綜述：激光拋光3D打印金屬部件（一）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本綜述主要介紹激光拋光技術(shù)在LaserFormTM ST-100、鋼、鋁、Co-Cr合金、鎳基合金和鈦合金等表面的研究結(jié)果。重點在于表面完整性、機械性能和每一種材料的優(yōu)化的工藝參數(shù)。

全文摘要：
3D打印是一種新興的技術(shù)，同傳統(tǒng)的制造工藝相比較的話，用來制造復(fù)雜的金屬部件且只需要少量的時間即可完成。3D打印可直接依據(jù)CAD模型通過層層堆積的辦法來制造金屬功能部件。制造的金屬部件通常具有非常粗糙的表面，從而要采用后續(xù)加工來消除，以滿足金屬打印部件的最終需求。由于采用傳統(tǒng)的后續(xù)加工工藝存在耗時、需要高技能工人和自動化程度受到限制，造成傳統(tǒng)的后續(xù)加工工藝對自由成型部件的應(yīng)用受到極大的限制。激光拋光是一種產(chǎn)能高、無接觸和可以完全實現(xiàn)自動化的一種工藝，且可以使用3D打印的金屬部件表面實現(xiàn)自動化的一種工藝，且可以使3D打印的金屬部件表面獲得令人滿意的效果。在激光拋光時，當(dāng)物體表面被激光所輻照時，表面凸起的鋒頂會被熔化成薄層，然后在表面張力和重力的作用下重新分布在谷底中。激光拋光在拋光材料的能力上由于材料性能的變化而變化，如從高反材料鋁合金到高強度材料Inconel和鈦合金。在本文中，綜述了激光相互作用對采用3D打印技術(shù)制備的不同金屬部件的表面完整性和機械性能的變化進行了報道。同時，優(yōu)化的工藝參數(shù)，如激光功率、光束直徑、掃描速度以及掃描間距的 影響也進行了討論。

1. 引言
第一個增材制造或3D打印的技術(shù)是用來制造可視化的概念或原型，出現(xiàn)在1990年年代的中期。由于持續(xù)不斷的研究和改進完善，3D打印技術(shù)已經(jīng)從快速原型向快速制造轉(zhuǎn)變，這促進了一步法制造終端部件的應(yīng)用的含義實現(xiàn)。3D打印技術(shù)可以直接依據(jù)CAD模型制造金屬部件。在這些技術(shù)當(dāng)中，部件通過層層熔化和或材料的沉積來實現(xiàn)。在所有的金屬打印技術(shù)中，SLM技術(shù)由于具有自由成型且具有獨特的機械性能，如韌性和強度等，而非常吸引人們的注意。除了SLM、LMD或LENS也非常引人注意，這是因為該技術(shù)的柔性比SLM要好，不像SLM，在LMD中，材料的層層沉積來制造出部件，不管材料是如何使用的，金屬3D打印部件經(jīng)常具有粗糙的表面，這是因為層層堆積、制造工藝和粉末直徑等原因造成的。同時，3D打印部件是材料熔化和材料同步冷卻、相變是有可能由于材料中存在的元素和制造時的氣氛而發(fā)生。這一類型的化學(xué)相變無疑會影響部件表面完整性（即表面形貌及其表面冶金）。傳統(tǒng)的拋光技術(shù)，如手動拋光、噴砂、超聲拋光、電化學(xué)拋光、化學(xué)拋光等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年。這些傳統(tǒng)的工藝拋光技術(shù)存在的問題是拋光有些材料時存在困難、費時、對復(fù)雜形狀的適應(yīng)性差、自動化程度差等缺點。

激光技術(shù)，在許多工程領(lǐng)域中如拋光中，毫不例外的得到了應(yīng)用。激光拋光技術(shù)同傳統(tǒng)的拋光技術(shù)相比較，幾乎舍棄了所有的缺點。柔性好、無接觸、環(huán)境友好和幾乎可以完全自動化等優(yōu)點吸引了人們應(yīng)用這一技術(shù)來處理金屬打印部件的表面。3D打印的部件，如SLS、SLM、LMD、LENS等，可以制造出致密度幾乎為98-99%的部件來。但直到今天，仍然有很多場合應(yīng)用時存在即使是98%的致密度也不能滿足應(yīng)用，這是因為此時部件的疲勞強度低和易于發(fā)生斷裂。為了實現(xiàn)100%的致密度，研究人員采用了策略來再熔化每一沉積層。這一辦法增加了制造的部件的致密度，但同時也增加了制造的時間，但這是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)100%致密度部件的制造途徑。然而，這一再熔技術(shù)可以直接應(yīng)用于部件表面來提高表面質(zhì)量和降低表現(xiàn)粗糙度，并將這一技術(shù)稱之為激光表面重熔。激光表面重熔同時還被稱之為表面掃描、激光表面拋光和激光拋光等。

激光拋光的原理是表面薄層的重熔和快速凝固。在過去的幾十年里，激光表面拋光由于其本身能力的持續(xù)改進而得到持續(xù)的提高，從而可以實現(xiàn)金屬、陶瓷、聚合物等材料表面粗糙度的降低。不像傳統(tǒng)的表面拋光技術(shù)，激光拋光時使用熱能，通過熔化表面層材料而形成光滑的表面。在激光拋光時，精確的控制激光束直接輻照材料表面實現(xiàn)拋光。激光束的能量/強度進行控制以便剛好熔化表面的峰頂且熔化的材料剛好可以由于多個方向的表面張力和重力而造成均勻的分布在谷底。當(dāng)熔化的材料分布在谷底時，由此在激光拋光時就不存在材料的浪費。激光功率、光斑尺寸和掃描速度是獲得光滑表面的主要控制參數(shù)。激光表面拋光的示意圖見下圖1所示。

▲圖1. 激光表面拋光示意圖

取決于重熔層的深度，激光拋光存在兩個區(qū)域：表面窄熔化區(qū)(Surface shallow melting，SSM)和表面過熔化區(qū)域（Surface over melting，SOM）。在SSM區(qū)域，如上所示，峰頂熔化和填充谷底以減少表面的粗糙度。如果激光束的強度進一步的加強，熔化層的深度繼續(xù)增加。如果這一層的深度超過了谷底的深度，造成了SOM。在SOM中，低頻率和表面波的高幅度是有可能的這是因為巨大的熔池動力學(xué)和造成的表面較高粗糙度，同SSM相比較。在小幅的增加時存在一個優(yōu)化的激光能量值，它對形成不利的區(qū)域如SOM負(fù)責(zé)。研究表明激光拋光通常造成SSM和SOM的組合，但最終表面粗糙度取決于每一區(qū)域何種機制占據(jù)主導(dǎo)。激光拋光工藝是一個基于微觀層的熔化和熔化材料隨后的快速凝固造成的。受到影響的層深度取決于熔化的峰值的粗糙度，但它的深度必須超過谷底。因此，激光束的能量必須小心的控制來熔化這一微觀的層，見下圖2所示，為激光拋光的工藝示意圖。

▲圖2. 激光拋光工藝的示意圖

2. 當(dāng)前的激光拋光研究現(xiàn)狀
大量的關(guān)于金屬部件3D打印的激光拋光技術(shù)研究和應(yīng)用開始涌現(xiàn)，依據(jù)材料類型可以進行分類。研究人員使用LaserFormTM ST-100、鋼、鋁、Co-Cr合金、鎳基合金和鈦合金等用來研究拋光。表面完整性、機械性能和每一種材料的優(yōu)化的工藝參數(shù)在接下來的篇幅進行介紹。

2.1 激光拋光LaserForm TM ST-100

▲圖3. 上圖采用SLS技術(shù)制備的用于擬進行激光拋光測試的LaserForm ST-100©部件；下圖為激光拋光實驗的結(jié)果

采用SLS（selective laser sintering）工藝制造的3D打印樣品進行了激光拋光處理。其中SLS技術(shù)的一個缺點是其成形部件表面的粗糙度較差，部件必須進行拋光處理之后才能滿足應(yīng)用。拋光工藝在以前通常采用的是手工打磨的方式。然后，在這里，研究人員采用基于激光輻照的辦法對SLS制品進行了表面拋光。激光束熔化微觀的表面層，同時在保護氣體的條件下，熔化層進行凝固，造成光滑的表面。

▲圖4. 激光拋光 LaserForm ST-100©時的研究結(jié)果：左圖為SLS燒結(jié)部件的原始表面形貌圖；右圖為激光拋光之后的形貌圖

激光拋光實驗進行了線掃描、平面掃描處理和傾斜的表面三種情況下的處理，所有情況下均得到了滿意的結(jié)果。實驗是在SLS制備的部件上進行的，部件的表面粗糙度為7.5–7.8 μm Ra。測試的材料是商業(yè)上常用的占據(jù)主導(dǎo)地位的LaserForm ST-100©，其組成為燒結(jié)的不銹鋼和過濾的Cu，該合金主要應(yīng)用在諸如模具上。實驗結(jié)果表明激光拋光后其表面粗糙度低于1.49 μm Ra，這一數(shù)值比原始的粗糙表面降低了80.1%。最后，對測試的樣品的完整的分析和其冶金成分也進行了分析。考慮到材料是一種非均勻的結(jié)構(gòu)，拋光的材料表面呈現(xiàn)出比原始表面的硬度要高和更加均勻。因此，拋光的表面并不會出現(xiàn)熱影響區(qū)或裂紋，熱影響區(qū)和裂紋的存在會造成最終部件在使用的過程中出現(xiàn)失效。

▲圖5. 左圖為原始的表面形貌；右圖為激光表面拋光后的一種結(jié)果

▲圖6. SLS成形的LaserForm ST-100©在激光拋光線型區(qū)域時的橫截面的兩種結(jié)果

▲圖7. 3D test part built up by SLS in LaserForm ST-100©.用于在三個不同的方位進行激光拋光測試之后得到的激光，制造工藝為SLS，成形材料為LaserForm ST-100©

文章來源：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
參考文獻：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