3D打印產(chǎn)品表面粗糙度解決方案你了解有多少？

來(lái)源：霍爾榜

增材制造技術(shù)在各領(lǐng)域都具有非常廣泛的應(yīng)用前景，但是壞在它的粗糙度非常的高，10~50微米的粗糙度根本沒(méi)辦法滿足高端裝備對(duì)組件表面品質(zhì)的要求，它的實(shí)際應(yīng)用還是很受限制，對(duì)于增材制造產(chǎn)品來(lái)講，它要走上實(shí)用之路，進(jìn)行合理的表面精整處理肯定是勢(shì)在必行的。2022年8月2日“增材制造復(fù)雜金屬構(gòu)件表面精整的卡脖子點(diǎn)及案例解析“主題直播中，學(xué)習(xí)到了目前適用于增材制造產(chǎn)品表面精整的解決方案，也了解到了目前精整行業(yè)內(nèi)的公認(rèn)技術(shù)難題亟待攻克。那么，3D打印產(chǎn)品表面粗糙度解決方案你了解有多少？

△3D打印多孔結(jié)構(gòu)的骨植入物

霍爾榜：激光精整技術(shù)它的激光跟SLM激光有什么差異？
南京尚吉增材制造研究院：激光拋光、激光刻蝕，還有SLM都屬于激光加工技術(shù)。我覺(jué)得它們?cè)�理上并沒(méi)有特別大的區(qū)別，差異主要在于能量的大小。做SLM的時(shí)候，就需要足夠的能量熔化粉末再進(jìn)行結(jié)晶，生成我們所要的形狀。但是做激光拋光的話，它需要的能量是比較低的，可能會(huì)需要多道掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑化。

霍爾榜：仿形性拋光，針對(duì)不同材料都有哪些材料驗(yàn)證過(guò)了？
南京尚吉增材制造研究院：仿形性拋光技術(shù)，其實(shí)它的范圍已經(jīng)很廣了，像我們講的磨粒流、氣液固三相，電解質(zhì)等離子體，它們都是仿形性拋光。已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的材料當(dāng)然是很多種，對(duì)于氣液固這種主要靠物理力來(lái)進(jìn)行作用的，只要不是超硬材料，其它的材料種類都應(yīng)該是可以的。

對(duì)于磨粒流加工也類似，都主要靠機(jī)械力，所以它對(duì)于材料種類適用性很廣，只要硬度不是過(guò)高，應(yīng)該都可以加工的。可能唯一要判斷的是電解質(zhì)等離子體拋光，它必須要在特定的溶液體系中才能夠進(jìn)行。對(duì)于電解質(zhì)等離子體這塊，目前研究最為成功的案例是不銹鋼，不銹鋼之后，最近兩年也開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)了鈦合金、高溫合金、銅合金，還有銀的處理。

霍爾榜：仿形性拋光的往下侵蝕拋光速率大概能達(dá)到什么水平？
南京尚吉增材制造研究院：這個(gè)問(wèn)題其實(shí)是要分處理的技術(shù)種類的，像等離子體拋光，它的拋光去除速率是可以根據(jù)工藝和時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)的，根據(jù)需要來(lái)設(shè)定去除速率和去除量。

氣液固這邊，它因?yàn)槿コ�速率比較慢，所以一般去除效果是比較少的，可以作為光亮處理。

磨粒流的話，它就是一個(gè)比較大作用力的處理方式，去除速率和去除量都會(huì)比較大，這個(gè)要結(jié)合具體工件的需求和工藝來(lái)進(jìn)行分析。

霍爾榜：電解質(zhì)等離子拋光可以對(duì)零件拋光的同時(shí)進(jìn)行減重嗎？對(duì)零件質(zhì)量會(huì)減少多少？
南京尚吉增材制造研究院：電解質(zhì)等離子體拋光跟我們自己開(kāi)發(fā)的技術(shù)差不多，都是利用氣團(tuán)爆破的能量來(lái)進(jìn)行剝離的，就相當(dāng)于有很多的微炸彈在爆炸，打到工件表面肯定是能去除表面金屬的。至于剝離量或者減重多少，需要根據(jù)客戶需求進(jìn)行工藝和時(shí)間的調(diào)整。

霍爾榜：鎢有合適的電解質(zhì)嗎？
南京尚吉增材制造研究院：鎢目前是一個(gè)很難處理的問(wèn)題，因?yàn)殒u本身金屬的物理性能太穩(wěn)定了，化學(xué)性能也太穩(wěn)定，所以很難處理。我前面也試過(guò)一些，可以有拋光效果。但是我覺(jué)得它在反應(yīng)的過(guò)程中，可能會(huì)生成一些毒害性的東西，后來(lái)就沒(méi)有再繼續(xù)測(cè)試了。

霍爾榜：鏡面級(jí)加工是什么標(biāo)準(zhǔn)，有哪些水平分級(jí)？
南京尚吉增材制造研究院：說(shuō)到鏡面級(jí)，我們?cè)诟�客戶溝通過(guò)程中，客戶經(jīng)常會(huì)問(wèn)我們能不能幫他加工到鏡面級(jí)，我們就要進(jìn)一步追問(wèn)他的鏡面等級(jí)是要到哪個(gè)等級(jí)？大概粗糙度范圍是多少？客戶通常又不知道了。所以，關(guān)于鏡面等級(jí)我有必要跟大家講一下，不管哪種成型或加工方式，都會(huì)在工件表面留下一些刀痕或者起伏的現(xiàn)象，這就是所謂的表面粗糙度，過(guò)去也叫做表面光潔度。像我們一般車床的話，大概做到3.2微米的比較多，做到1.6微米的已經(jīng)是很高的車工水準(zhǔn)了。

當(dāng)然，這個(gè)1.6跟我們講的鏡面拋光是沒(méi)有關(guān)系的。當(dāng)粗糙度大小到0.8微米層次的時(shí)候，就可以較清晰的倒映出物品的影像，我們認(rèn)為是初步獲得了鏡面加工的效果。所以鏡面入門(mén)認(rèn)為是0.8微米，0.8微米基本上是車不出來(lái)的，通常要上磨床了。

比較清晰的鏡面加工水準(zhǔn)，粗糙度大概是0.3~0.4微米，當(dāng)粗糙度降低到0.1微米以后，就已經(jīng)進(jìn)入到高品質(zhì)的鏡面加工階段，比如像0.1它是一個(gè)暗光澤的鏡面，0.05通常稱為亮光澤的鏡面效果，0.025就是達(dá)到了鏡狀的光澤面效果，0.012和0.006基本上是比較高標(biāo)準(zhǔn)的鏡面標(biāo)準(zhǔn)，也是很難達(dá)到的了。

霍爾榜：鈦合金等離子拋光會(huì)有變色問(wèn)題嗎？
南京尚吉增材制造研究院：我所了解到的鈦合金等離子體拋光應(yīng)該是有這樣的問(wèn)題。因鈦合金它特別容易氧化，它對(duì)溫度特別敏感，而等離子體拋光是需要溫度來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)的，所以鈦合金變色的問(wèn)題是沒(méi)有辦法避免的。但是它的變色，肯定跟普通做氧化處理得到氧化皮是不一樣的，是可以輕松除去的。

霍爾榜：內(nèi)腔精整能提供一些思路嗎？
南京尚吉增材制造研究院：對(duì)于內(nèi)腔體比較大，可以用接觸式拋光方式。腔體比較小的，接觸式不方便進(jìn)出，不方便流動(dòng)的就不適合。普通的內(nèi)腔，像比較直一些的，或者說(shuō)變徑不是那么大的，磨粒流還是一個(gè)比較成熟、比較好的解決方式。如果內(nèi)腔或者內(nèi)流道特別復(fù)雜，用磨粒流會(huì)發(fā)生局部變形、過(guò)拋這一類的，就能用這個(gè)技術(shù)了。當(dāng)然，PPT匯報(bào)中提到的一些柔性加工技術(shù)，像一些低毒性的化學(xué)拋光技術(shù)，或者低粘度的磨粒拋光技術(shù)，我覺(jué)得也應(yīng)該是有效的，我們也正在進(jìn)行這方面的探索。

霍爾榜：磨粒流到底能不能比較多的去材料，然后對(duì)粗糙度的提高是什么級(jí)別？比如說(shuō)是從6.3提高到多少？0.8能提高到嗎？
南京尚吉增材制造研究院：可以的，磨粒流這項(xiàng)技術(shù)，大家可以理解成橡皮泥包裹著硬質(zhì)顆粒，在產(chǎn)品表面進(jìn)行表面摩擦進(jìn)行去除的，把磨料換成不同粒徑的，就可以實(shí)現(xiàn)不同粗糙度的加工效果。磨粒流是可以做到鏡面效果的，但是中間可能需要換多道的磨料、多次調(diào)整工藝。

霍爾榜：有格柵結(jié)構(gòu)的鈦合金零件表面拋光有什么建議的拋光技術(shù)嗎？
南京尚吉增材制造研究院：格柵結(jié)構(gòu)我目前認(rèn)為，流體拋光是它的唯一選擇，其它的拋光技術(shù)都不適合它。

霍爾榜：影響拋光成本的因素主要有哪些？
南京尚吉增材制造研究院：這個(gè)就比較多了。首先，拋光成本就必須涉及到拋光工藝的選擇，第一個(gè)比較重要的就是，產(chǎn)品的起始粗糙度和目標(biāo)粗糙度，這兩者之間的差異決定了處理制程的類型和長(zhǎng)短。比如說(shuō)，要選擇哪些工藝組合，會(huì)得到什么樣的效果，這些跟成本是正相關(guān)的。

第二個(gè)是產(chǎn)品的尺寸、表面積大小。就是尺寸表面積越大的，需要處理的時(shí)間就越久，耗材也越多，成本也就會(huì)越多，這些大家都是可以理解的。另外一個(gè)就是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的處理難度越高，對(duì)工藝要求也比較高一些，成本也就越高。比如相互遮擋的窄縫，曲面、尖銳角或者含孔流道這些，就可能需要特殊的技術(shù)進(jìn)行分段處理，相對(duì)的成本肯定是高的。

另外一個(gè)就是產(chǎn)品材質(zhì)，材料不同，它的物理化學(xué)性質(zhì)不同，像硬度、易氧化性、生銹這些新性質(zhì)都是不同的。像鈦合金，它就非常容易發(fā)生自然氧化，也容易發(fā)生加工硬化，它的機(jī)加工，這些傳統(tǒng)加工的難度都很高。對(duì)它進(jìn)行化學(xué)或電化學(xué)加工的難度也比其它金屬要高，沒(méi)有其它技術(shù)成熟，所以鈦合金的綜合加工成本也是比較高的。

霍爾榜：不同的表面處理方式對(duì)材料的性能都會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？
南京尚吉增材制造研究院：我覺(jué)得主要取決于材料表面，所接受到的作用力的類型，和加工以后材料表面的完整性來(lái)決定的。比如像機(jī)加工、磨粒流這一類作用力是機(jī)械摩擦力的，加工后的產(chǎn)品表面，不可避免的會(huì)存在一些微裂紋和殘余硬力，會(huì)對(duì)工件的質(zhì)量和使用壽命有一定的影響。比如像產(chǎn)品有應(yīng)力殘留發(fā)生了加工硬化，它的硬度可能會(huì)有所提升。

另外一類像化學(xué)、電化學(xué)腐蝕類的，它可能會(huì)有一些腐蝕痕跡，會(huì)影響產(chǎn)品的強(qiáng)度，也可能會(huì)存在一些氧化膜，比如像不銹鋼在進(jìn)行電化學(xué)拋光的時(shí)候會(huì)形成一個(gè)富絡(luò)膜，這個(gè)膜可以對(duì)產(chǎn)品的耐蝕性會(huì)有一定的影響。等離子體拋光技術(shù)，因它主要是靠工件表面緊密覆蓋的 高能粒團(tuán)的持續(xù)轟擊產(chǎn)品表面的各個(gè)部分工作的，因此它做出來(lái)的產(chǎn)品表面基本上是沒(méi)有損傷的，也沒(méi)有雜質(zhì)殘留和應(yīng)力殘留的現(xiàn)象，所以它加工產(chǎn)品的強(qiáng)度變化是不會(huì)很明顯的。但是硬度可能會(huì)略微的降低，這種均勻的打擊處理方式，會(huì)在一定程度上解除了加工硬化的效果，對(duì)硬度可能會(huì)有一定的影響，我們尚吉開(kāi)發(fā)的精整技術(shù)也有類似的特性。

霍爾榜：工件拋光目前整個(gè)拋光技術(shù)能拋光最大的面積能有多大？
南京尚吉增材制造研究院：我覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題可能需要看一下您的要求，再選擇拋光技術(shù)。因?yàn)橛行┘夹g(shù)它是適用于大尺寸工件的拋光，有些技術(shù)并不適用于大尺寸工件的拋光，要根據(jù)您的需求具體選擇一下技術(shù)，再詳細(xì)地看待這個(gè)問(wèn)題。

霍爾榜：給大家一個(gè)關(guān)于流道的高精度的拋光案例，讓大家也學(xué)習(xí)一下
南京尚吉增材制造研究院：可能比較著名的流道就是模具了，之前有很多朋友來(lái)咨詢，對(duì)于模具，它內(nèi)部的要求肯定是鏡面級(jí)的，起始等級(jí)應(yīng)該要做到0.06左右，高的可能會(huì)到0.01的水準(zhǔn)，是一個(gè)非常高的鏡面水準(zhǔn)。

像電解拋光、流體拋光這些拋光方法，因?yàn)樗�很難精準(zhǔn)控制零件的幾何精度，對(duì)模具可能是不太適用的。化學(xué)和超聲波、磁流體拋光這一類的方法，它的表面質(zhì)量可能達(dá)不到粗糙度等級(jí)的要求。所以目前對(duì)于模具領(lǐng)域還是以機(jī)械拋光為主，一般拋光的流程是先用粗的油石，對(duì)模具的型腔表面進(jìn)行一道粗打磨，粗打磨的目的主要是要去除加工的刀痕，然后再使用下一等級(jí)的油石，去打磨掉上一等級(jí)粗的油石的加工印跡。等把這些加工印跡逐級(jí)去除掉之后，再用細(xì)的砂紙，對(duì)它的表面進(jìn)行打磨，最后還要使用像拋光膏、研磨膏這類的，對(duì)型腔表面進(jìn)行進(jìn)一步的精整處理，從而達(dá)到光亮如鏡的加工效果。
當(dāng)然也有部分模具局部，是可以使用超聲波拋光來(lái)進(jìn)行增亮，這樣的處理效率比較高一些，行業(yè)內(nèi)有人在用，但是普及率還是不高，主要還是以機(jī)械人工為主。

霍爾榜：目前南京尚吉的拋光技術(shù)都達(dá)到什么樣的技術(shù)水平了？
南京尚吉增材制造研究院：我們南京尚吉拋光技術(shù)，是根據(jù)行業(yè)內(nèi)多種拋光技術(shù)的特點(diǎn)，融合了電場(chǎng)和流場(chǎng)拋光的特點(diǎn)而自行研發(fā)的。我們最低的粗糙度水準(zhǔn)可以達(dá)到0.1微米，能夠達(dá)到較好的鏡面級(jí)加工效果。而且加工是均勻性的加工，因?yàn)殡妶?chǎng)和流場(chǎng)之間可以相互影響，就可以在均勻性方面做比較多的工作。

另外，對(duì)于我們技術(shù)加工產(chǎn)品的形狀精度也是比較高的，去除速率我們是可以通過(guò)工藝進(jìn)行控制，產(chǎn)品的尺寸公差可以做到±20微米。同時(shí)，我們加工出來(lái)的產(chǎn)品也是沒(méi)有應(yīng)力，沒(méi)有裂紋，沒(méi)有加工硬化層的，對(duì)原始材料性能幾乎沒(méi)有影響。另外一點(diǎn)，我們使用的試劑都是環(huán)保型水溶性的，不會(huì)有殘留，產(chǎn)品表面也是非常干凈的。