MRL:過(guò)電位電化學(xué)拋光對(duì)金屬打印部件進(jìn)行高效表面精密拋光

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：新加披的學(xué)者發(fā)展了一種稱之為過(guò)電位的電化學(xué)拋光技術(shù)，高度有效的該表面拋光技術(shù)來(lái)拋光復(fù)雜形狀且粗糙的３D打印金屬部件的表面，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)３D打印部件的機(jī)械性能和功能的改善。


金屬選區(qū)激光熔化（SLM）３D打印技術(shù)制備的金屬部件的表面粗糙度比較大，從而限制了該技術(shù)更為廣泛的應(yīng)用。來(lái)自新加披和哈工大的學(xué)者發(fā)展了一種過(guò)電位拋光技術(shù)來(lái)有效的對(duì)３D打印的金屬部件表面進(jìn)行了拋光，尤其是有效的移除了黏附的顆粒。通過(guò)結(jié)合過(guò)電位電化學(xué)拋光和傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光技術(shù)，移除厚度約７０µm，達(dá)到平均粗糙度為０.１８µm。比較有趣的是，采用此技術(shù)來(lái)拋光的壓應(yīng)力峰值和打印的晶格結(jié)構(gòu)的能量吸收特性幾乎可以翻倍。而且，成功的對(duì)打印的 316L不銹鋼、4130鋼和AlSi10Mg進(jìn)行了拋光，表明了該技術(shù)在拋光其他的打印部件方面也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1　3D打印不銹鋼表面的形貌示意圖及其表面輪廓的示意圖： (A) 3D打印的金屬部件的表面是來(lái)自于SLM制造過(guò)程中的點(diǎn)點(diǎn)打印過(guò)程；(B) 打印后的表面； (C) 打印后的表面，可以分成 Type I 和 Type II 兩種表面輪廓類(lèi)型； (D) 組合過(guò)電位電化學(xué)拋光（OECP）和電化學(xué)拋光（ECP）的拋光打印部件策略； (E) 采用組合的過(guò)電位電化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光在拋光復(fù)雜的邊部形狀的表面之前和之后的情形�！�

圖２施加不同的電位在打印的部件表面的時(shí)候，同樣拋光２０ｍｉｎ所得到的拋光效率和拋光質(zhì)量的比較：(A) SEM對(duì)打印的沉積態(tài)的３１６L不銹鋼的分析結(jié)果；　(B–F) 在電位分別為1.5、 1.7、1.9、2.1 和 2.2 V的時(shí)候測(cè)量得到的拋光側(cè)邊的SEM分析結(jié)果. (E)得到的光滑的表面拋光后的結(jié)果，標(biāo)尺為 100 µm.

背景介紹
選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)作為一種強(qiáng)大的３D打印制造技術(shù)，可以制造致密和強(qiáng)度較高的打印部件，且在制造復(fù)雜形狀上和柔性制造上具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。然而，SLM制造的金屬表面經(jīng)常由于３D打印工藝是以粉末為基礎(chǔ)的點(diǎn)－點(diǎn)沉積過(guò)程，從而經(jīng)常在表面形成粗糙的表面形態(tài)。這一情形在打印具有內(nèi)通道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如晶格、管道）的時(shí)候就更為嚴(yán)重。除了機(jī)械性能之外，粗糙的表面還會(huì)影響到部件的其他特性，如能量吸收特性、耐腐蝕性、流體動(dòng)力學(xué)特性和光學(xué)性質(zhì)等。

圖３在過(guò)電位電化學(xué)拋光（OECP）和綜合過(guò)電位電化學(xué)拋光（OECP）和電化學(xué)拋光（ECP）進(jìn)行拋光時(shí)的表面粗糙度和移除的厚度的評(píng)估：(A)傳統(tǒng)的平均表面粗糙度(Ra)和移除速率隨著拋光時(shí)間變化時(shí)，在過(guò)電位拋光條件下的結(jié)果； (B) 在綜合過(guò)電位電化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光的時(shí)候，得到的表面形貌和相應(yīng)的移除厚度　

直到今天，通過(guò)優(yōu)化SLM打印工藝參數(shù)來(lái)改善表面粗糙度也只能對(duì)改善表面粗糙度起到非常有限的作用。外表面的粗糙度表面可以通過(guò)原位激光重熔來(lái)改善，但這一重熔技術(shù)對(duì)外表面或內(nèi)通道的改善非常有效（見(jiàn)圖１S１A和S１B）。一些部件的表面可以通過(guò)拋光工具或激光束進(jìn)行進(jìn)一步的拋光，如噴砂或激光拋光。然而，這些常見(jiàn)的拋光手段對(duì)內(nèi)部表面可謂束手無(wú)策，例如具有高縱橫比的管道和晶格結(jié)構(gòu)。增減材復(fù)合制造技術(shù)曾經(jīng)用來(lái)改善金屬打印部件的表面質(zhì)量。然而，減材時(shí)所導(dǎo)致的不規(guī)則形狀的機(jī)械加工廢物則會(huì)阻礙粉末的鋪展，而且層層機(jī)加工也會(huì)是比較耗時(shí)的一種過(guò)程且會(huì)破壞打印的精細(xì)結(jié)構(gòu)。曾經(jīng)研發(fā)的化學(xué)研磨技術(shù)來(lái)拋光SLM制造的部件，但該技術(shù)的移除速率太慢，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致會(huì)同原設(shè)計(jì)的形狀和尺寸存在偏差。由于形貌的改變，化學(xué)研磨后其機(jī)械性能也會(huì)發(fā)生改變。

圖S1.  在采用SLM技術(shù)制備的３D結(jié)構(gòu)中形成的表面粗糙度的不同的表面和機(jī)制：(A)在SLM制造的過(guò)程中得到的頂部、邊部和內(nèi)部表面的曲線圖；(B) 在典型的金屬３D打印部件中得到的不同表面的例子；(C)臺(tái)階效應(yīng)的形成；(D)球化效應(yīng)的形成； (E)黏附顆粒的形成

圖4　采用傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光（ECP）技術(shù)和新穎的過(guò)電位電化學(xué)拋光技術(shù)（OECP）拋光的3D打印的體心立方（BCC）晶格的表面(A) ：沉積態(tài)的粗糙的晶格表面，黏附著顆粒；(B) 在采用傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光技術(shù)拋光40min之后的晶格的表面，得到精細(xì)的棱，在電化學(xué)拋光過(guò)程中破壞了；(C) 在采用新穎的電化學(xué)拋光技術(shù)之后得到的晶格的形貌，拋光時(shí)間為40min，得到光滑和均勻的棱

電化學(xué)拋光（ECP）廣泛的應(yīng)用于金屬精飾拋光，可以將原始粗糙度平均為～１µm拋光到鏡面的水平。對(duì)傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光技術(shù)來(lái)說(shuō)，在有限的電流穩(wěn)定期應(yīng)用了相對(duì)較低的電壓。然而，在SLM３D打印的３D結(jié)構(gòu)件中進(jìn)行的非選擇性和均勻性拋光的有限的前人的研究和我們的初步研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光會(huì)導(dǎo)致SLM打印的結(jié)構(gòu)非選擇性和非均勻性的拋光和移除。因此，非常有必要發(fā)展一種新的策略來(lái)拋光復(fù)雜的3D打印金屬部件的表面而對(duì)其原始結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)盡可能少的破壞。

圖5采用微X射線CT技術(shù)對(duì)BCC晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建的３D模型并用于壓縮試驗(yàn)和模擬分析。　

在本工作中，新加披的學(xué)者發(fā)展了一種新穎的拋光技術(shù)，一種組合過(guò)電位和傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光的技術(shù)來(lái)有效的拋光3D打印的側(cè)邊和內(nèi)表面。選擇性的電位稍稍比電流穩(wěn)定期（過(guò)電位）要高，可以獲得移除黏附的顆粒時(shí)具有較高的移除速率。其進(jìn)一步的拋光可以采用傳統(tǒng)的電化學(xué)拋光來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后其Ra值可以從初始的~8µm降低到0.18µm，移除的最薄的厚度為~70µm。非常重要的是，特定的穩(wěn)定期應(yīng)力和能量吸收同打印微晶格結(jié)構(gòu)拋光后的部件相比較，幾乎翻倍。這一拋光的表面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的終端應(yīng)用非常有用，并且該技術(shù)突破了當(dāng)前金屬3D打印的限制。

圖S5.OECP拋光技術(shù)對(duì)原始粗糙度的影響.：(A)  打印的側(cè)邊具有較大的初始粗糙度，插入的圖片為相應(yīng)的示意圖；(B) 在（Ａ）中的粗糙表面在拋光４０ｍｉｎ之后所得到的不均勻的表面仍然存在；(C) 在工藝優(yōu)化之后，沉積的側(cè)邊表面具有少量的粗糙的表面；(D) 在圖（ｃ）的樣品，在拋光４０ｍｉｎ之后得到的光滑的表面。

圖S6.　在采用傳統(tǒng)的ECP和新穎的OECP技術(shù)在相同的條件下進(jìn)行拋光晶格結(jié)構(gòu)后表面的比較

圖S7. 　在綜合OECP（２０ｍｉｎ）和ECP（２０ｍｉｎ）后，拋光的晶格結(jié)構(gòu)的表面。

圖S9. 采用３D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造的電極來(lái)拋光內(nèi)部表面 (A) 通過(guò)３D打印變形的電極具有固定直徑的曲線型管道進(jìn)行OECP ；(B) 通過(guò)３D打印可變形電極采用OECP來(lái)實(shí)現(xiàn)可變直徑的管道；(C)  在采用綜合的OECP和ECP之后曲線管的內(nèi)部表面質(zhì)量的改善； (D)  設(shè)計(jì)的網(wǎng)格-柱狀電極來(lái)拋光晶格結(jié)構(gòu)。

圖S10. 　SLM工藝制備的4130 鋼和 AlSi10Mg鋁合金板在采用OECP（20min）和ECP（20min）的時(shí)候，前后表面形貌的對(duì)比；(A ）打印的沉積態(tài)的AlSi10Mg；(B) 拋光的 AlSi10Mg板, 三電極系統(tǒng)在材料和工藝路線中給出 ；(C)  打印的沉積態(tài)的4130鋼板；(D)  拋光后的4130 鋼板,  (E)　 打印的沉積態(tài)的4130晶格BCC結(jié)構(gòu)；(F)　拋光后的4130鋼BCC晶格結(jié)構(gòu)。

文章來(lái)源：Highly effective smoothening of 3D-printed metal structures via overpotential electrochemical polishing,Shuai Chang, Aihong Liu, Chun Yee,Aaron Ong, Lei Zhang, Xiaolei Huang, Yong,Hao Tan, Liping Zhao, Liqun Li & Jun Ding,Materials Research Letters ,Volume 7, 2019, Issue 7,282-289,https://doi.org/10.1080/21663831.2019.1601645