綜述：激光拋光3D打印金屬部件（四）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

綜述：激光拋光3D打印金屬部件（一）：http://m.lhkhtyz.com/thread-147626-1-1.html
綜述：激光拋光3D打印金屬部件（二）：http://m.lhkhtyz.com/thread-147870-1-1.html
綜述：激光拋光3D打印金屬部件（三）：http://m.lhkhtyz.com/thread-147937-1-1.html

導讀：本綜述主要介紹激光拋光技術在3D打印CoCr基材料上的應用現(xiàn)狀。

Co-Cr合金廣泛的應用在可摘局部義齒行業(yè)中。在骨頭愈合的時候，Co-Cr合金，作為一種內(nèi)部的固定植入物，可以提供給骨頭斷裂手術中的臨時支架固定�，F(xiàn)如今，假牙和人工義齒的組成材料為Co-Cr合金，通常使用選擇性激光熔化（SLM）來制造，這也是一種常用的AM制造工藝。在當前，具有曲線的小型化的產(chǎn)品和或內(nèi)部結構是一類主要的應用在醫(yī)療和生物技術場合的產(chǎn)品。由于3D打印的金屬產(chǎn)品是凝固的金屬熔滴堆積形成的，熔滴堆積的3D打印技術的分辨率就取決于棱柱的縱橫比。3D打印的金屬制品的分辨率的范圍受限，大約在 1 mm，這是因為打印材料的性質(zhì)決定的。因此，增材制造的部件表面就不能滿足醫(yī)療場合中的應用需求。

激光拋光，具有選擇性的拋光非平面區(qū)域，已經(jīng)被用來嘗試提高金屬增材制造部件表面的粗糙度。該技術提供了可重復的、高速度的拋光工藝以及低的勞動成本，同傳統(tǒng)的機械拋光工藝相比較的話。盡管已經(jīng)有許多研究工作是關于激光拋光工藝的，但只有少數(shù)報道是聚焦在金屬部件的，尤其是LSM增材制造技術的應用上，其表面形貌顯著的不同的復雜的表面結構。采用激光拋光技術來減少Co-Cr合金部件的表面粗糙度，具有復雜的表面形貌，在使用層狀拋光技術的時候需要不斷的調(diào)整激光沿著部件的表面形貌進行焦距的調(diào)節(jié)。優(yōu)化的激光參數(shù)首先在CoCr合金的平面上進行實驗來獲得，然后在復雜的表面形貌的部件上基于這些參數(shù)進行實驗。激光拋光樣品的表征使用光學輪廓儀和掃描電鏡來進行，表明其表面粗糙度同沉積態(tài)的樣品相比較，會顯著的降低。其表面粗糙度的減少高達93%。顯微硬度測試表明，激光拋光后其表面硬度提高了8%。而且，一個簡單且有效的模型用來展示激光拋光SLM制造的CoCr合金時部件復雜表面。這一分析模型對理解和評估激光拋光后背后的機理非常有幫助。

▲圖1. 不同類型的復雜樣品的表面形貌圖：(a) 凸面；(b)凹形界面 ；(c) 斜面（slant surface）

▲圖2. 樣品的平面上的表面形貌和在激光拋光時在不同策略下拋光后的形貌：(a) 沉積態(tài)的表面, (b) 拋光表面：激光參數(shù): P = 40 W, v = 300 mm/s, H = 0.05 mm, (c) 拋光表面: P = 55 W, v = 300 mm/s, H = 0.02 mm和 (d) 拋光表面: P = 70 W, v = 300 mm/s, H = 0.03 mm

▲圖3. 水接觸角測量的示意圖

▲圖4. 樣品在具有復雜形貌的時候，在拋光之前和之后的表面形貌：(a)–(c)顯示的為沉積態(tài)表面粗糙度分別為凸面、凹面和斜面的時候的結果；（d-f）激光拋光之后的凸面、凹面和斜面的形貌圖

結果表明：CoCr合金在激光增材制造后的表面性能在激光拋光之后會得到提升；

目標的距離（焦距）和激光功率對表面粗糙度和潤濕性有影響；

在粗糙度為Ra 0.45 μm的疏水表面在激光離焦量為+6 mm和70 W的時候可以實現(xiàn)；

表面粗糙度和接觸角度的變化可以采用Wenzel 模型來解釋

激光拋光技術在處理3D打印部件的表面粗糙度這一塊吸引了人們的廣泛注意，這是因為該技術在牙科植入和珠寶首飾上具有十分巨大的潛在應用。有學者采用激光拋光技術對增材制造的CoCr合金表面面積為 3 × 3 mm2的區(qū)域進行了拋光處理，采用的激光為脈沖的方式，功率為70 W。激光拋光后的表面形貌、成分、表面粗糙度和接觸角采用掃描電鏡以及能譜儀（SEM/EDX），光學輪廓儀和接觸角測量儀分別進行了測量。結果顯示在Ar條件下，當中等流速為 6.0 l/min的時候，得到的為可行的保護氣體流速來防止CoCr發(fā)生氧化，而保證了氧化防止控制系統(tǒng)的精度。離焦量被發(fā)現(xiàn)是影響表面質(zhì)量的一個關鍵參數(shù)，提高的表面質(zhì)量 (Sa) ≤1 μm在離焦量 (Df) +6 mm的時候可以獲得。除了激光功率之外，其他參數(shù)也對激光拋光有影響，包括掃描速度、氣體流速、離焦量和掃描間距都有影響，均對拋光后的表面粗糙度和接觸角有影響。在一個疏水表面，接觸角隨著表面粗糙度的增加而增加，這是因為激光拋光的效果隨著離焦量的變化而變化。然而，接觸角在表面親水表面的粗糙度增加的時候會降低，在不同功率下CoCr的拋光結果也會變化。結果，激光拋光處理的CoCr看起來同Wenzel的狀態(tài)相似。

▲圖5. 不同的離焦量條件下激光拋光CoCr合金時的表面SEM照片：a + 8 mm, b + 6 mm, c + 4 mm, d + 2 mm, e 在焦平面上

▲圖6. 在不同的離焦量條件下激光拋光CoCr合金時的水滴圖：a + 8 mm, b + 6 mm, c + 4 mm, d + 2 mm, e焦平面上e

▲圖7. 在不同功率百分比輸出的時候激光拋光CoCr合金之后的表面SEM照片：a 40%, b 60%, c 80%, d 100%.

▲圖8. 在不同功率輸出時激光拋光CoCr合金之后的水滴狀態(tài)圖：a 40%, b 60%, c 80%, d 100%

在激光拋光增材制造的CoCr合金之后的表面進行了研究，基于實驗結果，在優(yōu)化的參數(shù)下對增材制造的CoCr合金材料進行激光拋光，得到的主要結果如下：

(1)激光拋光工藝可以使部件界面的光滑度提高和顯著的提高增材制造的表面質(zhì)量；

(2)增加焦距和激光功率會顯著的影響表面質(zhì)量，并且激光功率的變化不能反映出光斑焦平面的變化。

(3)采用Ar進行保護并在優(yōu)化的氣體流速的條件下進行拋光，可以提高部件的表面粗糙度和接觸角。

(4)表面粗糙度的變化和接觸角的變化可以采用Wenzel模型來進行解釋。

在不久的將來，我們在開展研究的時候，每一個具體的參數(shù)都會進行詳細的考量，不管是粗糙度還是潤濕性都會基于這些參數(shù)的相互作用來進行綜合研究。重點會放在一個五軸的激光拋光系統(tǒng)中來拋光增材制造的部件，該部件同時具有復雜的曲線表面�？紤]到激光拋光的重熔過程，需要更多的分析來基于冶金和相變變化來研究，如硬度、磁性和腐蝕阻力等。

未完待續(xù)。