综述:激光抛光3D打印金属部件(一)

3D打印科研前沿
2021
06/07
09:40
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来源:江苏激光联盟

导读:本综述主要介绍激光抛光技术在LaserFormTM ST-100、钢、铝、Co-Cr合金、镍基合金和钛合金等表面的研究结果。重点在于表面完整性、机械性能和每一种材料的优化的工艺参数。

全文摘要:
3D打印是一种新兴的技术,同传统的制造工艺相比较的话,用来制造复杂的金属部件且只需要少量的时间即可完成。3D打印可直接依据CAD模型通过层层堆积的办法来制造金属功能部件。制造的金属部件通常具有非常粗糙的表面,从而要采用后续加工来消除,以满足金属打印部件的最终需求。由于采用传统的后续加工工艺存在耗时、需要高技能工人和自动化程度受到限制,造成传统的后续加工工艺对自由成型部件的应用受到极大的限制。激光抛光是一种产能高、无接触和可以完全实现自动化的一种工艺,且可以使用3D打印的金属部件表面实现自动化的一种工艺,且可以使3D打印的金属部件表面获得令人满意的效果。在激光抛光时,当物体表面被激光所辐照时,表面凸起的锋顶会被熔化成薄层,然后在表面张力和重力的作用下重新分布在谷底中。激光抛光在抛光材料的能力上由于材料性能的变化而变化,如从高反材料铝合金到高强度材料Inconel和钛合金。在本文中,综述了激光相互作用对采用3D打印技术制备的不同金属部件的表面完整性和机械性能的变化进行了报道。同时,优化的工艺参数,如激光功率、光束直径、扫描速度以及扫描间距的 影响也进行了讨论。

1. 引言
第一个增材制造或3D打印的技术是用来制造可视化的概念或原型,出现在1990年年代的中期。由于持续不断的研究和改进完善,3D打印技术已经从快速原型向快速制造转变,这促进了一步法制造终端部件的应用的含义实现。3D打印技术可以直接依据CAD模型制造金属部件。在这些技术当中,部件通过层层熔化和或材料的沉积来实现。在所有的金属打印技术中,SLM技术由于具有自由成型且具有独特的机械性能,如韧性和强度等,而非常吸引人们的注意。除了SLM、LMD或LENS也非常引人注意,这是因为该技术的柔性比SLM要好,不像SLM,在LMD中,材料的层层沉积来制造出部件,不管材料是如何使用的,金属3D打印部件经常具有粗糙的表面,这是因为层层堆积、制造工艺和粉末直径等原因造成的。同时,3D打印部件是材料熔化和材料同步冷却、相变是有可能由于材料中存在的元素和制造时的气氛而发生。这一类型的化学相变无疑会影响部件表面完整性(即表面形貌及其表面冶金)。传统的抛光技术,如手动抛光、喷砂、超声抛光、电化学抛光、化学抛光等技术已经应用多年。这些传统的工艺抛光技术存在的问题是抛光有些材料时存在困难、费时、对复杂形状的适应性差、自动化程度差等缺点。

激光技术,在许多工程领域中如抛光中,毫不例外的得到了应用。激光抛光技术同传统的抛光技术相比较,几乎舍弃了所有的缺点。柔性好、无接触、环境友好和几乎可以完全自动化等优点吸引了人们应用这一技术来处理金属打印部件的表面。3D打印的部件,如SLS、SLM、LMD、LENS等,可以制造出致密度几乎为98-99%的部件来。但直到今天,仍然有很多场合应用时存在即使是98%的致密度也不能满足应用,这是因为此时部件的疲劳强度低和易于发生断裂。为了实现100%的致密度,研究人员采用了策略来再熔化每一沉积层。这一办法增加了制造的部件的致密度,但同时也增加了制造的时间,但这是目前唯一能够实现100%致密度部件的制造途径。然而,这一再熔技术可以直接应用于部件表面来提高表面质量和降低表现粗糙度,并将这一技术称之为激光表面重熔。激光表面重熔同时还被称之为表面扫描、激光表面抛光和激光抛光等。

激光抛光的原理是表面薄层的重熔和快速凝固。在过去的几十年里,激光表面抛光由于其本身能力的持续改进而得到持续的提高,从而可以实现金属、陶瓷、聚合物等材料表面粗糙度的降低。不像传统的表面抛光技术,激光抛光时使用热能,通过熔化表面层材料而形成光滑的表面。在激光抛光时,精确的控制激光束直接辐照材料表面实现抛光。激光束的能量/强度进行控制以便刚好熔化表面的峰顶且熔化的材料刚好可以由于多个方向的表面张力和重力而造成均匀的分布在谷底。当熔化的材料分布在谷底时,由此在激光抛光时就不存在材料的浪费。激光功率、光斑尺寸和扫描速度是获得光滑表面的主要控制参数。激光表面抛光的示意图见下图1所示。
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▲图1. 激光表面抛光示意图

取决于重熔层的深度,激光抛光存在两个区域:表面窄熔化区(Surface shallow melting,SSM)和表面过熔化区域(Surface over melting,SOM)。在SSM区域,如上所示,峰顶熔化和填充谷底以减少表面的粗糙度。如果激光束的强度进一步的加强,熔化层的深度继续增加。如果这一层的深度超过了谷底的深度,造成了SOM。在SOM中,低频率和表面波的高幅度是有可能的这是因为巨大的熔池动力学和造成的表面较高粗糙度,同SSM相比较。在小幅的增加时存在一个优化的激光能量值,它对形成不利的区域如SOM负责。研究表明激光抛光通常造成SSM和SOM的组合,但最终表面粗糙度取决于每一区域何种机制占据主导。激光抛光工艺是一个基于微观层的熔化和熔化材料随后的快速凝固造成的。受到影响的层深度取决于熔化的峰值的粗糙度,但它的深度必须超过谷底。因此,激光束的能量必须小心的控制来熔化这一微观的层,见下图2所示,为激光抛光的工艺示意图。

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▲图2. 激光抛光工艺的示意图

2. 当前的激光抛光研究现状
大量的关于金属部件3D打印的激光抛光技术研究和应用开始涌现,依据材料类型可以进行分类。研究人员使用LaserFormTM ST-100、钢、铝、Co-Cr合金、镍基合金和钛合金等用来研究抛光。表面完整性、机械性能和每一种材料的优化的工艺参数在接下来的篇幅进行介绍。

2.1 激光抛光LaserForm TM ST-100
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▲图3. 上图采用SLS技术制备的用于拟进行激光抛光测试的LaserForm ST-100©部件;下图为激光抛光实验的结果

采用SLS(selective laser sintering)工艺制造的3D打印样品进行了激光抛光处理。其中SLS技术的一个缺点是其成形部件表面的粗糙度较差,部件必须进行抛光处理之后才能满足应用。抛光工艺在以前通常采用的是手工打磨的方式。然后,在这里,研究人员采用基于激光辐照的办法对SLS制品进行了表面抛光。激光束熔化微观的表面层,同时在保护气体的条件下,熔化层进行凝固,造成光滑的表面。

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▲图4. 激光抛光 LaserForm ST-100©时的研究结果:左图为SLS烧结部件的原始表面形貌图;右图为激光抛光之后的形貌图

激光抛光实验进行了线扫描、平面扫描处理和倾斜的表面三种情况下的处理,所有情况下均得到了满意的结果。实验是在SLS制备的部件上进行的,部件的表面粗糙度为7.5–7.8 μm Ra。测试的材料是商业上常用的占据主导地位的LaserForm ST-100©,其组成为烧结的不锈钢和过滤的Cu,该合金主要应用在诸如模具上。实验结果表明激光抛光后其表面粗糙度低于1.49 μm Ra,这一数值比原始的粗糙表面降低了80.1%。最后,对测试的样品的完整的分析和其冶金成分也进行了分析。考虑到材料是一种非均匀的结构,抛光的材料表面呈现出比原始表面的硬度要高和更加均匀。因此,抛光的表面并不会出现热影响区或裂纹,热影响区和裂纹的存在会造成最终部件在使用的过程中出现失效。

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▲图5. 左图为原始的表面形貌;右图为激光表面抛光后的一种结果

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▲图6. SLS成形的LaserForm ST-100©在激光抛光线型区域时的横截面的两种结果

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▲图7. 3D test part built up by SLS in LaserForm ST-100©.用于在三个不同的方位进行激光抛光测试之后得到的激光,制造工艺为SLS,成形材料为LaserForm ST-100©


文章来源:Laser polishing of 3D printed metallic components: A review on surface integrity
https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.443,Materialstoday Proceedings,Volume 26, Part 2, 2020, Pages 2047-2054
参考文献:International Journal of Machine Tools and Manufacture,Volume 47, Issues 12–13, October 2007, Pages 2040-205,Laser polishing of parts built up by selective laser sintering,https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2007.01.013


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