CN109759711B

CN109759711B - 一种激光抛光方法

Info

Publication number: CN109759711B
Application number: CN201711113469.6A
Authority: CN
Inventors: 容锦泉; 蔡恒生; 莫晓泳; 张绍松; 肖婷予; 王文静
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: CN109759711A

Abstract

本发明提出了一种激光抛光方法，包括以下步骤：步骤S1、通过增材制造技术制造3D金属物体；步骤S2、采用机械臂控制系统举起3D金属物体，并调整3D金属物体的激光加工区域的取向；步骤S3、在3D金属物体的激光加工区域周围形成惰性气体环境，再对3D金属物体的激光加工区域进行激光辐射。本发明的新型激光抛光技术为3D打印金属制品提供了一种高度灵活的抛光解决方案，技术先进，实用性强，实现了传统金属抛光技术无法达到的技术效果。

Description

一种激光抛光方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种激光抛光方法。

背景技术

增材制造(AM)已经从3D打印机进化而来，并已经用于生产复杂三维体。3D金属打印的增材制造的四种典型工艺分别是选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔化(SLM)以及电子束熔炼(EBM)。这些工艺类似，也都涉及使用激光或光束熔化或熔合位于粉末床台上的金属粉末。然而，增材制造中的激光或光束参数无论怎么优化，3D打印金属物体的表面粗糙度总不能令人满意。对于某些特定的应用，由增材制造产生的表面可能光洁度还不够，例如，医用植入体需要要求一个光滑表面来抑制细菌生长并防止组织损伤；其中，打印样品的表面粗糙度一般大于5微米，而医用植入体所要求的表面粗糙度必须小于1微米。

如抛光和打磨等后加工工序，必须用于增材制造的金属制品表面。通常机械打磨方法被用于对SLS部件进行抛光。然而，由机械方法所处理得到的金属制品各个表面的质量显然是不一致的，这很大程度上取决于操作者的技能。其他抛光技术包括有电子抛光、超声波和振动修整。然而，这些方法耗时长(处理时间大于10min/cm²)，这要求高昂的工装成本并会产生化学污染物。

相比之下，激光抛光工艺在金属表面的后处理中的应用以其如三维表面可自动处理、各表面质量的一致性、无振动力作用、无污染影响、小区域可选择性抛光以及较短的加工时间(处理时间小于1min/cm²)等众多优点吸引了极大的关注。一些试验还表明，零件表面的粗糙度可以降到0.5微米以下，表面处理时间也非常短。

然而，目前的激光抛光技术还面临以下四个技术难题：

难题1：不同的3D打印金属材料主要应用于注塑模具和机械工具。在珠宝和牙科等其他行业，其一直没考虑使用不同金属合金粉末对3D打印金属物体的表面粗糙度的影响。

难题2：最近的文献也表明，在激光抛光过程中，通过来自喷嘴的气流或室内屏蔽所产生的惰性气体环境可以抑制金属的氧化。目前还缺乏在对金属对象激光抛光过程中精确控制氧化机制。

难题3：对具有内表面的3D打印金属物体的有效激光抛光的方法还未得到研究。以往大部分工作聚焦于在没有机械臂控制系统的情况下对三维产品进行二维平面抛光。对于珠宝行业，黄金或白银首饰的镜面表面需要抛光以获得独特的物理力学特性。至于牙科行业，需要对牙冠的内部结构进行抛光，以抵抗菌斑积聚。到目前为止，在欧洲国家，珠宝和牙科行业的激光抛光研究还处于初级阶段。此外，金属材料对激光能量的吸收过程是复杂的，取决于样品温度、能量沉积速率和激光波长。目前还没有发现激光脉冲对3D打印金属物体表面粗糙度的影响。

难题4：激光抛光前后，3D打印金属物体的化学成分变化尚未明确。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种激光抛光方法。

本发明提出的技术方案如下：

本发明提出了一种激光抛光方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过增材制造技术制造3D金属物体；

步骤S2、采用机械臂控制系统举起3D金属物体，并调整3D金属物体的激光加工区域的取向；

步骤S3、在3D金属物体的激光加工区域周围形成惰性气体环境，再对3D金属物体的激光加工区域进行激光辐射。

本发明上述的激光抛光方法中，在步骤S3中，采用喷嘴将惰性气体吹到3D金属物体的激光加工区域，以形成惰性气体环境。

本发明上述的激光抛光方法中，采用了氧化抑制控制系统；该氧化抑制控制系统包括喷嘴、分别与惰性气体气源和喷嘴的入口连通的送气管；送气管上沿从惰性气体气源到喷嘴的方向上依次设置有调压器、压力计、单向流量控制阀、流量计。

本发明上述的激光抛光方法中，惰性气体气源为氮气或氩气。

本发明上述的激光抛光方法中，激光辐射通过低功率激光器或高功率激光器实现；其中，低功率激光器为功率低于100W的激光器；高功率激光器为功率大于或等于100W的激光器。

本发明上述的激光抛光方法中，当激光辐射通过低功率激光器实现时，低功率激光器的功率低于70W，并采用离焦模式。

本发明上述的激光抛光方法中，激光器采用飞秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器(脉冲或连续模式)；飞秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器的波长范围是200nm-2600nm；其中，飞秒激光器、皮秒激光器和纳秒激光器的脉冲宽度范围分别为10fs-900fs,10ps-900ps和10ns-900ns；飞秒激光器、皮秒激光器和纳秒激光器的重复频率范围分别为1Hz-80MHz,1Hz-80MHz和1Hz-10KHz。

本发明上述的激光抛光方法中，3D金属物体采用工具钢材料、钴铬合金材料、不锈钢材料、钛合金材料、铝合金材料或可通过激光表面处理有效加工的其他金属材料。

机械臂控制系统采用机械手臂装置或多轴摆动装置以实现夹紧3D金属物体，并调整3D金属物体的激光加工区域的取向。

本发明提出了一种新型激光抛光技术，以有效地控制3D打印制造的金属物体的表面特征。具体地，1)选择性激光熔化来打印3D金属物体，不同的金属打印粉末(如工具钢、钛合金、不锈钢、钴、铬、铝)被使用。2)通过喷嘴将惰性气体(如氮气或氩气)吹到激光处理区域，喷嘴具有精确的气流控制功能。3)采用激光辐射的抛光方法促使3D打印金属物体的薄表面重熔，并通过表面张力对表面粗糙度进行平滑处理。这种基本的重熔原理与常规磨蚀和磨削过程不同，可以形成更优越的表面光洁度。具有不同激光波长的不同类型(如连续波或脉冲型)激光光束分别在利用机械臂控制系统的情况下在3D打印金属物体上进行测试，以评估激光抛光质量。4)用试验方法对激光处理物体进行表征。采用扫描电镜和光学分析描述激光处理物体的形态和表面粗糙度。在激光处理前后采用X射线光电子能谱和能量色散谱分析3D打印金属物体的化学成分。采用水接触角测试比较激光抛光处理前后3D打印金属物体的表面张力。本发明的新型激光抛光技术为3D打印金属制品提供了一种高度灵活的抛光解决方案，技术先进，实用性强，实现了传统金属抛光技术无法达到的效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示出了本发明实施例的激光抛光方法的流程图；

图2示出了用于图1所示的激光抛光方法的氧化抑制控制系统的结构示意图；

图3示出了激光粗抛光的实验特征示意图；

图4示出了激光精细抛光的实验特征示意图；

图5示出了工具钢AM部件的经高功率激光器激光抛光的区域的SEM图像；

图6示出了工具钢AM部件的经低功率激光器激光抛光的区域的SEM图像。

具体实施方式

如图1所示，图1示出了本发明实施例的激光抛光方法的流程图，该激光抛光方法包括以下步骤：

步骤S1、通过增材制造技术制造3D金属物体；

上述技术方案是一种新颖的激光抛光技术，能够有效地对由3D打印制造的3D金属物体的表面进行抛光。通过采用激光辐射的抛光技术可以有助于重新熔化3D金属物体的表面薄层，并且可以实现由表面张力引起的薄表层表面粗糙度的平滑化。这种基本的重熔原理与常规的磨蚀和磨削过程不同，因此可以形成更优异的表面光洁度。

在步骤S1中，3D金属物体在增材制造过程中可采用不同的金属打印粉末，例如钛合金、不锈钢、钴、铬、工具钢、铝。

进一步地，在本实施例中，增材制造过程使用诸如Concept Laser M2cusing打印机、SLM 125HL SLM系统和LENS MR-7系统的增材制造机，并以此实现3D金属物体的制造。增材制造过程可使用不同种类和/或不同组分的粉末，如热加工工具钢(CL 50WS)、钴铬合金(CoCr/2.4979/F75)、不锈钢AISI 316(SS 316)、钛合金(CL 41TI ELI)和铝合金(CL30AL)。这些材料可用于各种应用。例如注射成型、压铸、赛车运动和航空航天工业、医疗植入物以及功能组件。3D金属物体使用增材制造技术在氮气或氩气气氛中沉积，并使用优化的参数进行处理。

例如，用于打印CoCr零件的3D打印参数为：

切片设置

切片厚度：0.03mm

剖面线设置

角度：45度

距离：0.12mm

扫描设置

边界

功率：100瓦特

速度：400mm/s

填充轮廓

功率：150瓦

速度：500mm/s

3D金属物体的材料不限于工具钢、钴铬合金、不锈钢、钛合金和铝合金，还包括可通过激光表面处理有效加工的其他金属材料。

本发明所使用的机械臂控制系统为市售产品。该机械臂控制系统总共使用机械臂、分别用于驱动机械臂各个关节运动的6个伺服电机、用于支撑机械臂的金属支架、设置在机械臂上的铝合金制作的夹具、布线、电源和用于控制每个伺服电机角运动的电路板。机械臂在其最大工作区域内被允许达到不同的位置。所有相邻部件均通过大量螺丝和螺母连接。此外，还采用卷绕管将布线卷绕在一起，以避免布线混乱。在机械臂控制系统中，将伺服电机安装在正确的角度位置是重要的。机械臂程序只能提供正或负10％的直角(即9度)的小调整。对于10％以上的位置误差，最好重新安装特定的伺服电机。为了提高激光抛光的灵活性，对夹具的设计进行了改进，使其具有更长的支撑，以避免激光直接打在机器臂控制系统上。

在步骤S2中，机械臂控制系统采用机械手臂装置或多轴摆动装置以实现夹紧3D金属物体，并调整3D金属物体的激光加工区域的取向。

在步骤S3中，采用具有气体流量精确控制功能的喷嘴将惰性气体(例如氮气或氩气)吹到3D金属物体的激光加工区域；可以理解，在其他实施例中，还可以采用将3D金属物体的激光加工区域置于一个充满惰性气体的封闭腔，从而实现在3D金属物体的激光加工区域周围形成惰性气体环境。基于本步骤，本发明开发了一种氧化抑制控制系统，其采用喷嘴代替封闭腔以经济、精确和有效的方式减少激光表面处理过程中的氧化冲击。

具体地，如图2所示，氧化抑制控制系统包括喷嘴1、分别与惰性气体气源和喷嘴1的入口连通的送气管2；送气管2上沿从惰性气体气源到喷嘴1的方向上依次设置有调压器3、压力计4、单向流量控制阀5、流量计6。惰性气体气源可以是氮气瓶或氩气瓶。调压器3和压力计4分别用于控制释放气体的压力和指示剩余气体容量。送气管2为直径8mm的特氟龙管。单向流量控制阀5可用于调节惰性气体流量并限制惰性气体的气流方向。为了更精确地测量惰性气体流量，具有数字显示的流量计6被设置在单向流量控制阀5和喷嘴1之间，以便能够通过室内压力取代气瓶内压力来调整惰性气体的流量。喷嘴1可用于通过减小不同方向的动量来调节气流的方向，因此通过喷嘴1的出口可产生较少的空气湍流。喷嘴1的位置设定在距离工作平台10mm的高度，距离激光束的投影距离为100mm。本实施例通过使用机械臂控制系统实现在3D金属物体上测试具有不同激光波长的不同激光束(例如连续波或脉冲型)，以评估激光抛光质量。

本实施例分别使用低功率激光器和高功率激光器在3D金属物体的表面上进行激光抛光。其中，低功率激光器为波长为1060nm的低功率SPI光纤激光系统，其在空气环境中运行；高功率激光器为波长为1070nm的高功率IPG光纤激光系统，其真空环境和氩气环境中运行。低功率SPI光纤激光系统的焦点尺寸为2.5±0.05mm，具有脉冲模式；高功率IPG光纤激光系统的焦点尺寸为3.0±0.05mm，具有连续波模式。低功率SPI光纤激光系统和高功率IPG光纤激光系统的最大功率分别为100W和1000W。在本发明中，低功率激光器和高功率激光器分别被定义为功率低于100W的激光器和功率大于或等于100W的激光器。

如图3-图4所示，图3示出了激光粗抛光的实验特征示意图；图4示出了激光精细抛光的实验特征示意图。采用低功率激光器或高功率激光器分别对3D金属物体的激光加工区域进行激光粗抛光和激光精细抛光，以改善3D金属物体的激光加工区域的粗糙度。换句话说，3D金属物体的激光加工区域被抛光两次。在具体的激光抛光过程中，确定了五个关键因素，分别为激光控制和气体流量控制参数两个方面。激光功率(W)，扫描速度(mm/s)和激光覆盖空间(mm)是激光控制参数。保护气体的类型和流量(L/min)是气体流量控制参数。

在具体一实施例中，在工具钢AM部件上进行激光粗抛光和激光精细抛光。具体地，如图5所示，图5示出了工具钢AM部件的经高功率激光器激光抛光的区域的SEM图像；其中，对于采用高功率激光器进行激光抛光的工具钢AM部件，其在第一次抛光(激光粗抛光)中，激光功率为200W，扫描速度为508mm/s，激光覆盖空间为0.127mm；在第二次抛光(激光精细抛光)中，激光功率为100W，扫描速度为1016mm/s，激光覆盖空间为0.508mm。从SEM图像可以看出，除了一些小的峰和谷之外，工具钢AM部件表面的颗粒被除去并且表面是平坦的。在图5的激光抛光区域中，粗糙度测量为Ra＝0.735μm。工具钢AM部件表面在经高功率激光器激光抛光的前后的粗糙度分别为12.0μm和0.735μm。

如图6所示，图6示出了工具钢AM部件的经低功率激光器激光抛光的区域的SEM图像；其中，对于采用低功率激光器进行激光抛光的工具钢AM部件，其在第一次抛光(激光粗抛光)中，激光功率为40W，扫描速度为1500mm/s，激光覆盖空间为0.008mm；在第二次抛光(激光精细抛光)中，激光功率25W，扫描速度为2000mm/s，激光覆盖空间为0.05mm。从SEM图像可以看出，粉末颗粒部分熔化，但是形成了新的纹理，从而导致不太好的表面质量。在图6的激光抛光区域中，粗糙度测量为Ra＝4.67μm。

此外，申请人还观察到，仅通过使用功率低于70W的低功率激光器的散焦模式可以获得低于1μm的表面粗糙度，这可以提供用于激光表面处理的替代解决方案。

进一步地，对于氧化抑制控制系统，其所采用的最合适的保护气体类型是氩气，但是对于不同的3D金属物体的材料，氩气的流量水平是不同的。具体来说，用于CoCr和SS 316样品的氩气流速分别约为6.0L/min和10.0L/min。此外，值得注意的是，高功率激光器对激光加工区域中的金属合金含量的变化有显着影响。这可以归因于足够的热能能熔化金属并在样品表面进行局部重组。

在使用高功率激光器或低功率激光器进行抛光后，3D金属物体的表面的微结构会发生变化并变得更平滑。3D金属物体的表面的接触角被用作润湿性研究中的主要数据，能够说明了固体和液体相互作用之间的润湿程度。小的接触角通常表示高润湿性，而大的接触角表示低润湿性。对于小于90°的接触角，其表示表面有较好的润湿性，而流体能在相对大的面积的表面上流动。对于大于90°的接触角，其表示表面具有较差的润湿性，而流体与表面的接触面积会最小化，从而形成紧凑的液滴。基于上述分析，在高功率激光抛光后，而扫描速度方面具有最佳的保留时间的情况下，3D金属物体的表面能够具有较小的接触角(即达到高表面能)。接触角对于检查或评估液体和固体物质在涂层、粘合、喷涂、分散、打印、清洁、疏水或亲水涂层等方面的相接触强度很重要。具有改善型亲水性的金属材料可以具有一些优点，包括改进的传热系数，更好的表面涂层附着力，高性价比的防冻性能和各种应用的自清洁解决方案(如实验室薄膜、传感器和医疗仪器)。对于改善型疏水性的金属材料，其也具有很多用途，如可以帮助防止腐蚀以及生物的生长。因为这种材料上的水不会粘附很长时间才蒸发并留下残留物，这样就意味着3D金属物体仅需要很少的清洁，可防止冰块形成。

当3D金属物体采用钴铬材料时，3D金属物体在激光抛光前的接触角为29°，3D金属物体在激光抛光后的接触角提高至142°。

当3D金属物体采用不锈钢材料，3D金属物体在激光抛光前的接触角为92.9°，3D金属物体在激光抛光后的接触角提高至132.8°。

当3D金属物体采用工具钢材料，3D金属物体在激光抛光前的接触角为93.3°，3D金属物体在激光抛光后的接触角降低到52.5°。

金属具有良好导热性和导电性。金属原子通过强的离域键连接在一起。这些键由在晶格中的作为正金属离子的阳离子之间共享的价电子云形成。在该配置中，价电子具有显着的迁移率并且能够容易地传导热和电。如果金属被氧化，则化合价电子将变小。因此，被氧化金属的散热差，导电差。

对于钴铬、不锈钢和工具钢材料，激光处理前的电导率分别为0.4欧姆、0.1欧姆和0.4欧姆。基于不同的激光参数，对于不同的电和热绝缘应用，其电导率可以增加到不同程度(例如10倍，20倍或更高)。

总而言之，3D金属物体的表面在惰性气体环境下用连续波或脉冲型激光进行处理可实现表面抛光。通过这种新的激光抛光技术，为3D打印金属物体提供了高度灵活的抛光解决方案，这是传统的金属抛光技术所不能实现的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、通过增材制造技术制造3D金属物体；

步骤S2、采用多轴机械臂控制系统举起3D金属物体，并调整3D金属物体的激光加工区域的取向；

步骤S3、采用喷嘴(1)将惰性气体选择性吹到3D金属物体的激光加工区域，以形成惰性气体的局部环境，再对3D金属物体的激光加工区域进行激光辐射；

采用了氧化抑制控制系统；该氧化抑制控制系统包括喷嘴(1)、分别与惰性气体气源和喷嘴(1)的入口连通的送气管(2)；送气管(2)上沿从惰性气体气源到喷嘴(1)的方向上依次设置有调压器(3)、压力计(4)、单向流量控制阀(5)、流量计(6)；

激光抛光处理能制备不同表面性能，包括控制金属表面的亲水性或疏水性，控制金属表面的导电率；表面的粗糙度能小于1μm。

2.根据权利要求1所述的激光抛光方法，其特征在于，惰性气体气源为氮气或氩气。

3.根据权利要求1所述的激光抛光方法，其特征在于，激光辐射通过低功率激光器或高功率激光器实现；其中，低功率激光器为功率低于100W的激光器；高功率激光器为功率大于或等于100W的激光器。

4.根据权利要求3所述的激光抛光方法，其特征在于，当激光辐射通过低功率激光器实现时，低功率激光器的功率低于70W，并采用离焦模式。

5.根据权利要求3所述的激光抛光方法，其特征在于，激光器采用飞秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器；其中，飞秒激光器、皮秒激光器或纳秒激光器的波长范围是200nm-2600nm；飞秒激光器、皮秒激光器和纳秒激光器的脉冲宽度范围分别为10fs-900fs,10ps-900ps和10ns-900ns；飞秒激光器、皮秒激光器和纳秒激光器的重复频率范围分别为1Hz-80MHz,1Hz-80MHz和1Hz-10KHz。

6.根据权利要求1所述的激光抛光方法，其特征在于，3D金属物体采用工具钢材料、钴铬合金材料、不锈钢材料、钛合金材料或铝合金材料。

7.根据权利要求1所述的激光抛光方法，其特征在于，机械臂控制系统采用机械手臂装置或多轴摆动装置以实现夹紧3D金属物体，并调整3D金属物体的激光加工区域的取向。