[發(fā)明專利]一種3D打印金屬表面飛秒激光清掃方法

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• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112372142A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設計）人: 梁春永;胡亞洲;劉寧;鄒顯睿;王洪水;楊泰
• 申請（專利權）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352;B23K26/354;B23K26/36;B08B7/00
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 陳娟

本發(fā)明公開了一種3D打印金屬表面飛秒激光清掃方法，采用飛秒脈沖激光與掃描振鏡系統(tǒng)結合清掃3D打印金屬構件復雜表面，以此來降低其表面粗糙度，提高表面質量。采用本發(fā)明提供的表面處理方法可使得3D打印金屬構件表面粗糙度(R_a)從20μm降低至2μm，進一步拓展了3D打印產品的應用范圍。本發(fā)明所述的表面清掃方法與傳統(tǒng)的研磨拋光工藝相比，激光拋光沒有污染高效，加工過程中熱影響區(qū)域小，可在不損傷構件基體的情況下實現快速自動化復雜表面清掃處理，且在清掃過程中修復了微孔和裂紋，減少裂紋的萌生，顯著提高樣品的疲勞壽命。該方法在3D打印金屬構件后處理方面具有重要的應用前景。

技術領域

本發(fā)明屬于激光表面處理領域，涉及3D打印技術，尤其是一種3D打印金屬表面飛秒激光清掃方法。

背景技術

增材制造具有制造更輕的部件和更好的生物相容性的優(yōu)點。其正在被廣泛用于航空航天，醫(yī)療器械的開發(fā)，特別是具有復雜表面，微結構孔隙度和患者特定幾何形狀的植入物。盡管 3D打印在很多方面表現出極大的優(yōu)勢，但其成型原理決定了3D打印產品的表面形貌較差，表面粗糙度較高，難以達到工業(yè)使用要求的標準。與常規(guī)生產的部件相比，由于增材技術制造的表面主要問題是通常具有較高的表面粗糙度，顆粒不完全融化，易脫落，等缺點。因此，對于許多應用，需要進行復雜的后處理以改善表面質量。

目前增材制造構件的后處理方法主要有機械方法，化學/電化學方法。其中傳統(tǒng)的機械拋光包括砂紙打磨，車床拋光，砂輪拋光。對于凹槽(深孔)，非平整表面或金屬構件的邊角加工存在困難。對于航空航天裝備與生物醫(yī)療器械，普遍采用鈦合金，屬于高溫合金等難切削加工材料，機械加工周期長，刀具成本高。由于缺乏可行的對非平整表面的自動化拋光技術，復雜構件一般由人工來完成，依賴操作人員的經驗，缺乏統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。化學方法需要經常更換化學溶液，且存在表面平整度不可控，且使用化學液體造成環(huán)境污染問題尚未解決。電化學對于鈦合金及鎳基合金之類的多組元高合金化金屬，各組員與不同物相間的電極電位及電阻率影響去除速率，易鈍化的鋁，鉻等金屬元素混雜其中，更增加了其存在部分區(qū)域的剝離去除難度。

激光處理是一種新型獲得材料表面平滑的加工方法，其中連續(xù)激光(紅外波長激光)或長脈沖激光(脈寬為納秒至幾十毫秒)是利用材料與激光相互作用所產生的熱效應，通過加熱形成的熔池熔化等熱作用來去除表面薄層物質，從而得到拋光的效果。由于拋光材料的熱效應，表面熱應力和溫度梯度比較大，對硬脆性材料拋光時容易產生裂紋。另一方面，連續(xù)激光(紅外波長激光)或長脈沖激光由于過大的能量輸入導致表面缺陷，可能影響整體形狀和機械性能，在拋光的同時無法保證拋光與表面性能與機械性能的平衡。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種采用飛秒激光(超短脈沖)清掃3D打印金屬構件表面的方法。該方法可廣泛應用于3D打印金屬零件表面的后處理，使用超短脈沖激光，根據目標需求，利用一次或多次激光快速處理獲得目標構件表面的平滑的金屬表面，同時修復微孔和裂紋，提升增材制造金屬的抗疲勞性能。

為了實現上述目標，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種3D打印金屬表面飛秒激光清掃方法，采用飛秒脈沖激光對3D打印得到的具有復雜三維表面的金屬構件進行表面清掃處理，包含如下步驟：

(1)將3D打印金屬構件固定在數控三維平移臺的夾具上；

(2)利用視覺檢測系統(tǒng)對目標構件進行三維模型重建，確定目標構件表面的三維形貌及坐標參數，生成三維移動平臺運動軌跡的控制程序；

(3)激光拋光之前三維平移臺通過點動控制，經過粗調、微調到距離增材制造件表面 0.1～1mm；調整到該點之后，點動控制下遠離增材制造件表面9.8～10mm，此時激光光斑處在正離焦狀態(tài)，且離焦距離為0～100um，完成激光拋光之前的對刀；