增材制造复杂金属构件表面精整技术几大解决方案

本文摘要（由AI生成）：

文章主要讨论了义齿加工流程中的多级打磨和表面处理方式，指出了传统流程耗时耗力、依赖人工且存在环境污染问题。提出了使用一体化设备替代传统流程的解决方案，并介绍了南京尚吉开发的设备在义齿处理中的应用效果。此外，还探讨了医疗植入物的表面处理方式，强调了等离子体抛光技术的适用性。最后，文章针对复杂内流道处理的技术难题进行了讨论，并提到南京尚吉团队在该领域进行的探索，旨在为行业贡献解决方案。

我们都知道，增材制造能够实现复杂构件的一体化快速成型，在很多领域都具有广泛的应用前景。但其产品的原始表面粗糙度通常高达10~50微米，无法实现直接应用，可以说粗糙度已经成为增材制造技术广泛应用的瓶颈之一，合理的表面精准处理势在必行。适用于增材制造复杂金属构件的表面精整现有的技术有哪些呢？最新研究进展情况如何？对于目前精整行业内的公认技术难题，复杂内流道精准抛光，又有哪些可能性的解决思路呢？

增材制造技术虽然发展也有不少年份了，但是它的实际应用还是很受限制的。增材制造产品表面精整处理比较传统的像人工打磨、喷砂和机加工这三种大家都比较熟悉，它们都属于接触式的摩擦去除机制，对于结构比较简单的产品，这些磨抛介质都是非常容易进去的，它的加工效率和加工效果都是非常不错的。

但是对于复杂结构件，尤其是包含一些孔缝、格栅结构的磨抛介质难以进入，它就没有抛光效果，传统的技术对于复杂结构可能是不够适用的。随着技术的发展，后期也有一些其它改良型的机械力作用的技术开始进入市场，比如像磁流体抛光技术，磁流体抛光是一种利用磁场吸引磨针聚合形成磁力刷，通过磁力刷来刷工件表面进行去除的一种加工技术，它非常适用于异形工件表面的去毛刺以及清洗等，由于它的作用原理是靠磁力来引导，形成磁力刷和冲刷工件表面，所以它不适用于磁性产品的加工。而且对于小孔和窄缝，磁针磨粒的进入也是受限的，效果也不理想。对于薄壁件，因为它是一种无差别的无序的加工方式，一般也是不适用的。

第二种超声波抛光技术，这是一种利用超声波带动磨头处的磨料，进行高速振动来进行摩擦物体表面，实现平滑化的一种技术，这种技术非常适用于塑料的抛光。对于模具而言，它也可以利用于局部的修整以及外表面的清洗等工作。我们都知道，超声波能量其实在于抛光这块是非常有限的，所以它的作用力比较小，整体的抛光速率是非常慢的，通常是不单独使用的。

另外一种震动抛光技术，它是利用震动力带动硬质的磨料来上下左右运动，来在工件表面摩擦进行去除的一种加工技术，这种技术它也非常适用于异形表面产品的去毛刺和粗糙等等加工。但是同样对于孔缝它本身磨料进入就有困难，再一点，这些磨料类的东西它都有破碎的风险，在孔缝中也会有卡缝的问题，就是后期清理也是比较困难，这也是它技术的一个难点。

另外一类比较独特的激光抛光技术，它是利用高能量的激光束，来以一定的间距和速率来辐照工件表面，使工件表面薄层发生融化或者蒸发而实现平滑化的技术。【图示】加工后中间亮色的区域是加工的区域，它是变成了一个带横条纹的光滑表面，周围是没有加工的区域，没加工区域和加工区域的纤维照片是有很大的差异。粗糙度的结果也可以看出，进过加工之后，它的粗糙度大概会从16降到1.6微米，确实有很大的改善。这种技术最好的优点是属于无接触的加工技术，没有任何废水废气的产生，对环境非常友好，而且它比较容易实现自动化，这是它比较突出的优点。但同样也受限于激光的可达性，这种技术也仅仅适用于外表面加工，对于含孔缝的复杂结构加工是比较困难的。

以上几种技术对于复杂结构都有其局限性，对于增材制造含孔缝或者流道复杂的结构应该用怎样的方法来进行处理，我觉得这一类技术可以把它规划为柔性表面处理技术，我们第一种要介绍的是比较典型的磨粒流抛光技术。

磨粒流抛光技术是一种利用粘弹性磨料，通过高压在工件表面产生硬挤压作用来进行去除的加工原理，也是接触式摩擦去除机制。这种加工方式非常适用于孔道以及曲面、外表面等去毛刺，去氧化皮以及抛光等等，也是目前内流道抛光最主流的加工方式。但是这种技术也存在局限性，对于薄壁件，因为作用力比较大，有变形的风险，所以不太适用。对于封闭的孔道不利于磨料流动也不太适用，对于极大粗糙度的工件，因为磨料容易残留也不太适用。另外一个就是变形，还有大变径的时候会有一些变形、过抛等现象发生。【图示】我们自己打印的工件，进行了其中一条流道磨粒流加工、剖分以后的结果，可以看到流道内部的加工效果还是不错的，但是在流道入口这块，可以看到有明显的塌边现象，下面这一组圆管的剖面图，效果跟上面是类似的。从轴心方向上看抛光过的件和没有抛光过的对比，可以看出来端口被抛光的这部分去除量是非常大的，变形或者过抛还是非常严重的。

另外，对于磨粒流而言，它是需要搭配专用的夹具设计才能达到比较好的加工效果。如果一个工件有多个孔道或者流道，可能是需要多组的夹具设计，这也是磨粒流的一个特色，也是造成磨粒流整体加工成本比较高的一个原因。

大家可能普遍认为磨粒流是属于一种柔性加工技术，但我个人其实比较倾向于把它归到半柔性加工技术的范畴内，因为我觉得它所用的磨料粘性是非常高的，它的流动性就不那么好，柔性这方面就差一些，所以我觉得，它是可以认为是一个半流性的、半柔性的加工技术。

对于液体加工技术才能够称之为真正的柔性加工技术，像化学抛光技术和电化学抛光技术，这两类是目前最常用的增材制造复杂构件进行表面处理的柔性加工技术，化学的反应状况都是比较激烈的，电化学也是利用流体和电场来进行加工的，两者在原理上非常类似，都是通过化学溶液的化学腐蚀作用，优先溶解掉尖端或者凸起，而实现工件表面平化的，但是差别在于，电化学它有一个外加电场的加入，通过电场的驱动和补偿可以获得更加均匀的抛光效果，所以电化学的加工效果比化学抛光要更加细致均匀。

不管是化学还是电化学，对于产品的结构适用范围都是非常广的，像曲面、夹缝、流道这些复杂结构都是适用的，而且它的加工速率也非常地快，但是它也有一些无法避免的劣势。比如说它加工速率，快一点的加工速率是几秒钟，慢的是几分钟，这个时间可能需要人工来控制，难度就非常的高，对于加工效果的可控性就会变差，产品容易过抛的现象就会比较多。同时，这两种方式都没有办法避免像强酸、强碱、酸酐这一类强腐蚀性的、毒害性的化学物质的使用，对人体和环境的危害性都是很大的，环保性方面做的不足，后续的废物处理也是非常难，成本也是不低的。

另外一类的柔性加工技术算是比较新型的，国际研究的热点电解质等离子体抛光技术。它是一种利用电场激发等离字体来实现工件表面剥离的加工技术，在整个工作的过程中工件是浸没在特殊的流体中的，等离子体它的产生是紧密包裹在工件表面的，它对工件具有非常好的仿形性。这个技术非常适用于像曲面、格栅复杂结构的抛光。【图示】我们看到钛合金的格栅件，进行加工以后效果是非常明显的，整体的加工品质也是非常好。

【图示】钛合金平片的加工效果，基本上加工完可以达到0.143微米，可以获得比较好的镜面加工效果，同时因为电子质等离子体抛光所使用的电解液不像化学和电化学抛光，它们使用的一般是中性的盐，所以对于绿色环保也是做的比较好的。这项技术同时也被证明，它不会影响细胞的寿命，是已经证明的对于医疗植物入物的表面处理来说是一种安全的技术。它同样也有缺点，对于封闭内腔和极窄的狭缝处理效果是不理想的，对于过分的粗糙工件和超大的工件也是无法进行处理的。因受限于气流运动方向的影响，它的上下端面加工效果且窄缝结构效果也是有所差异的，对产品整体加工均匀性是有所偏差的。

另外一种柔性加工技术叫气液固三相磨粒流精整技术，大家肯定都听过，像水刀用磨粒和液体进行加工的方式，这个技术的特点是引入了气泡，气泡有什么作用呢？【图示】手qiang虾，它比较明显的特点，它在捕食猎物的时候会从口中吐出一个射流空泡，通过射流空泡接触到猎物表面会发生溃灭爆炸，把猎物给弄晕了，它一般是通过这种方式来进行捕食。下图是高速相机拍摄的单气泡贴近地面溃灭以及射流时的状况可以看到，它溃灭的瞬间能量爆破还是非常大的，气液固三相磨粒流精整技术就是利用了气泡溃灭形成的流体冲击效应，来促进了磨粒摩擦的加工效果，从而提高加工效率。

从这个原理上分析，这种加工技术也是一种仿形性非常好的柔性加工技术，它的结构适用范围是非常广的，它的加工效果也还是不错的。【图示】三相磨粒流加工之后的单晶硅片表面的二维形态对比，粗糙度从原始的大概是4.6左右降低到了0.6的水准，但是这个技术也有它的缺点。因为它的磨粒、空泡能量的集中度不够，所以它的加工效率是非常低的。我们可以看到它的加工参数表里面，加工时长是用了8个小时，从4.6到0.6应该说是比较慢的加工速率了。

上述各种表面处理技术的特点，我们也可以看出各种表面处理技术都是各有优劣的，我们在实际选择的时候，需要根据产品的特点来综合考虑，选择某一种合适的平面处理技术，或者是某几种组合的技术，才能够取得抛光效果和成本的最优组合。

技术革新一直都是行业进步的最大推动力，对于新型表面技术的开发一直都是备受期待的工作。根据上述分析的这些行业现状，南京尚吉在此基础上创新性地融合了电场和流场的双重特性，开发了一种电场和流场作用下的多项协同复合抛光技术。【图示】我们这种加工方式目前可以达到的粗糙度等级到0.1微米，比如说可以实现镜面级的加工，对于尺寸精度可以做到±20微米以内。这个技术我们已经设计了相关的自动化、智能化的装备，它在整个工作的过程中是不需要人工进行干预的，对人工的需求是非常少的，加工效率是比较高的，成本也是有明显的降低。这项技术在开发之初就也借鉴了前面各种技术的特点，以绿色环保作为基本准则，选用也是低浓度的接近中性的盐，在环保性上也是有保障的。

我们一些典型的加工案例也可以看出，目前是可以达到比较好的镜面加工效果的。从结构上看，像格栅、回转体、各类的曲面、孔缝也都是有比较好的处理效果。从材料上看，钛合金、不锈钢、高温合金、铜合金这些合金体不同的体系，也都是可以进行处理的。

【表面精整处理案例1-义齿】，我们以义齿作为复杂外表面结构产品的例子来分析一下它的表面处理方式。它是一个非常复杂的、带弯钩的高度异形化的薄壁结构，种植牙也是比较奇异的结构，还有牙冠都属于义齿的范畴。通常对于义齿的毛坯的成型方式有3D打印，铸造和机加工这三种，通常成型产品的表面粗糙度非常高。同时，因为义齿属于二类医疗器械，它的使用环境是在人体口腔内，对于表面品质肯定会有更高的要求，不管是光洁度、均匀性还是尺寸精度，各个方面要求都是非常高的。

从它的毛坯状态到使用状态，这个跨度是比较大的，表面精整的处理难度也是比较高的，它应该用什么样的方式来进行处理呢？根据以上分析的各个技术的特点，我们可以看出来，像人工打磨、喷砂、酸蚀、震动抛光、滚动和磁流体抛光这一类，对于外表面的加工都应该是可以的，但是义齿这一类的薄壁件是不建议使用振动、抛光、滚动抛光、磁流体抛光这一类无差别的加工方式，因为它可能会对薄壁件的形状精度有所影响。

目前行业内通用的义齿加工流程，第一步我们拿到的毛坯件先进行去支撑，若3D打印产品就是要去支撑，如果是铸造的产品要去掉粘砂，然后再进行喷砂和粗磨，去掉比较明显的异常点、颗粒点，再进行泡酸，去除掉表面的氧化皮，还有其它一些杂质，然后重头戏就来了，多级打磨是怎么进行的呢？【小视频】我们可以看到打磨的时候，各个缝里面都是要打磨到的，多级打磨是要用不同的磨头来进行的，从粗到细，可能要换好几道磨头，这个工作就要重复进行好几次，所以多级打磨整个工序的耗时、耗力还是比较长的。

经过很多道打磨之后，工件表面光滑了，再通过上蜡来进行增亮和均匀化，才到成品进行出货。纵观义齿的加工流程，我们可以看到整个流程还是比较长的，而且对人工的依赖性非常大，单人对这种工件一次只能加工一个，还要反复不断的进行加工，整体而言加工的人工成本非常高。同时，在加工的过程中它要泡酸，要使用酸，要中和要使用到碱，还有粉尘污染问题不能够避免，所以传统的加工流程还是有缺陷的。

目前而言，比较好的解决方案是用一体化的设备来进行一体化抛光，来取代传统流程中的泡酸、打磨和增亮步骤。市场上可能也会有多款的这种设备，南京尚吉开发的设备也是适用于义齿处理的。【图示】这款效果是我们做出来的，效果还是很明显的，也得到了各家客户的认可，对于钴铬合金和钛合金这种义齿行业常用的金属种类也都是适用的。

【表面精整处理案例2-医疗植入物】，我们以医疗植入物来讲一下它的表面处理方式的选择问题。2022年7月11号，以医保局为首的八部门发布了一个通知，继心脏支架和骨科关节之后，第三批国家带量采购在骨科脊柱领域正式开启，这就意味着医疗植入物将在我们的生活中可能出现的越来越多。对于医疗植入物，它还是比较有特色的。考虑到植入人体的植入物的刚度以及和人体原有组织有效整合的便利性，医疗植入物在结构设计上，通常内部会被设计成有微系格栅组成的孔缝结构，像关节类、脊柱类、创伤类产品。这一类的结构它的成型方式，目前3D打印是绝对具有优势的，这个方式充分利用了增材制造技术升级复杂结构的优势，市场前景肯定是非常广泛的，但是对它的表面处理要怎么进行呢？

外表面而言，虽然它是一个比较复杂的变径曲面，也是有很多种技术可以应用的。但是考虑到内部微细格栅的孔缝，像一些磨粒抛光技术，比如气液固三相磨粒流精整，磨粒流精整及磁抛震动抛光，我觉得不建议用在这种产品的抛光中。主要是因为这种带磨粒的加工技术在加工过程中，磨粒本身发生破碎以后的颗粒会进入到这些孔缝中，后期清理是非常难的，检验也很不方便，如果应用到人体里会有非常大的使用风险。

综合来看其表面处理还是比较困难的，其它的接触式抛光技术就更加不行了，综合考虑可能流体抛光技术是唯一可行的方案。但在流体抛光技术中，化学抛光因为它的粗糙度等级，还有均匀性是达不到的，基本上是可以被pass掉。电化学抛光，也很难制造出和植入物比较匹配的阴极工具的形状，能做的工作也比较有限，这两种方式也都是有局限性的。兼之我们还要考虑环保的因素，所以对于这类的工件，我个人觉得目前比较好的处理方式是像等离子体抛光这一类的技术，当然南京尚吉的技术对处理类型的工件也是没有压力的。

对于复杂内流道，我们都知道这是表面精整行业内公认的疑难杂症。目前的处理方法不是很多，像磨粒流可以解决一大部分的问题，但是仍然还有不少结构需要再进行探讨。【图示】这个图它有很多弯折的流道组成，而且流道发生了极大管径变化，对于这种结构接触式的摩擦技术根本无法进入到内部，肯定是不适用的。电场抛光技术，因为管道内部会屏蔽电场，这个也肯定是不行的。半柔性的加工技术对于弯曲多道以后，还有细管的地方是很容易发生变形和过抛的，整体加工的风险也比较高。

所以综合来看，我们认为一些高柔性的加工技术，可以来试一下这种的解决方案。比如像低毒性的化学抛光，还有一些低粘性的磨粒抛光技术。另外一种，目前行业内尚未解决的技术难题就是这一类的结构，它是外部入口小，出口也小，而且内部是有很多又细又长又弯曲的流道组成的，它的整个加工难度就非常的高，虽然可以打印出来，但是处理不了。目前我所了解到的对于这种类型结构的成型方式，还是以人工逐条进行焊接的方式来进行加工的，大家可以想一下，人工焊一条，还要考虑变形，考虑冷却，考虑其它一系列的影响，需要的加工时长非常长，3D打印虽然可以很快地成型一个很漂亮的产品，但是你处理不了内部，所以就卡在这儿，目前仍然没有得到实际的应用。

针对上面的流道类型，目前我们南京尚吉团队是进行了一些探讨的，也初见成效，对于下面这种技术我们也想进行一些探索，然后也争取能够为行业内，复杂内流道这个问题的解决贡献出自己的一份力量。

来源：霍尔榜制造探囊第15期“增材制造复杂金属构件表面精整的卡脖子点及案例解析”