综述:增材制造构件的后处理(中)

综述：增材制造构件的后处理（中）

江苏激光联盟导读：

本⽂概述了增材制造⾦属⼯件的多种后处理技术，对其机理、应⽤范围、优势以及缺陷等进⾏了全⾯的梳理。

2.6 增材制造构件的精加⼯

不同的精加⼯技术可提⾼AM⾦属构件的表⾯光洁度。这些技术分为机械、辐射和化学等类别。因为AM⾦属零件的表⾯光洁度在x-z平⾯和x-y平⾯上显著不同(前⽂图2)，所以在不牺牲零件其他⼏何特征的情况下，将所有表⾯抛光到相同的光洁度是极具挑战的。为了便于讨论，镜⾯光洁度的表⾯被定义为⼩于1微⽶(39 µin,1µm=39.37µin)的线表⾯粗糙度Ra、⾯表⾯粗糙度Sa。

2.6.1 AFB加⼯

在磨料流化床(abrasive fluidized bed,AFB)加⼯中，粗糙表⾯受控制选择性地或完全暴露于运动的磨料中。随机定向磨料的微喷射/切割去除了零件表⾯峰状物，并改善了其表⾯光洁度。在AFB技术中，零件安装在由流动空⽓中的⼩磨料混合物组成的流化床中、并在其中旋转。在钢球、砂砾和短钢丝的对⽐研究中，切割钢丝(1毫⽶长，45⾄55 HRC硬度)是最有效的介质，可以在以1200 rpm旋转后将SLM AlSi10

Mg的表⾯光洁度从17降低到1.57微⽶Ra(图14)。之后仅移除了整体质量的0.9%。

▲图14 SLM AlSi10Mg的表⾯加⼯:(a)抛光前，(b)研磨流化床抛光后。

与AFB相关的制约因素包括:

※微裂纹——由于磨料在表⾯上的反复摩擦，发现了微裂纹

※不均匀抛光——抛光程度存在差别，因为焦斑在构件表⾯上移动的速度取决于其位置到旋转轴的距离，并且SLM零件表⾯光洁度存在差异

※锋利——在这个过程中需要将⼀些锋利的点和边缘磨圆，同时需要繁琐的防护措施或者掩模对其进⾏保护

※可循环利⽤——亟待进⼀步的研究来确定磨料的使⽤寿命多方会议

磨料流加⼯（Abrasive flow machining,AFM）是⼀种可以抛光⾦属零件内部和外部“独特”特征的后处理技术，原理在于⼯件表⾯和磨料流在不同冲⾓下的相互作⽤。⼀般来说，较⾼的介质压⼒和相对速度会导致较⾼的材料去除率，磨料粒度越细，所得表⾯越光滑。包含适当研磨介质的粘弹性流体可被设计成在往复运动中沿⼀个⽅向或两个⽅向流过零件表⾯(图15)。通过控制介质(含磨料的磨料流体)的粘度，该系统可以更有效地磨圆尖⾓(低粘度)或抛光均匀表⾯(⾼粘度)。

▲图15 AFM双向流动

表5 AFM常⽤磨料和相应硬度

微拟球藻AFM常⽤于对选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）制备的马⽒体时效钢 Maraging(Fe-18Ni-9Co-5Mo)进⾏表⾯抛光。未经热处理的印刷样品(35.5 HRC)和热处理样品(55.5 HRC)的材料硬度不同。通过将磨料浓度更改为35%、50%和65%来改变介质粘度。所得的区域表⾯光洁度(图16)表明，当使⽤最⾼磨料浓度(65%)和中等粘度介质抛光时，AFM可以将较软的未热处理表⾯光洁度Sa从12降低到约2微⽶。最终的表⾯光洁度似乎达到了饱和点，因为即使再增加抛光时间(或往复循环)也难以进⼀步改善表⾯。使⽤更精细的介质进⾏另⼀轮抛光可能会改善结果。因此，通过使⽤合适的磨料尺⼨和类型，完全可以将表⾯粗糙度降低⼀个数量级(表6)。

此外，研磨形状对最终结果也有影响。具有锋利边缘的块状磨料以⾼材料去除率犁削（Plowing）、去除材料，⽽具有圆形轮廓的球形磨料抛光表⾯并获得较低的材料去除率。

▲图16 AFM不同介质粘度对光洁度的影响

表6 磨料尺⼨对光洁度的影响

与AFM表⾯抛光相关的限制包括:

※均匀性——去除率以及表⾯光洁度和形状因上、下游位置⽽异。尽管这⼀限制因素的影响通过双向流动设置被最⼩化，但是仍需要对沿着整个表⾯的完整性进⾏量化。可以通过修改初始零件的⼏何形状来补偿这种不均匀性。

※介质使⽤寿命——尚不清楚介质属性和抛光循环次数会因抛光碎屑⽽发⽣怎样的变化。

※边缘质量——需要掩模（mask）和定制夹具来控制边缘锐利度。

2.6.2 批量精加⼯（Mass Finishing）

时⾄今⽇，我们已经实施了⽤于⼤量精加⼯AM⾦属的诸多机械技术，包括振动翻滚(vibratory tumbling)、离⼼盘(centrifugal disk)、⾼能离⼼桶(high-energy centrifugal barrel)、阻⼒精磨抛光(drag

finishing)和流抛光(stream finishing)。印刷好的构件浸没在具有受控再循环的移动介质中——构件可以在环形介质流中旋转，在环形涡流中下沉和⾃升。

如今约有15种不同形状的松散磨料，常见的有三⾓形、圆锥形、圆柱形、球形和四⾯体形。主要介质材料包括陶瓷、⾦属和塑料/合成材料。可以根据特定的零件⼏何形状选择介质尺⼨。有时混合介质形状和⼤⼩可能更加有效。⼤型介质可以加快加⼯速度，但与此同时也会损坏易碎、柔软的⼯件材料。

通过添加适当的液体来加速该过程，同时去除松散的碎⽚，可以在⼲燥或潮湿的条件下进⾏⼤规模精加⼯过程。在对SLM⽣产的Ti6Al4V合⾦进⾏⼤规模精加⼯的对⽐研究中，在进⾏不同的⼤规模精加⼯⼯艺之前，将印刷好的样品从基板上取下并喷砂。图17显⽰了使⽤⾼能离⼼⼯艺获得的最低表⾯光洁度(约1.2微⽶Sa)。批量精加⼯也可以应⽤于珠宝⾏业的AM贵⾦属。为了抛光18k⾦⾸饰，当使⽤振动翻滚时，加⼯时间可能长达37⼩时；当使⽤流抛光时，加⼯时间可能只要⼏分钟(图18)。

▲图17 各加⼯⽅法表⾯光洁度的⽐较

▲图18 18k 增材制造黄⾦⾸饰不同加⼯⽅法的加⼯时间⽐较

与这些⽤于批量精加⼯的机械技术相关的限制包括:橡胶护套

※需要掩模或定制夹具来保护边⾓和边缘

※介质颗粒会滞留在孔或凹槽中

※需要进⾏喷砂等预处理，以使印刷部件的表⾯光洁度变得均匀，因为光洁度受零件的⽅向影响(图2)

※批量精加⼯不适⽤于精密零件或具有复杂⼯艺流程的零件

饮用水过滤器

2.6.3 机械喷丸（Mechanical shot peening）

机械喷丸是另⼀种可以⽤来提⾼增材制造⾦属表⾯光洁度的⼯艺，还可在喷丸表⾯形成有益的压缩残余应⼒层。与其他材料去除⼯艺不同，该技术使⽤⾼速硬化珠“轰击”表⾯并使其塑性变形，从⽽使其变平。珠⼦可以通过压缩空⽓、离开转轮后的离⼼⼒或在加压⽔中(湿喷丸)被推向它们的⽬标。

表7 不同标准之间的玻璃珠尺⼨和转换档案管理方法

喷丸介质通常是球形或短须状的钢、不锈钢、陶瓷和玻璃。钢珠可以从45⾄62 HRC的硬度范围中选择，氧化锆陶瓷珠的维⽒硬度为700 HV或60 HRC。如果想要避免钢或不锈钢珠造成的⾦属污染，⼀般可⽤玻璃珠替代⽤作喷丸介质。为了表征能量束，可以将束功率(P)、束尺⼨(H)和束扫描参数集中到单个变量中。线性（Linear energy densities,LED ）、⾯积（area energy densities,AED）和体积能量密度（volume energy densities,VED）可以表⽰为:

其中LED：线性能量密度(焦⽿/毫⽶)，AED ：⾯积能量密度(焦⽿/平⽅毫⽶)，VED：体积能量密度(J/mm3)，P ：能量束功率(⽡)，H：扫描线间距(毫⽶)， D ：层深(mm)，S：光束扫描速度(毫⽶/秒)

虽然LED和AED都已有过相关研究，但相⽐⽽⾔VED更具可信度，因为它代表了在三维空间中如何耗散功率来熔化材料。

玻璃球⽤于喷丸处理通过直接⾦属激光烧结(DMLS，⼀种粉末床熔融⼯艺)⽣产的AlSi10Mg。两个完⼯样品的表⾯在0.95和2.38J/mm2 的极端⾯积能量密度下，在不同⽓压下进⾏玻璃喷丸处理。在图19中，15号样品上的⼤扫描线间距导致0.95 J/mm2 的较低⾯积能量密度和⾮常多孔的表⾯。喷丸处理使表⾯变平并“弥合”了表⾯孔隙。表8⽐较了喷丸前后的表⾯光洁度。该⼯艺在0.8兆帕的最⾼压⼒下对AlSi10Mg合⾦最有效，将表⾯光洁度从14.35降低到2.50微⽶。

▲图19 上图: 玻璃喷丸前后直接⾦属激光烧结(DMLS)AlSi10Mg的表⾯光洁度

下图：a 成品DMLS样品的表⾯形貌图，b：30分钟后的表⾯形貌显⽰表⾯峰消失

表8 喷丸压⼒对直接⾦属激光烧结AlSi10Mg合⾦表⾯光洁度的影响

与此同时，需要注意使⽤喷丸处理很难获得亚微⽶Ra的光学光洁度，因为喷丸处理的球体在撞击时只是塑性地移动了它们周围的材料(图19)。如果需要镜⾯抛光，则需要额外的⼯艺。其他影响因素包括珠直径、⼊射⾓和珠速度等。

据估计，每次加⼯后玻璃珠造成的损坏约为10%，因此这种喷丸介质可以回收9⾄12次。另⼀个需要考虑的问题是，尽管产⽣了有益的压缩应⼒，但当累积塑性应变超过喷丸材料的临界极限时，微裂纹仍可能会产⽣。

2.6.4 抛光（Buffing）abaqus后处理

抛光是另⼀种机械技术。它使⽤的电机通常在3000到7000rpm转速之间运⾏，使⽤不同硬度、硬度和直径的柔性抛光轮以及各抛光剂。抛光化合物从粗到细的颜⾊代码为⿊⾊、灰⾊、棕⾊、⽩⾊、红⾊和棕⾊。

对于需要抛光的特定材料，建议使⽤特殊颜⾊——例如绿⾊代表不锈钢材料，橙⾊代表铝，蓝⾊代表铂。曾经进⾏过⼀项关于SLM Inconel 718的x-z平⾯抛光的研究。橙⾊(指粗糙)和⽩⾊(指精细)抛光化合物以1650⽶/分钟在3500rpm、150毫⽶直径的抛光轮下总共操作⼗分钟。获得下图中的镜⾯光洁度，表⾯光洁度略低于1µm。当在平⾏或垂直于抛光⽅向上测量线表⾯光洁度时，由沿着抛光路径的细槽引起的抛光表⾯的波纹度显⽰在表⾯光洁度数据的微⼩差异上。

▲图20 抛光后的 SLM Inconel 718 合⾦表⾯

由于表⾯上不可避免的孔隙，区域表⾯光洁度Sa的值⾼于线表⾯光洁度Ra(图21)。在边缘倒圆⾄1毫⽶的抛光样品上测量圆⾓半径。通过在抛光过程中使⽤铝掩模来保护零件边缘，圆⾓半径减⼩到0.40毫⽶；通过使⽤钢掩模，进⼀步减⼩到0.10 mm。

▲图21 SLM Inconel 718合⾦经橙⾊化合物粗（rough）抛光和另外的⽩⾊化合物细（fine）抛光后的表⾯光洁度，抛光时间⾮累计

抛光相对其他的机械加⼯过程，成本相对较低，但它有其局限性，包括:

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