3D打印产品表面粗糙度解决方案你了解有多少?

3D打印资讯
2022
08/10
09:27
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来源:霍尔榜

增材制造技术在各领域都具有非常广泛的应用前景,但是坏在它的粗糙度非常的高,10~50微米的粗糙度根本没办法满足高端装备对组件表面品质的要求,它的实际应用还是很受限制,对于增材制造产品来讲,它要走上实用之路,进行合理的表面精整处理肯定是势在必行的。2022年8月2日“增材制造复杂金属构件表面精整的卡脖子点及案例解析“主题直播中,学习到了目前适用于增材制造产品表面精整的解决方案,也了解到了目前精整行业内的公认技术难题亟待攻克。那么,3D打印产品表面粗糙度解决方案你了解有多少?

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△3D打印多孔结构的骨植入物

霍尔榜:激光精整技术它的激光跟SLM激光有什么差异?
南京尚吉增材制造研究院:激光抛光、激光刻蚀,还有SLM都属于激光加工技术。我觉得它们原理上并没有特别大的区别,差异主要在于能量的大小。做SLM的时候,就需要足够的能量熔化粉末再进行结晶,生成我们所要的形状。但是做激光抛光的话,它需要的能量是比较低的,可能会需要多道扫描来实现平滑化。

霍尔榜:仿形性抛光,针对不同材料都有哪些材料验证过了?
南京尚吉增材制造研究院:仿形性抛光技术,其实它的范围已经很广了,像我们讲的磨粒流、气液固三相,电解质等离子体,它们都是仿形性抛光。已经经过验证的材料当然是很多种,对于气液固这种主要靠物理力来进行作用的,只要不是超硬材料,其它的材料种类都应该是可以的。

对于磨粒流加工也类似,都主要靠机械力,所以它对于材料种类适用性很广,只要硬度不是过高,应该都可以加工的。可能唯一要判断的是电解质等离子体抛光,它必须要在特定的溶液体系中才能够进行。对于电解质等离子体这块,目前研究最为成功的案例是不锈钢,不锈钢之后,最近两年也开始陆续出现了钛合金、高温合金、铜合金,还有银的处理。

霍尔榜:仿形性抛光的往下侵蚀抛光速率大概能达到什么水平?
南京尚吉增材制造研究院:这个问题其实是要分处理的技术种类的,像等离子体抛光,它的抛光去除速率是可以根据工艺和时间来进行调的,根据需要来设定去除速率和去除量。

气液固这边,它因为去除速率比较慢,所以一般去除效果是比较少的,可以作为光亮处理。

磨粒流的话,它就是一个比较大作用力的处理方式,去除速率和去除量都会比较大,这个要结合具体工件的需求和工艺来进行分析。

霍尔榜:电解质等离子抛光可以对零件抛光的同时进行减重吗?对零件质量会减少多少?
南京尚吉增材制造研究院:电解质等离子体抛光跟我们自己开发的技术差不多,都是利用气团爆破的能量来进行剥离的,就相当于有很多的微炸弹在爆炸,打到工件表面肯定是能去除表面金属的。至于剥离量或者减重多少,需要根据客户需求进行工艺和时间的调整。

霍尔榜:钨有合适的电解质吗?
南京尚吉增材制造研究院:钨目前是一个很难处理的问题,因为钨本身金属的物理性能太稳定了,化学性能也太稳定,所以很难处理。我前面也试过一些,可以有抛光效果。但是我觉得它在反应的过程中,可能会生成一些毒害性的东西,后来就没有再继续测试了。

霍尔榜:镜面级加工是什么标准,有哪些水平分级?
南京尚吉增材制造研究院:说到镜面级,我们在跟客户沟通过程中,客户经常会问我们能不能帮他加工到镜面级,我们就要进一步追问他的镜面等级是要到哪个等级?大概粗糙度范围是多少?客户通常又不知道了。所以,关于镜面等级我有必要跟大家讲一下,不管哪种成型或加工方式,都会在工件表面留下一些刀痕或者起伏的现象,这就是所谓的表面粗糙度,过去也叫做表面光洁度。像我们一般车床的话,大概做到3.2微米的比较多,做到1.6微米的已经是很高的车工水准了。

当然,这个1.6跟我们讲的镜面抛光是没有关系的。当粗糙度大小到0.8微米层次的时候,就可以较清晰的倒映出物品的影像,我们认为是初步获得了镜面加工的效果。所以镜面入门认为是0.8微米,0.8微米基本上是车不出来的,通常要上磨床了。

比较清晰的镜面加工水准,粗糙度大概是0.3~0.4微米,当粗糙度降低到0.1微米以后,就已经进入到高品质的镜面加工阶段,比如像0.1它是一个暗光泽的镜面,0.05通常称为亮光泽的镜面效果,0.025就是达到了镜状的光泽面效果,0.012和0.006基本上是比较高标准的镜面标准,也是很难达到的了。

霍尔榜:钛合金等离子抛光会有变色问题吗?
南京尚吉增材制造研究院:我所了解到的钛合金等离子体抛光应该是有这样的问题。因钛合金它特别容易氧化,它对温度特别敏感,而等离子体抛光是需要温度来进行启动的,所以钛合金变色的问题是没有办法避免的。但是它的变色,肯定跟普通做氧化处理得到氧化皮是不一样的,是可以轻松除去的。

霍尔榜:内腔精整能提供一些思路吗?
南京尚吉增材制造研究院:对于内腔体比较大,可以用接触式抛光方式。腔体比较小的,接触式不方便进出,不方便流动的就不适合。普通的内腔,像比较直一些的,或者说变径不是那么大的,磨粒流还是一个比较成熟、比较好的解决方式。如果内腔或者内流道特别复杂,用磨粒流会发生局部变形、过抛这一类的,就能用这个技术了。当然,PPT汇报中提到的一些柔性加工技术,像一些低毒性的化学抛光技术,或者低粘度的磨粒抛光技术,我觉得也应该是有效的,我们也正在进行这方面的探索。

霍尔榜:磨粒流到底能不能比较多的去材料,然后对粗糙度的提高是什么级别?比如说是从6.3提高到多少?0.8能提高到吗?
南京尚吉增材制造研究院:可以的,磨粒流这项技术,大家可以理解成橡皮泥包裹着硬质颗粒,在产品表面进行表面摩擦进行去除的,把磨料换成不同粒径的,就可以实现不同粗糙度的加工效果。磨粒流是可以做到镜面效果的,但是中间可能需要换多道的磨料、多次调整工艺。

霍尔榜:有格栅结构的钛合金零件表面抛光有什么建议的抛光技术吗?
南京尚吉增材制造研究院:格栅结构我目前认为,流体抛光是它的唯一选择,其它的抛光技术都不适合它。

霍尔榜:影响抛光成本的因素主要有哪些?
南京尚吉增材制造研究院:这个就比较多了。首先,抛光成本就必须涉及到抛光工艺的选择,第一个比较重要的就是,产品的起始粗糙度和目标粗糙度,这两者之间的差异决定了处理制程的类型和长短。比如说,要选择哪些工艺组合,会得到什么样的效果,这些跟成本是正相关的。

第二个是产品的尺寸、表面积大小。就是尺寸表面积越大的,需要处理的时间就越久,耗材也越多,成本也就会越多,这些大家都是可以理解的。另外一个就是产品的结构特征,结构越复杂的处理难度越高,对工艺要求也比较高一些,成本也就越高。比如相互遮挡的窄缝,曲面、尖锐角或者含孔流道这些,就可能需要特殊的技术进行分段处理,相对的成本肯定是高的。

另外一个就是产品材质,材料不同,它的物理化学性质不同,像硬度、易氧化性、生锈这些新性质都是不同的。像钛合金,它就非常容易发生自然氧化,也容易发生加工硬化,它的机加工,这些传统加工的难度都很高。对它进行化学或电化学加工的难度也比其它金属要高,没有其它技术成熟,所以钛合金的综合加工成本也是比较高的。

霍尔榜:不同的表面处理方式对材料的性能都会产生什么样的影响?
南京尚吉增材制造研究院:我觉得主要取决于材料表面,所接受到的作用力的类型,和加工以后材料表面的完整性来决定的。比如像机加工、磨粒流这一类作用力是机械摩擦力的,加工后的产品表面,不可避免的会存在一些微裂纹和残余硬力,会对工件的质量和使用寿命有一定的影响。比如像产品有应力残留发生了加工硬化,它的硬度可能会有所提升。

另外一类像化学、电化学腐蚀类的,它可能会有一些腐蚀痕迹,会影响产品的强度,也可能会存在一些氧化膜,比如像不锈钢在进行电化学抛光的时候会形成一个富络膜,这个膜可以对产品的耐蚀性会有一定的影响。等离子体抛光技术,因它主要是靠工件表面紧密覆盖的 高能粒团的持续轰击产品表面的各个部分工作的,因此它做出来的产品表面基本上是没有损伤的,也没有杂质残留和应力残留的现象,所以它加工产品的强度变化是不会很明显的。但是硬度可能会略微的降低,这种均匀的打击处理方式,会在一定程度上解除了加工硬化的效果,对硬度可能会有一定的影响,我们尚吉开发的精整技术也有类似的特性。

霍尔榜:工件抛光目前整个抛光技术能抛光最大的面积能有多大?
南京尚吉增材制造研究院:我觉得这个问题可能需要看一下您的要求,再选择抛光技术。因为有些技术它是适用于大尺寸工件的抛光,有些技术并不适用于大尺寸工件的抛光,要根据您的需求具体选择一下技术,再详细地看待这个问题。

霍尔榜:给大家一个关于流道的高精度的抛光案例,让大家也学习一下
南京尚吉增材制造研究院:可能比较著名的流道就是模具了,之前有很多朋友来咨询,对于模具,它内部的要求肯定是镜面级的,起始等级应该要做到0.06左右,高的可能会到0.01的水准,是一个非常高的镜面水准。

像电解抛光、流体抛光这些抛光方法,因为它很难精准控制零件的几何精度,对模具可能是不太适用的。化学和超声波、磁流体抛光这一类的方法,它的表面质量可能达不到粗糙度等级的要求。所以目前对于模具领域还是以机械抛光为主,一般抛光的流程是先用粗的油石,对模具的型腔表面进行一道粗打磨,粗打磨的目的主要是要去除加工的刀痕,然后再使用下一等级的油石,去打磨掉上一等级粗的油石的加工印迹。等把这些加工印迹逐级去除掉之后,再用细的砂纸,对它的表面进行打磨,最后还要使用像抛光膏、研磨膏这类的,对型腔表面进行进一步的精整处理,从而达到光亮如镜的加工效果。
当然也有部分模具局部,是可以使用超声波抛光来进行增亮,这样的处理效率比较高一些,行业内有人在用,但是普及率还是不高,主要还是以机械人工为主。

霍尔榜:目前南京尚吉的抛光技术都达到什么样的技术水平了?
南京尚吉增材制造研究院:我们南京尚吉抛光技术,是根据行业内多种抛光技术的特点,融合了电场和流场抛光的特点而自行研发的。我们最低的粗糙度水准可以达到0.1微米,能够达到较好的镜面级加工效果。而且加工是均匀性的加工,因为电场和流场之间可以相互影响,就可以在均匀性方面做比较多的工作。

另外,对于我们技术加工产品的形状精度也是比较高的,去除速率我们是可以通过工艺进行控制,产品的尺寸公差可以做到±20微米。同时,我们加工出来的产品也是没有应力,没有裂纹,没有加工硬化层的,对原始材料性能几乎没有影响。另外一点,我们使用的试剂都是环保型水溶性的,不会有残留,产品表面也是非常干净的。




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