一种激光抛光方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Laser Polishing Method

The invention provides a laser polishing method, which includes the following steps: 1) manufacturing 3D metal objects by adding material manufacturing technology; 2) lifting 3D metal objects by manipulator control system, and adjusting the orientation of laser processing area of 3D metal objects; and 6) forming inert gas environment around laser processing area of 3D metal objects, and then stimulating 3D metal objects. Laser radiation is carried out in the optical processing area. The novel laser polishing technology of the invention provides a highly flexible polishing solution for 3D printed metal products, which is advanced in technology and strong in practicability, and achieves the technical effect that traditional metal polishing technology can not achieve.

【技术实现步骤摘要】
一种激光抛光方法
本专利技术涉及增材制造领域，尤其涉及一种激光抛光方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术问题，提出了一种激光抛光方法。本专利技术提出的技术方案如下：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术上述的激光抛光方法中，惰性气体气源为氮气或氩气。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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专利技术作进一步说明，附图中：图1示出了本专利技术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示出了本专利技术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；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。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，在本实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的激光抛光方法，其特征在于，在步骤S3中，采用喷嘴(1)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。3.根据权利要求2所述的激光抛光方法，其特征在于，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)。4.根据权利要求3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。5.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：容锦泉，蔡恒生，莫晓泳，张绍松，肖婷予，王文静，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81