MRL:過電位電化學拋光對金屬打印部件進行高效表面精密拋光

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：新加披的學者發(fā)展了一種稱之為過電位的電化學拋光技術，高度有效的該表面拋光技術來拋光復雜形狀且粗糙的３D打印金屬部件的表面，該技術可以實現(xiàn)３D打印部件的機械性能和功能的改善。


金屬選區(qū)激光熔化（SLM）３D打印技術制備的金屬部件的表面粗糙度比較大，從而限制了該技術更為廣泛的應用。來自新加披和哈工大的學者發(fā)展了一種過電位拋光技術來有效的對３D打印的金屬部件表面進行了拋光，尤其是有效的移除了黏附的顆粒。通過結合過電位電化學拋光和傳統(tǒng)的電化學拋光技術，移除厚度約７０µm，達到平均粗糙度為０.１８µm。比較有趣的是，采用此技術來拋光的壓應力峰值和打印的晶格結構的能量吸收特性幾乎可以翻倍。而且，成功的對打印的 316L不銹鋼、4130鋼和AlSi10Mg進行了拋光，表明了該技術在拋光其他的打印部件方面也具有明顯的優(yōu)勢。

圖1　3D打印不銹鋼表面的形貌示意圖及其表面輪廓的示意圖： (A) 3D打印的金屬部件的表面是來自于SLM制造過程中的點點打印過程；(B) 打印后的表面； (C) 打印后的表面，可以分成 Type I 和 Type II 兩種表面輪廓類型； (D) 組合過電位電化學拋光（OECP）和電化學拋光（ECP）的拋光打印部件策略； (E) 采用組合的過電位電化學拋光和電化學拋光在拋光復雜的邊部形狀的表面之前和之后的情形�！�

圖２施加不同的電位在打印的部件表面的時候，同樣拋光２０ｍｉｎ所得到的拋光效率和拋光質(zhì)量的比較：(A) SEM對打印的沉積態(tài)的３１６L不銹鋼的分析結果；　(B–F) 在電位分別為1.5、 1.7、1.9、2.1 和 2.2 V的時候測量得到的拋光側邊的SEM分析結果. (E)得到的光滑的表面拋光后的結果，標尺為 100 µm.

背景介紹
選區(qū)激光熔化（SLM）技術作為一種強大的３D打印制造技術，可以制造致密和強度較高的打印部件，且在制造復雜形狀上和柔性制造上具有獨特的優(yōu)點。然而，SLM制造的金屬表面經(jīng)常由于３D打印工藝是以粉末為基礎的點－點沉積過程，從而經(jīng)常在表面形成粗糙的表面形態(tài)。這一情形在打印具有內(nèi)通道的復雜結構（如晶格、管道）的時候就更為嚴重。除了機械性能之外，粗糙的表面還會影響到部件的其他特性，如能量吸收特性、耐腐蝕性、流體動力學特性和光學性質(zhì)等。

圖３在過電位電化學拋光（OECP）和綜合過電位電化學拋光（OECP）和電化學拋光（ECP）進行拋光時的表面粗糙度和移除的厚度的評估：(A)傳統(tǒng)的平均表面粗糙度(Ra)和移除速率隨著拋光時間變化時，在過電位拋光條件下的結果； (B) 在綜合過電位電化學拋光和電化學拋光的時候，得到的表面形貌和相應的移除厚度　

直到今天，通過優(yōu)化SLM打印工藝參數(shù)來改善表面粗糙度也只能對改善表面粗糙度起到非常有限的作用。外表面的粗糙度表面可以通過原位激光重熔來改善，但這一重熔技術對外表面或內(nèi)通道的改善非常有效（見圖１S１A和S１B）。一些部件的表面可以通過拋光工具或激光束進行進一步的拋光，如噴砂或激光拋光。然而，這些常見的拋光手段對內(nèi)部表面可謂束手無策，例如具有高縱橫比的管道和晶格結構。增減材復合制造技術曾經(jīng)用來改善金屬打印部件的表面質(zhì)量。然而，減材時所導致的不規(guī)則形狀的機械加工廢物則會阻礙粉末的鋪展，而且層層機加工也會是比較耗時的一種過程且會破壞打印的精細結構。曾經(jīng)研發(fā)的化學研磨技術來拋光SLM制造的部件，但該技術的移除速率太慢，經(jīng)常會導致會同原設計的形狀和尺寸存在偏差。由于形貌的改變，化學研磨后其機械性能也會發(fā)生改變。

圖S1.  在采用SLM技術制備的３D結構中形成的表面粗糙度的不同的表面和機制：(A)在SLM制造的過程中得到的頂部、邊部和內(nèi)部表面的曲線圖；(B) 在典型的金屬３D打印部件中得到的不同表面的例子；(C)臺階效應的形成；(D)球化效應的形成； (E)黏附顆粒的形成

圖4　采用傳統(tǒng)的電化學拋光（ECP）技術和新穎的過電位電化學拋光技術（OECP）拋光的3D打印的體心立方（BCC）晶格的表面(A) ：沉積態(tài)的粗糙的晶格表面，黏附著顆粒；(B) 在采用傳統(tǒng)的電化學拋光技術拋光40min之后的晶格的表面，得到精細的棱，在電化學拋光過程中破壞了；(C) 在采用新穎的電化學拋光技術之后得到的晶格的形貌，拋光時間為40min，得到光滑和均勻的棱

電化學拋光（ECP）廣泛的應用于金屬精飾拋光，可以將原始粗糙度平均為～１µm拋光到鏡面的水平。對傳統(tǒng)的電化學拋光技術來說，在有限的電流穩(wěn)定期應用了相對較低的電壓。然而，在SLM３D打印的３D結構件中進行的非選擇性和均勻性拋光的有限的前人的研究和我們的初步研究結果表明，傳統(tǒng)的電化學拋光會導致SLM打印的結構非選擇性和非均勻性的拋光和移除。因此，非常有必要發(fā)展一種新的策略來拋光復雜的3D打印金屬部件的表面而對其原始結構實現(xiàn)盡可能少的破壞。

圖5采用微X射線CT技術對BCC晶格結構進行重建的３D模型并用于壓縮試驗和模擬分析。　

在本工作中，新加披的學者發(fā)展了一種新穎的拋光技術，一種組合過電位和傳統(tǒng)的電化學拋光的技術來有效的拋光3D打印的側邊和內(nèi)表面。選擇性的電位稍稍比電流穩(wěn)定期（過電位）要高，可以獲得移除黏附的顆粒時具有較高的移除速率。其進一步的拋光可以采用傳統(tǒng)的電化學拋光來實現(xiàn)。最后其Ra值可以從初始的~8µm降低到0.18µm，移除的最薄的厚度為~70µm。非常重要的是，特定的穩(wěn)定期應力和能量吸收同打印微晶格結構拋光后的部件相比較，幾乎翻倍。這一拋光的表面對復雜結構的終端應用非常有用，并且該技術突破了當前金屬3D打印的限制。

圖S5.OECP拋光技術對原始粗糙度的影響.：(A)  打印的側邊具有較大的初始粗糙度，插入的圖片為相應的示意圖；(B) 在（Ａ）中的粗糙表面在拋光４０ｍｉｎ之后所得到的不均勻的表面仍然存在；(C) 在工藝優(yōu)化之后，沉積的側邊表面具有少量的粗糙的表面；(D) 在圖（ｃ）的樣品，在拋光４０ｍｉｎ之后得到的光滑的表面。

圖S6.　在采用傳統(tǒng)的ECP和新穎的OECP技術在相同的條件下進行拋光晶格結構后表面的比較

圖S7. 　在綜合OECP（２０ｍｉｎ）和ECP（２０ｍｉｎ）后，拋光的晶格結構的表面。

圖S9. 采用３D打印技術設計制造的電極來拋光內(nèi)部表面 (A) 通過３D打印變形的電極具有固定直徑的曲線型管道進行OECP ；(B) 通過３D打印可變形電極采用OECP來實現(xiàn)可變直徑的管道；(C)  在采用綜合的OECP和ECP之后曲線管的內(nèi)部表面質(zhì)量的改善； (D)  設計的網(wǎng)格-柱狀電極來拋光晶格結構。

圖S10. 　SLM工藝制備的4130 鋼和 AlSi10Mg鋁合金板在采用OECP（20min）和ECP（20min）的時候，前后表面形貌的對比；(A ）打印的沉積態(tài)的AlSi10Mg；(B) 拋光的 AlSi10Mg板, 三電極系統(tǒng)在材料和工藝路線中給出 ；(C)  打印的沉積態(tài)的4130鋼板；(D)  拋光后的4130 鋼板,  (E)　 打印的沉積態(tài)的4130晶格BCC結構；(F)　拋光后的4130鋼BCC晶格結構。

文章來源：Highly effective smoothening of 3D-printed metal structures via overpotential electrochemical polishing,Shuai Chang, Aihong Liu, Chun Yee,Aaron Ong, Lei Zhang, Xiaolei Huang, Yong,Hao Tan, Liping Zhao, Liqun Li & Jun Ding,Materials Research Letters ,Volume 7, 2019, Issue 7,282-289,https://doi.org/10.1080/21663831.2019.1601645