综述：激光抛光3D打印金属部件（四）

来源：江苏激光联盟

综述：激光抛光3D打印金属部件（一）：https://www.nanjixiong.com/thread-147626-1-1.html
综述：激光抛光3D打印金属部件（二）：https://www.nanjixiong.com/thread-147870-1-1.html
综述：激光抛光3D打印金属部件（三）：https://www.nanjixiong.com/thread-147937-1-1.html

导读：本综述主要介绍激光抛光技术在3D打印CoCr基材料上的应用现状。

Co-Cr合金广泛的应用在可摘局部义齿行业中。在骨头愈合的时候，Co-Cr合金，作为一种内部的固定植入物，可以提供给骨头断裂手术中的临时支架固定。现如今，假牙和人工义齿的组成材料为Co-Cr合金，通常使用选择性激光熔化（SLM）来制造，这也是一种常用的AM制造工艺。在当前，具有曲线的小型化的产品和或内部结构是一类主要的应用在医疗和生物技术场合的产品。由于3D打印的金属产品是凝固的金属熔滴堆积形成的，熔滴堆积的3D打印技术的分辨率就取决于棱柱的纵横比。3D打印的金属制品的分辨率的范围受限，大约在 1 mm，这是因为打印材料的性质决定的。因此，增材制造的部件表面就不能满足医疗场合中的应用需求。

激光抛光，具有选择性的抛光非平面区域，已经被用来尝试提高金属增材制造部件表面的粗糙度。该技术提供了可重复的、高速度的抛光工艺以及低的劳动成本，同传统的机械抛光工艺相比较的话。尽管已经有许多研究工作是关于激光抛光工艺的，但只有少数报道是聚焦在金属部件的，尤其是LSM增材制造技术的应用上，其表面形貌显著的不同的复杂的表面结构。采用激光抛光技术来减少Co-Cr合金部件的表面粗糙度，具有复杂的表面形貌，在使用层状抛光技术的时候需要不断的调整激光沿着部件的表面形貌进行焦距的调节。优化的激光参数首先在CoCr合金的平面上进行实验来获得，然后在复杂的表面形貌的部件上基于这些参数进行实验。激光抛光样品的表征使用光学轮廓仪和扫描电镜来进行，表明其表面粗糙度同沉积态的样品相比较，会显著的降低。其表面粗糙度的减少高达93%。显微硬度测试表明，激光抛光后其表面硬度提高了8%。而且，一个简单且有效的模型用来展示激光抛光SLM制造的CoCr合金时部件复杂表面。这一分析模型对理解和评估激光抛光后背后的机理非常有帮助。

▲图1. 不同类型的复杂样品的表面形貌图：(a) 凸面；(b)凹形界面 ；(c) 斜面（slant surface）

▲图2. 样品的平面上的表面形貌和在激光抛光时在不同策略下抛光后的形貌：(a) 沉积态的表面, (b) 抛光表面：激光参数: P = 40 W, v = 300 mm/s, H = 0.05 mm, (c) 抛光表面: P = 55 W, v = 300 mm/s, H = 0.02 mm和 (d) 抛光表面: P = 70 W, v = 300 mm/s, H = 0.03 mm

▲图3. 水接触角测量的示意图

▲图4. 样品在具有复杂形貌的时候，在抛光之前和之后的表面形貌：(a)–(c)显示的为沉积态表面粗糙度分别为凸面、凹面和斜面的时候的结果；（d-f）激光抛光之后的凸面、凹面和斜面的形貌图

结果表明：CoCr合金在激光增材制造后的表面性能在激光抛光之后会得到提升；

目标的距离（焦距）和激光功率对表面粗糙度和润湿性有影响；

在粗糙度为Ra 0.45 μm的疏水表面在激光离焦量为+6 mm和70 W的时候可以实现；

表面粗糙度和接触角度的变化可以采用Wenzel 模型来解释

激光抛光技术在处理3D打印部件的表面粗糙度这一块吸引了人们的广泛注意，这是因为该技术在牙科植入和珠宝首饰上具有十分巨大的潜在应用。有学者采用激光抛光技术对增材制造的CoCr合金表面面积为 3 × 3 mm2的区域进行了抛光处理，采用的激光为脉冲的方式，功率为70 W。激光抛光后的表面形貌、成分、表面粗糙度和接触角采用扫描电镜以及能谱仪（SEM/EDX），光学轮廓仪和接触角测量仪分别进行了测量。结果显示在Ar条件下，当中等流速为 6.0 l/min的时候，得到的为可行的保护气体流速来防止CoCr发生氧化，而保证了氧化防止控制系统的精度。离焦量被发现是影响表面质量的一个关键参数，提高的表面质量 (Sa) ≤1 μm在离焦量 (Df) +6 mm的时候可以获得。除了激光功率之外，其他参数也对激光抛光有影响，包括扫描速度、气体流速、离焦量和扫描间距都有影响，均对抛光后的表面粗糙度和接触角有影响。在一个疏水表面，接触角随着表面粗糙度的增加而增加，这是因为激光抛光的效果随着离焦量的变化而变化。然而，接触角在表面亲水表面的粗糙度增加的时候会降低，在不同功率下CoCr的抛光结果也会变化。结果，激光抛光处理的CoCr看起来同Wenzel的状态相似。

▲图5. 不同的离焦量条件下激光抛光CoCr合金时的表面SEM照片：a + 8 mm, b + 6 mm, c + 4 mm, d + 2 mm, e 在焦平面上

▲图6. 在不同的离焦量条件下激光抛光CoCr合金时的水滴图：a + 8 mm, b + 6 mm, c + 4 mm, d + 2 mm, e焦平面上e

▲图7. 在不同功率百分比输出的时候激光抛光CoCr合金之后的表面SEM照片：a 40%, b 60%, c 80%, d 100%.

▲图8. 在不同功率输出时激光抛光CoCr合金之后的水滴状态图：a 40%, b 60%, c 80%, d 100%

在激光抛光增材制造的CoCr合金之后的表面进行了研究，基于实验结果，在优化的参数下对增材制造的CoCr合金材料进行激光抛光，得到的主要结果如下：

(1)激光抛光工艺可以使部件界面的光滑度提高和显著的提高增材制造的表面质量；

(2)增加焦距和激光功率会显著的影响表面质量，并且激光功率的变化不能反映出光斑焦平面的变化。

(3)采用Ar进行保护并在优化的气体流速的条件下进行抛光，可以提高部件的表面粗糙度和接触角。

(4)表面粗糙度的变化和接触角的变化可以采用Wenzel模型来进行解释。

在不久的将来，我们在开展研究的时候，每一个具体的参数都会进行详细的考量，不管是粗糙度还是润湿性都会基于这些参数的相互作用来进行综合研究。重点会放在一个五轴的激光抛光系统中来抛光增材制造的部件，该部件同时具有复杂的曲线表面。考虑到激光抛光的重熔过程，需要更多的分析来基于冶金和相变变化来研究，如硬度、磁性和腐蚀阻力等。

未完待续。