激光重熔实现结构化的材料表面

结构化表面的物品在生活中几乎随处可见。然而，业界一直在寻找创新的生产工艺，以高效和节约资源的方式生产它们。弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）开发了新颖的WaveShape工艺，通过激光重熔工艺在金属表面产生抛光结构。这种灵活且非接触的过程为工业和研究领域的用户开辟了全新的可能性，同时让这种工艺显示出巨大潜力，也为未来复杂组件的 3D处理找到新方法。

图1：曲面上的旋钮结构

WaveShape工艺过程

基于重熔工艺，激光重熔对材料表面实现结构化处理，该过程使用了连续激光辐射并同时调制激光功率。这种调制会改变熔池体积。当增加激光功率时，熔池体积会因熔化速率增加而增大，这导致熔池的膨胀。随后的凝固则沿着熔池的曲面进行。如果降低激光功率，这些机制会以相反的方向工作并形成凹陷。

图2：通过WaveShape工艺在工具钢上生成波形和旋钮结构

与通过激光烧蚀形成的表面结构相比，WaveShape工艺在激光重熔后已经同时平滑了结构，因为它们是由连续熔化产生的，如激光抛光。这避免了额外的后处理需要。迄今为止，该工艺已用于金属材料。重熔深度在10µm-100µm之间。光纤或盘式激光器通常用作激光源，因为它们在工业激光材料加工中很常见。由于产生熔体，重熔过程总是伴随着热量输入。通过多次重熔形成的结构相对复杂。因此，用户必须根据材料和目标结构单独调整工艺参数。

WaveShape工艺的特点和优势

一步完成表面结构化和抛光；组件上的机械应力低，因为该过程不接触工件；特别适用于生成周期性结构；高重现性；边缘层均质化；通过重新分布进行表面结构化，无需材料烧蚀（尤其适用于高价材料）；未来，3D曲面的自动化处理也将成为可能。

材料和结构范围

目前，ILT对于激光重熔研究的材料包括来自工具和模具制造的工具钢（例如1.2343、1.2379）、用于各种应用的钛材料（TiAl6V4）以及来自航空航天工程的材料，例如镍基合金（Inconel 718）和来自医疗技术的材料，如钴铬合金。

经过实验，研究人员发现WaveShape工艺尤其适用于生产结构波长在几百微米到几毫米、结构高度在几微米到一毫米的周期波和旋钮结构。此外，并行处理路径之外的复杂扫描策略也可用于生成圆形或星形结构。甚至非周期性结构的产生也是有条件的。由于这些结构是由熔体产生的，因此会产生柔软的连续结构分布，而不会产生坚硬的不连续边缘。复杂组件的 3D处理是当前研究的主题，并且在未来将成为可能。

通过激光重熔进行的表面结构化可使表面功能化以及创建设计表面。该工艺特别适用于加工塑料注塑模具表面或其他成型和结构工具。用透明塑料模制而成的连续结构适用于光散射或分布。免烧蚀结构也使该工艺对高价金属的加工具有吸引力，例如在珠宝行业。

WaveShape工艺在钛材料上的应用

如今在许多工业领域中，具有结构化表面的组件已成为不可或缺。像钛合金Ti6Al4V这种材料，就在许多行业分支得到广泛应用，从航空航天中涡轮发动机组件到医疗植入物，再到珠宝行业的表面设计。目前，应用于结构表面的工艺包括蚀刻、激光烧蚀，但这些工艺太过耗时以及需要投入设备成本，并且还要根据材料自身消融达到结构化的效果。

不管是蚀刻还是激光烧蚀，在加工过程中都会给加工件产生粗糙的表面，在高卫生安全标准的行业里还有表面设计的限制。并且，上述两个工艺的低消融率在构建过程中容易形成明显的缺点。

采用新开发的激光重熔成型工艺（WaveShape），激光束被引导到工件上并局部熔化表面，同时，激光功率以10-100Hz的频率调制，以便熔池大小可以连续变化。由于这种调制熔池大小和材料分布，从而使得上升结构的一半位于高于初始水平，另一半则低。直接从熔池中硬化的面层，不但能让表面结构化，同时还会抛光。

为了验证WaveShape工艺的有效性，ILT对钛材料（Ti6Al4V）进行了系统实验。结果表明， Ti6Al4V基本适用于激光重熔成型。实验过程显示，只需一个加工步骤就可以通过单个轨道生成结构，且结构化后的表面高度高大于20µm。这相当于在1.2343工具钢上，生成四倍以上具有可比性的结构表面高度。此外实验结果还表明，调整工艺参数时还可以适当地提高扫描速度至最高可达200mm/s，使加工成为可能并形成200µm的高结构化表面，构建速度为30s/cm2。

该过程适用于生成广泛的非周期性（图5）和周期性（图6）结构。这种结构化表面表现出很小的微观粗糙度（Ra< 0.1µm）。此类结构的应用领域包括创新功能元素（流、光散射）和设计元素（光学、触觉）。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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