激光制造技术扫描版下载(激光扫描速度对熔融沉积成型铝表面粗糙度和力学性能的影响)

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编辑|南笙墨舞

前言

熔融沉积建模（FDM）虽然逐渐成为不同行业中受欢迎的添加制造技术之一，但高表面粗糙度始终是FDM零件不可避免的缺点之一。激光抛光代表了激光表面辐照的最新和新颖应用，可用于对FDM零件常见的粗糙表面进行精确的后处理平滑处理。

一、3D打印技术的发展和应用领域

研究了激光抛光对铝基/聚乳酸（Al/PLA）复合材料表面改性和力学性能的影响。变化激光扫描速度以评估其对实验样品表面质量和力学性能的影响。激光抛光可以使表面粗糙度降低超过86.6％（从23.27μm降至3.11μmSa）。试样的拉伸强度也随着扫描速度的增加从41.01MPa提高到51.31MPa，增加了25.1％。

动态机械分析（DMA），在激光抛光后，Al/PLA复合材料试样的储存模量和玻璃化转变温度都有显着提高，这表明激光抛光处理可以在FDM零件内减少孔隙率，并改善PLA基体和Al纤维之间的界面粘合。此外，还观察了断口形貌以研究可能的强化机制。这些结果展示了激光抛光如何同时使FDM零件表面光滑并改变其表面特性。

随着快速成型速度和广泛的材料使用优势，增材制造（AM）技术正成为越来越重要的工业制造方法。作为AM技术之一，熔融沉积成型（FDM）由于设备和材料相对廉价、运行成本低、易操作、无污染且适用于办公环境等优点已经广泛应用于多个行业。在FDM过程中，聚合物建模丝经过加热器，丝材在流出加热喷嘴前先融化。喷嘴将挤出的丝材放在热床上，生成所需物体。支撑丝也通过另一个喷嘴经过同样的技术过程来构建零件的支撑。

FDM打印的原材料主要有两种，一种是热塑性聚合物材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）和聚碳酸酯（PC），另一种是热固性聚合物材料（如环氧树脂）。然而，随着技术的发展和用户需求的不断提高，纯聚合物已经无法满足新的需求。解决这个问题的两种方法是，一种是开发新材料，另一种是通过添加增强材料（如碳纤维、玻璃纤维和金属纤维）来开发聚合物复合材料。

二、激光打磨技术在3D打印中的应用研究

Cicala等人开发了一种含有陶瓷粉末的聚合物复合材料，具有较高的刚性和耐磨性，这使得其在一些特殊的应用中得到了广泛的应用。随着增材制造（AM）技术的优点越来越受到关注（如快速成型速度和广泛的材料应用），它正在成为越来越重要的制造方法。作为AM技术之一，熔融沉积成型（FDM）具有设备和材料相对便宜、运行成本低、易于操作、无污染和适合办公环境等优点，因此已经被广泛应用于几个行业。

FDM过程中，聚合物建造丝经过加热器，在流出加热喷嘴之前熔化。喷嘴将挤出的丝层层叠加到热床上，生成所需的物体。支撑丝通过另一个喷嘴经历相同的技术过程来建造零件的支撑结构。FDM打印的原材料主要分为两种。一种是热塑性聚合物材料，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）和聚碳酸酯（PC），另一种是热固性聚合物材料（例如环氧树脂）。

然而，随着技术的发展和用户需求的不断改进，纯聚合物无法满足新的要求。提出了两种解决方案，一种是开发新材料，另一种是通过添加增强材料（如碳纤维、玻璃纤维和金属纤维）开发聚合物复合材料。Cicala等人开发了一种低成本的聚醚酰亚胺/聚碳酸酯（PEI/PC）材料，具有与Ultem9085类似的性质，因此在应用中具有吸引力。

Ning等人研究了工艺参数对FDM制造的碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料部件拉伸性能的影响。他们得到了最佳参数，栅格角度为[0，90]，填充速度为25mm/s，后处理是减少FDM打印零件表面粗糙度的另一种新颖解决方案。多种后处理技术已被证明可以有效地减少FDM打印零件的表面粗糙度，如滚筒抛光（预期表面粗糙度值为5-60μm，取决于处理参数和循环次数）、蒸汽平整（1-20μm）、化学处理（5-20μm）、热切割加工（15-90μm）、磨料流加工（50-80μm）和磨料喷射去毛刺（50-90μm）[[31],[32],[33],[34],[35],[36]]。

三、激光打磨对Al/PLA复合材料制品性能的影响

Pandey等人研究了使用热切割机减少FDM打印零件表面粗糙度的解决方案。他们得出结论，所提出的加工方法能够在87%的置信水平下产生约0.3μm的表面粗糙度。Percoco等人提出，可以使用化学精整处理（90%二甲酮和10%水）并在曝光时间长达5分钟的情况下将表面粗糙度降低达90%，在某些情况下改善机械性能。然而，这些传统的后处理方法也有多个缺点，包括不能处理复杂形状的零件、环境问题以及高时间消耗和成本。

激光抛光是一种相对较新的后处理技术，用于减少零件表面粗糙度。它主要是基于激光辐射产生的熔化作用。与通过机械材料去除进行抛光相比，通过重新熔化进行激光抛光提供了可调的抛光速度，没有来自抛光介质的化学污染，并且是一种无接触过程，没有工具磨损或其他抛光介质耗材。在某些激光抛光的应用中，为最小化氧化，可能需要使用保护气体。

当激光与金属材料表面相互作用时，由于熔池内的流体力，它可以快速抛光和固化表面。对于复杂表面，激光抛光也可以快速实现微米级别和选择性抛光。激光抛光也适用于可能难以使用传统方法进行抛光的FDM由于这些优点，激光抛光技术预计将在某些应用领域补充或可能取代传统抛光方法。Chai等人使用3WCO2激光功率，150mm/s扫描速度，30ms扫描延迟和0.025mm线间距的参数，将PLA零件表面粗糙度减少了高达68%。

Yung等人开发出一种有效的方法，可将复杂表面几何形状的CoCr合金的表面粗糙度降低高达93％，同时与原始SLM组件相比，激光抛光样品的表面硬度提高了8％。He等人实现了熔融石英的有效抛光，使均方根粗糙度最大降至0.156nm，而且没有微缺陷或损伤。Wang等人发现，激光抛光添加制造的CoCr合金部件可以获得0.45μm的表面粗糙度和约30％更好的耐腐蚀性能，优于一些热机械处理样品。

四、表面形貌和性能的测试与分析

只有少数研究人员关注使用激光抛光来降低FDM打印的聚合物零件的表面粗糙度并改善机械性能，特别是对于FDM复合零件。本研究的目的是研究脉冲激光抛光的激光扫描速度对FDM制造的Al/PLA复合部件的影响。研究了激光抛光前后Al/PLA复合材料试样的拉伸和动态力学性能。采用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察Al/PLA复合材料试样的表面形貌和断口形貌。

此外，还测量了试样的表面参数，包括表面轮廓和表面粗糙度，以研究表面处理对Al/PLA复合材料试样力学性能的影响机理。创新之处在于全方位分析了激光扫描速度对FDM部件性能的影响，并提供了一种高效实用的表面处理和性能提升方法。本实验使用直径为1.75毫米、含6.95重量%铝纤维的Al/PLA复合材料（SainSmart,8021FlintStreet,Lenexa,K

ansas,66214,UnitedStates）制备样品。

采用热重分析（TGA）测量了铝纤维的实际质量分数。采用NetzschTG209F1Libra在液氮气氛下对约10毫克的Al/PLA复合材料进行TGA测试，表面形貌和表面粗糙度是材料科学的重要领域，对精密元件的机械性能有重要影响。为了进一步评估激光扫描速度对表面质量的影响，呈现了所有样品（工件的测量范围为1.42毫米×1.07毫米矩形）的三维形貌和表面粗糙度图谱。

显示了未经抛光的样品表面，显示了激光抛光样品表面的形貌。创新之处在于分析了激光扫描速度对FDM打印件各方面性能的影响，并提供了一种有效且实用的表面处理和性能提升方法。随着3D打印技术的不断发展，FDM成为了一种最常见的3D打印技术。然而，FDM打印的零件表面质量通常存在一定程度的毛刺和层状结构，这些缺陷会直接影响零件的力学性能和精度。

五、表面形貌和性能测试结果的应用和展望

表面处理成为了FDM技术的一个热门话题。激光抛光技术是一种有前途的表面处理方法，它可以通过激光扫描的方式改善FDM打印的零件表面质量，从而提高零件的力学性能和精度。通过对不同激光扫描速度下的铝/聚乳酸复合材料进行激光抛光实验，研究了激光扫描速度对复合材料力学性能的影响。使用了光学显微镜和扫描电子显微镜来观察复合材料的表面形态和断口形貌，并通过测量表面形貌参数来研究表面处理对复合材料力学性能的影响机理。

激光抛光可以显著改善FDM打印零件的表面质量。与未经过激光抛光的零件相比，经过激光抛光的零件表面光滑度更高，表面毛刺更少。此外，还发现激光抛光可以提高复合材料的拉伸性能和动态机械性能。这些结果表明，激光抛光技术是一种有效的表面处理方法，可以用来改善FDM打印零件的表面质量和力学性能。

在本研究中，还发现激光扫描速度对零件表面质量和力学性能有重要影响。发现，随着激光扫描速度的增加，复合材料的表面质量逐渐变差，表面毛刺和熔融沉积物的数量逐渐增加。同时，拉伸强度和动态机械性能也会逐渐降低。在使用激光抛光技术改善FDM打印零件表面质量和力学性能时，需要仔细选择激光扫描速度。

结论

利用脉冲激光抛光技术对Al/PLA复合材料进行了表面处理，并对处理前后的机械性能和表面质量进行了评价。使用激光抛光技术可以显著地改善Al/PLA复合材料的表面质量和机械性能。此外，还发现激光扫描速度对处理后材料的性能有显著影响，适当的激光扫描速度可以实现最佳的表面质量和机械性能。本研究提供了一种有效的表面处理方法，可用于改善FDM3D打印复合材料的性能。

参考文献

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J.Yung,C.Lin,T.Huang等人，"激光抛光对SLM制造的CoCr合金表面的改性"，《材料加工技术》杂志，第225卷，1-8页，2015年。

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