MRL:过电位电化学抛光对金属打印部件进行高效表面精密抛光

来源：江苏激光联盟

导读：新加披的学者发展了一种称之为过电位的电化学抛光技术，高度有效的该表面抛光技术来抛光复杂形状且粗糙的３D打印金属部件的表面，该技术可以实现３D打印部件的机械性能和功能的改善。


金属选区激光熔化（SLM）３D打印技术制备的金属部件的表面粗糙度比较大，从而限制了该技术更为广泛的应用。来自新加披和哈工大的学者发展了一种过电位抛光技术来有效的对３D打印的金属部件表面进行了抛光，尤其是有效的移除了黏附的颗粒。通过结合过电位电化学抛光和传统的电化学抛光技术，移除厚度约７０µm，达到平均粗糙度为０.１８µm。比较有趣的是，采用此技术来抛光的压应力峰值和打印的晶格结构的能量吸收特性几乎可以翻倍。而且，成功的对打印的 316L不锈钢、4130钢和AlSi10Mg进行了抛光，表明了该技术在抛光其他的打印部件方面也具有明显的优势。

图1　3D打印不锈钢表面的形貌示意图及其表面轮廓的示意图： (A) 3D打印的金属部件的表面是来自于SLM制造过程中的点点打印过程；(B) 打印后的表面； (C) 打印后的表面，可以分成 Type I 和 Type II 两种表面轮廓类型； (D) 组合过电位电化学抛光（OECP）和电化学抛光（ECP）的抛光打印部件策略； (E) 采用组合的过电位电化学抛光和电化学抛光在抛光复杂的边部形状的表面之前和之后的情形。　

图２施加不同的电位在打印的部件表面的时候，同样抛光２０ｍｉｎ所得到的抛光效率和抛光质量的比较：(A) SEM对打印的沉积态的３１６L不锈钢的分析结果；　(B–F) 在电位分别为1.5、 1.7、1.9、2.1 和 2.2 V的时候测量得到的抛光侧边的SEM分析结果. (E)得到的光滑的表面抛光后的结果，标尺为 100 µm.

背景介绍
选区激光熔化（SLM）技术作为一种强大的３D打印制造技术，可以制造致密和强度较高的打印部件，且在制造复杂形状上和柔性制造上具有独特的优点。然而，SLM制造的金属表面经常由于３D打印工艺是以粉末为基础的点－点沉积过程，从而经常在表面形成粗糙的表面形态。这一情形在打印具有内通道的复杂结构（如晶格、管道）的时候就更为严重。除了机械性能之外，粗糙的表面还会影响到部件的其他特性，如能量吸收特性、耐腐蚀性、流体动力学特性和光学性质等。

图３在过电位电化学抛光（OECP）和综合过电位电化学抛光（OECP）和电化学抛光（ECP）进行抛光时的表面粗糙度和移除的厚度的评估：(A)传统的平均表面粗糙度(Ra)和移除速率随着抛光时间变化时，在过电位抛光条件下的结果； (B) 在综合过电位电化学抛光和电化学抛光的时候，得到的表面形貌和相应的移除厚度　

直到今天，通过优化SLM打印工艺参数来改善表面粗糙度也只能对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过原位激光重熔来改善，但这一重熔技术对外表面或内通道的改善非常有效（见图１S１A和S１B）。一些部件的表面可以通过抛光工具或激光束进行进一步的抛光，如喷砂或激光抛光。然而，这些常见的抛光手段对内部表面可谓束手无策，例如具有高纵横比的管道和晶格结构。增减材复合制造技术曾经用来改善金属打印部件的表面质量。然而，减材时所导致的不规则形状的机械加工废物则会阻碍粉末的铺展，而且层层机加工也会是比较耗时的一种过程且会破坏打印的精细结构。曾经研发的化学研磨技术来抛光SLM制造的部件，但该技术的移除速率太慢，经常会导致会同原设计的形状和尺寸存在偏差。由于形貌的改变，化学研磨后其机械性能也会发生改变。

图S1.  在采用SLM技术制备的３D结构中形成的表面粗糙度的不同的表面和机制：(A)在SLM制造的过程中得到的顶部、边部和内部表面的曲线图；(B) 在典型的金属３D打印部件中得到的不同表面的例子；(C)台阶效应的形成；(D)球化效应的形成； (E)黏附颗粒的形成

图4　采用传统的电化学抛光（ECP）技术和新颖的过电位电化学抛光技术（OECP）抛光的3D打印的体心立方（BCC）晶格的表面(A) ：沉积态的粗糙的晶格表面，黏附着颗粒；(B) 在采用传统的电化学抛光技术抛光40min之后的晶格的表面，得到精细的棱，在电化学抛光过程中破坏了；(C) 在采用新颖的电化学抛光技术之后得到的晶格的形貌，抛光时间为40min，得到光滑和均匀的棱

电化学抛光（ECP）广泛的应用于金属精饰抛光，可以将原始粗糙度平均为～１µm抛光到镜面的水平。对传统的电化学抛光技术来说，在有限的电流稳定期应用了相对较低的电压。然而，在SLM３D打印的３D结构件中进行的非选择性和均匀性抛光的有限的前人的研究和我们的初步研究结果表明，传统的电化学抛光会导致SLM打印的结构非选择性和非均匀性的抛光和移除。因此，非常有必要发展一种新的策略来抛光复杂的3D打印金属部件的表面而对其原始结构实现尽可能少的破坏。

图5采用微X射线CT技术对BCC晶格结构进行重建的３D模型并用于压缩试验和模拟分析。　

在本工作中，新加披的学者发展了一种新颖的抛光技术，一种组合过电位和传统的电化学抛光的技术来有效的抛光3D打印的侧边和内表面。选择性的电位稍稍比电流稳定期（过电位）要高，可以获得移除黏附的颗粒时具有较高的移除速率。其进一步的抛光可以采用传统的电化学抛光来实现。最后其Ra值可以从初始的~8µm降低到0.18µm，移除的最薄的厚度为~70µm。非常重要的是，特定的稳定期应力和能量吸收同打印微晶格结构抛光后的部件相比较，几乎翻倍。这一抛光的表面对复杂结构的终端应用非常有用，并且该技术突破了当前金属3D打印的限制。

图S5.OECP抛光技术对原始粗糙度的影响.：(A)  打印的侧边具有较大的初始粗糙度，插入的图片为相应的示意图；(B) 在（Ａ）中的粗糙表面在抛光４０ｍｉｎ之后所得到的不均匀的表面仍然存在；(C) 在工艺优化之后，沉积的侧边表面具有少量的粗糙的表面；(D) 在图（ｃ）的样品，在抛光４０ｍｉｎ之后得到的光滑的表面。

图S6.　在采用传统的ECP和新颖的OECP技术在相同的条件下进行抛光晶格结构后表面的比较

图S7. 　在综合OECP（２０ｍｉｎ）和ECP（２０ｍｉｎ）后，抛光的晶格结构的表面。

图S9. 采用３D打印技术设计制造的电极来抛光内部表面 (A) 通过３D打印变形的电极具有固定直径的曲线型管道进行OECP ；(B) 通过３D打印可变形电极采用OECP来实现可变直径的管道；(C)  在采用综合的OECP和ECP之后曲线管的内部表面质量的改善； (D)  设计的网格-柱状电极来抛光晶格结构。

图S10. 　SLM工艺制备的4130 钢和 AlSi10Mg铝合金板在采用OECP（20min）和ECP（20min）的时候，前后表面形貌的对比；(A ）打印的沉积态的AlSi10Mg；(B) 抛光的 AlSi10Mg板, 三电极系统在材料和工艺路线中给出 ；(C)  打印的沉积态的4130钢板；(D)  抛光后的4130 钢板,  (E)　 打印的沉积态的4130晶格BCC结构；(F)　抛光后的4130钢BCC晶格结构。

文章来源：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