pdf
［9］https://www.postprocess.com/product/rador-surfacefinishing/
［10］https://blog.prusaprinters.org/how-to-improve-your-3dprints-with-annealing_31088/
［11］https://www.industrialheating.com/articles/94448-vacuum-heat-treating-of-3d-printed-components
［12］https://www.additivemanufacturing.media/blog/post/postprocessing-steps-and-costs-for-metal-3d-printing
