3D打印产品表面粗糙度解决方案你了解有多少？

来源：霍尔榜

增材制造技术在各领域都具有非常广泛的应用前景，但是坏在它的粗糙度非常的高，10~50微米的粗糙度根本没办法满足高端装备对组件表面品质的要求，它的实际应用还是很受限制，对于增材制造产品来讲，它要走上实用之路，进行合理的表面精整处理肯定是势在必行的。2022年8月2日“增材制造复杂金属构件表面精整的卡脖子点及案例解析“主题直播中，学习到了目前适用于增材制造产品表面精整的解决方案，也了解到了目前精整行业内的公认技术难题亟待攻克。那么，3D打印产品表面粗糙度解决方案你了解有多少？

△3D打印多孔结构的骨植入物

霍尔榜：激光精整技术它的激光跟SLM激光有什么差异？
南京尚吉增材制造研究院：激光抛光、激光刻蚀，还有SLM都属于激光加工技术。我觉得它们原理上并没有特别大的区别，差异主要在于能量的大小。做SLM的时候，就需要足够的能量熔化粉末再进行结晶，生成我们所要的形状。但是做激光抛光的话，它需要的能量是比较低的，可能会需要多道扫描来实现平滑化。

霍尔榜：仿形性抛光，针对不同材料都有哪些材料验证过了？
南京尚吉增材制造研究院：仿形性抛光技术，其实它的范围已经很广了，像我们讲的磨粒流、气液固三相，电解质等离子体，它们都是仿形性抛光。已经经过验证的材料当然是很多种，对于气液固这种主要靠物理力来进行作用的，只要不是超硬材料，其它的材料种类都应该是可以的。

对于磨粒流加工也类似，都主要靠机械力，所以它对于材料种类适用性很广，只要硬度不是过高，应该都可以加工的。可能唯一要判断的是电解质等离子体抛光，它必须要在特定的溶液体系中才能够进行。对于电解质等离子体这块，目前研究最为成功的案例是不锈钢，不锈钢之后，最近两年也开始陆续出现了钛合金、高温合金、铜合金，还有银的处理。

霍尔榜：仿形性抛光的往下侵蚀抛光速率大概能达到什么水平？
南京尚吉增材制造研究院：这个问题其实是要分处理的技术种类的，像等离子体抛光，它的抛光去除速率是可以根据工艺和时间来进行调的，根据需要来设定去除速率和去除量。

气液固这边，它因为去除速率比较慢，所以一般去除效果是比较少的，可以作为光亮处理。

磨粒流的话，它就是一个比较大作用力的处理方式，去除速率和去除量都会比较大，这个要结合具体工件的需求和工艺来进行分析。

霍尔榜：电解质等离子抛光可以对零件抛光的同时进行减重吗？对零件质量会减少多少？
南京尚吉增材制造研究院：电解质等离子体抛光跟我们自己开发的技术差不多，都是利用气团爆破的能量来进行剥离的，就相当于有很多的微炸弹在爆炸，打到工件表面肯定是能去除表面金属的。至于剥离量或者减重多少，需要根据客户需求进行工艺和时间的调整。

霍尔榜：钨有合适的电解质吗？
南京尚吉增材制造研究院：钨目前是一个很难处理的问题，因为钨本身金属的物理性能太稳定了，化学性能也太稳定，所以很难处理。我前面也试过一些，可以有抛光效果。但是我觉得它在反应的过程中，可能会生成一些毒害性的东西，后来就没有再继续测试了。

霍尔榜：镜面级加工是什么标准，有哪些水平分级？
南京尚吉增材制造研究院：说到镜面级，我们在跟客户沟通过程中，客户经常会问我们能不能帮他加工到镜面级，我们就要进一步追问他的镜面等级是要到哪个等级？大概粗糙度范围是多少？客户通常又不知道了。所以，关于镜面等级我有必要跟大家讲一下，不管哪种成型或加工方式，都会在工件表面留下一些刀痕或者起伏的现象，这就是所谓的表面粗糙度，过去也叫做表面光洁度。像我们一般车床的话，大概做到3.2微米的比较多，做到1.6微米的已经是很高的车工水准了。

当然，这个1.6跟我们讲的镜面抛光是没有关系的。当粗糙度大小到0.8微米层次的时候，就可以较清晰的倒映出物品的影像，我们认为是初步获得了镜面加工的效果。所以镜面入门认为是0.8微米，0.8微米基本上是车不出来的，通常要上磨床了。

比较清晰的镜面加工水准，粗糙度大概是0.3~0.4微米，当粗糙度降低到0.1微米以后，就已经进入到高品质的镜面加工阶段，比如像0.1它是一个暗光泽的镜面，0.05通常称为亮光泽的镜面效果，0.025就是达到了镜状的光泽面效果，0.012和0.006基本上是比较高标准的镜面标准，也是很难达到的了。

霍尔榜：钛合金等离子抛光会有变色问题吗？
南京尚吉增材制造研究院：我所了解到的钛合金等离子体抛光应该是有这样的问题。因钛合金它特别容易氧化，它对温度特别敏感，而等离子体抛光是需要温度来进行启动的，所以钛合金变色的问题是没有办法避免的。但是它的变色，肯定跟普通做氧化处理得到氧化皮是不一样的，是可以轻松除去的。

霍尔榜：内腔精整能提供一些思路吗？
南京尚吉增材制造研究院：对于内腔体比较大，可以用接触式抛光方式。腔体比较小的，接触式不方便进出，不方便流动的就不适合。普通的内腔，像比较直一些的，或者说变径不是那么大的，磨粒流还是一个比较成熟、比较好的解决方式。如果内腔或者内流道特别复杂，用磨粒流会发生局部变形、过抛这一类的，就能用这个技术了。当然，PPT汇报中提到的一些柔性加工技术，像一些低毒性的化学抛光技术，或者低粘度的磨粒抛光技术，我觉得也应该是有效的，我们也正在进行这方面的探索。

霍尔榜：磨粒流到底能不能比较多的去材料，然后对粗糙度的提高是什么级别？比如说是从6.3提高到多少？0.8能提高到吗？
南京尚吉增材制造研究院：可以的，磨粒流这项技术，大家可以理解成橡皮泥包裹着硬质颗粒，在产品表面进行表面摩擦进行去除的，把磨料换成不同粒径的，就可以实现不同粗糙度的加工效果。磨粒流是可以做到镜面效果的，但是中间可能需要换多道的磨料、多次调整工艺。

霍尔榜：有格栅结构的钛合金零件表面抛光有什么建议的抛光技术吗？
南京尚吉增材制造研究院：格栅结构我目前认为，流体抛光是它的唯一选择，其它的抛光技术都不适合它。

霍尔榜：影响抛光成本的因素主要有哪些？
南京尚吉增材制造研究院：这个就比较多了。首先，抛光成本就必须涉及到抛光工艺的选择，第一个比较重要的就是，产品的起始粗糙度和目标粗糙度，这两者之间的差异决定了处理制程的类型和长短。比如说，要选择哪些工艺组合，会得到什么样的效果，这些跟成本是正相关的。

第二个是产品的尺寸、表面积大小。就是尺寸表面积越大的，需要处理的时间就越久，耗材也越多，成本也就会越多，这些大家都是可以理解的。另外一个就是产品的结构特征，结构越复杂的处理难度越高，对工艺要求也比较高一些，成本也就越高。比如相互遮挡的窄缝，曲面、尖锐角或者含孔流道这些，就可能需要特殊的技术进行分段处理，相对的成本肯定是高的。

另外一个就是产品材质，材料不同，它的物理化学性质不同，像硬度、易氧化性、生锈这些新性质都是不同的。像钛合金，它就非常容易发生自然氧化，也容易发生加工硬化，它的机加工，这些传统加工的难度都很高。对它进行化学或电化学加工的难度也比其它金属要高，没有其它技术成熟，所以钛合金的综合加工成本也是比较高的。

霍尔榜：不同的表面处理方式对材料的性能都会产生什么样的影响？
南京尚吉增材制造研究院：我觉得主要取决于材料表面，所接受到的作用力的类型，和加工以后材料表面的完整性来决定的。比如像机加工、磨粒流这一类作用力是机械摩擦力的，加工后的产品表面，不可避免的会存在一些微裂纹和残余硬力，会对工件的质量和使用寿命有一定的影响。比如像产品有应力残留发生了加工硬化，它的硬度可能会有所提升。

另外一类像化学、电化学腐蚀类的，它可能会有一些腐蚀痕迹，会影响产品的强度，也可能会存在一些氧化膜，比如像不锈钢在进行电化学抛光的时候会形成一个富络膜，这个膜可以对产品的耐蚀性会有一定的影响。等离子体抛光技术，因它主要是靠工件表面紧密覆盖的 高能粒团的持续轰击产品表面的各个部分工作的，因此它做出来的产品表面基本上是没有损伤的，也没有杂质残留和应力残留的现象，所以它加工产品的强度变化是不会很明显的。但是硬度可能会略微的降低，这种均匀的打击处理方式，会在一定程度上解除了加工硬化的效果，对硬度可能会有一定的影响，我们尚吉开发的精整技术也有类似的特性。

霍尔榜：工件抛光目前整个抛光技术能抛光最大的面积能有多大？
南京尚吉增材制造研究院：我觉得这个问题可能需要看一下您的要求，再选择抛光技术。因为有些技术它是适用于大尺寸工件的抛光，有些技术并不适用于大尺寸工件的抛光，要根据您的需求具体选择一下技术，再详细地看待这个问题。

霍尔榜：给大家一个关于流道的高精度的抛光案例，让大家也学习一下
南京尚吉增材制造研究院：可能比较著名的流道就是模具了，之前有很多朋友来咨询，对于模具，它内部的要求肯定是镜面级的，起始等级应该要做到0.06左右，高的可能会到0.01的水准，是一个非常高的镜面水准。

像电解抛光、流体抛光这些抛光方法，因为它很难精准控制零件的几何精度，对模具可能是不太适用的。化学和超声波、磁流体抛光这一类的方法，它的表面质量可能达不到粗糙度等级的要求。所以目前对于模具领域还是以机械抛光为主，一般抛光的流程是先用粗的油石，对模具的型腔表面进行一道粗打磨，粗打磨的目的主要是要去除加工的刀痕，然后再使用下一等级的油石，去打磨掉上一等级粗的油石的加工印迹。等把这些加工印迹逐级去除掉之后，再用细的砂纸，对它的表面进行打磨，最后还要使用像抛光膏、研磨膏这类的，对型腔表面进行进一步的精整处理，从而达到光亮如镜的加工效果。
当然也有部分模具局部，是可以使用超声波抛光来进行增亮，这样的处理效率比较高一些，行业内有人在用，但是普及率还是不高，主要还是以机械人工为主。

霍尔榜：目前南京尚吉的抛光技术都达到什么样的技术水平了？
南京尚吉增材制造研究院：我们南京尚吉抛光技术，是根据行业内多种抛光技术的特点，融合了电场和流场抛光的特点而自行研发的。我们最低的粗糙度水准可以达到0.1微米，能够达到较好的镜面级加工效果。而且加工是均匀性的加工，因为电场和流场之间可以相互影响，就可以在均匀性方面做比较多的工作。

另外，对于我们技术加工产品的形状精度也是比较高的，去除速率我们是可以通过工艺进行控制，产品的尺寸公差可以做到±20微米。同时，我们加工出来的产品也是没有应力，没有裂纹，没有加工硬化层的，对原始材料性能几乎没有影响。另外一点，我们使用的试剂都是环保型水溶性的，不会有残留，产品表面也是非常干净的。