[发明专利]一种3D打印金属表面飞秒激光清扫方法

说明书

本发明公开了一种3D打印金属表面飞秒激光清扫方法，采用飞秒脉冲激光与扫描振镜系统结合清扫3D打印金属构件复杂表面，以此来降低其表面粗糙度，提高表面质量。采用本发明提供的表面处理方法可使得3D打印金属构件表面粗糙度(R_a)从20μm降低至2μm，进一步拓展了3D打印产品的应用范围。本发明所述的表面清扫方法与传统的研磨抛光工艺相比，激光抛光没有污染高效，加工过程中热影响区域小，可在不损伤构件基体的情况下实现快速自动化复杂表面清扫处理，且在清扫过程中修复了微孔和裂纹，减少裂纹的萌生，显著提高样品的疲劳寿命。该方法在3D打印金属构件后处理方面具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于激光表面处理领域，涉及3D打印技术，尤其是一种3D打印金属表面飞秒激光清扫方法。

背景技术

增材制造具有制造更轻的部件和更好的生物相容性的优点。其正在被广泛用于航空航天，医疗器械的开发，特别是具有复杂表面，微结构孔隙度和患者特定几何形状的植入物。尽管 3D打印在很多方面表现出极大的优势，但其成型原理决定了3D打印产品的表面形貌较差，表面粗糙度较高，难以达到工业使用要求的标准。与常规生产的部件相比，由于增材技术制造的表面主要问题是通常具有较高的表面粗糙度，颗粒不完全融化，易脱落，等缺点。因此，对于许多应用，需要进行复杂的后处理以改善表面质量。

目前增材制造构件的后处理方法主要有机械方法，化学/电化学方法。其中传统的机械抛光包括砂纸打磨，车床抛光，砂轮抛光。对于凹槽(深孔)，非平整表面或金属构件的边角加工存在困难。对于航空航天装备与生物医疗器械，普遍采用钛合金，属于高温合金等难切削加工材料，机械加工周期长，刀具成本高。由于缺乏可行的对非平整表面的自动化抛光技术，复杂构件一般由人工来完成，依赖操作人员的经验，缺乏统一性和稳定性。化学方法需要经常更换化学溶液，且存在表面平整度不可控，且使用化学液体造成环境污染问题尚未解决。电化学对于钛合金及镍基合金之类的多组元高合金化金属，各组员与不同物相间的电极电位及电阻率影响去除速率，易钝化的铝，铬等金属元素混杂其中，更增加了其存在部分区域的剥离去除难度。

激光处理是一种新型获得材料表面平滑的加工方法，其中连续激光(红外波长激光)或长脉冲激光(脉宽为纳秒至几十毫秒)是利用材料与激光相互作用所产生的热效应，通过加热形成的熔池熔化等热作用来去除表面薄层物质，从而得到抛光的效果。由于抛光材料的热效应，表面热应力和温度梯度比较大，对硬脆性材料抛光时容易产生裂纹。另一方面，连续激光(红外波长激光)或长脉冲激光由于过大的能量输入导致表面缺陷，可能影响整体形状和机械性能，在抛光的同时无法保证抛光与表面性能与机械性能的平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用飞秒激光(超短脉冲)清扫3D打印金属构件表面的方法。该方法可广泛应用于3D打印金属零件表面的后处理，使用超短脉冲激光，根据目标需求，利用一次或多次激光快速处理获得目标构件表面的平滑的金属表面，同时修复微孔和裂纹，提升增材制造金属的抗疲劳性能。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种3D打印金属表面飞秒激光清扫方法，采用飞秒脉冲激光对3D打印得到的具有复杂三维表面的金属构件进行表面清扫处理，包含如下步骤：

(1)将3D打印金属构件固定在数控三维平移台的夹具上；

(2)利用视觉检测系统对目标构件进行三维模型重建，确定目标构件表面的三维形貌及坐标参数，生成三维移动平台运动轨迹的控制程序；

(3)激光抛光之前三维平移台通过点动控制，经过粗调、微调到距离增材制造件表面 0.1～1mm；调整到该点之后，点动控制下远离增材制造件表面9.8～10mm，此时激光光斑处在正离焦状态，且离焦距离为0～100um，完成激光抛光之前的对刀；