本文是一篇工程硕士论文，本文主要研究了以 PLA 为材料的3D 打印模型表面的激光冷抛光技术，并设计出一种3D打印模型激光冷抛光系统。利用该系统对3D 打印模型进行了抛光实验，获取了最佳抛光效果下的工艺参数。结果表明，采用激光冷抛光技术能够有效地降低3D 打印模型的表面粗糙度，提高其表面质量。
第一章 绪论
1.2 研究目的和意义
3D 打印是一种利用二维成型方法来构建3D 模型的快速成型技术，由于受到分层打印叠加成型制造工艺的影响，会在模型表面形成阶梯状的层纹。打印层纹使得模型外观粗糙，对模型表面质量有着较大的影响。利用传统的砂纸打磨法、补土法对3D 打印模型进行后处理，打磨精度难以保障，而且工作量较大。本文拟研发一种非接触式3D 打印模型激光冷抛光系统，采用激光冷抛光技术对3D 打印模型进行表面处理，提高3D 打印模型表面质量。
近年来，激光加工技术在工业制造、医疗、增材制造以及通讯等领域得到了广泛的应用[1]。增材制造 (Additive Manufacturing，AM)又称3D 打印，是采用逐层叠加的方法来制造实体零件[2, 3]。因为3D 打印能够通过大规模的定制为消费者带来“自我设计”的乐趣，因此近年来3D 打印技术呈现出一种快速发展的趋势[4]。在增材制造技术迅速兴起的过程中，如何提高3D 打印模型的表面质量仍然是一个亟待解决的问题[5]。
在对产品表面进行处理时，不同的抛光方法会对产品的表面质量和尺寸精度造成不同的影响。特别是对形状复杂的3D 打印模型，以及一些表面质量要求高的3D 打印模型，其抛光处理的技术要求更高。熔融沉积成型（FDM）3D 打印模型所用的材料主要包括聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）两种。由于逐层叠加会在打印模型表面形成明显的“台阶”状层纹，因此需要对模型进行后处理，以提高模型表面质量。目前常用的后处理方法是手工打磨、喷漆处理、上胶处理和化学制剂处理等[6]。
1.3 国内外研究现状
国内外有许多学者对激光表面处理技术做了大量的研究工作，结果表明激光抛光与传统的抛光技术相比具有明显的优势[7, 8]。
激光抛光技术现在已经被广泛地应用在以金属、金刚石、玻璃等为材料的零件的表面处理上，用于提高表面质量[9]。Lamikiz 等[10]采用高功率的 CO2激光器来对表面粗糙度为7.5 μm 的青铜合金进行抛光，抛光后表面粗糙度小于1.49μm。Ma 等[11]通过纳秒脉冲激光来抛光钛合金，其表面粗糙度值降至1.0μm 以下。Dadbakhsh 等[12]利用激光抛光用 AM 加工制造的金属零件，使得零件表面的粗糙度降低了80%。目前，将激光抛光技术应用在 FDM 型3D 打印模型上，以改善其表面质量的研究还很有限。
1.3.1 国外研究现状
英国伯明翰大学的 Bhaduri 等[13]研究激光通量以及脉冲重叠等参数对3D 打印的不锈钢（SS316）样品抛光后粗糙度产生的影响。结果表明，3D 打印不锈钢样品的表面粗糙度从3.80μm 降低到0.20μm，表面粗糙度降低量了90%。此外，所有的样品抛光表面均没有留下划痕、孔和肿块，不会对3D 打印样品的几何精度产生影响。印度设计制造学院的 Taufik 等[14]的研究为 FDM 型3D 打印技术和激光表面加工提供了一种新的策略。他们对模型抛光前后的表面粗糙度的变化进行了分析，研究了激光功率和分辨率等加工参数对抛光质量的影响。实验结果表明，激光抛光能够消除层纹，从而让 FDM 型3D 打印模型的表面质量得到有效的提高。
澳大利亚国立大学研究学院的 Chai 等[15]使用非接触式激光抛光技术，来提高3D 打印模型的表面质量。结果表明，选择功率为3W 的 CO2激光器，设定扫描速度为150mm/s、扫描延迟时间为30ms、线间隙为0.025mm，在上述技术条件下对用PLA 材料制作的3D 打印模型进行表面处理，可以让表面粗糙度降低68%。
第二章 激光抛光原理和影响因素
2.1 常用的抛光方法
常用的抛光方法，虽然能够在保证抛光模型几何尺寸的情况下来提高抛光件的表面质量，但是操作比较耗时、加工成本也高[25]。在对不同材质的抛光件进行表面处理时，为了提高抛光件的表面质量，且不对其表面特征产生较大的影响，需选择合适的抛光方法[26]。现在常用的抛光方法主要是机械抛光和化学抛光。例如，砂带抛光是用数控系统来控制砂带对抛光件进行磨削，完成表面抛光，但此方法会对抛光件造成磨削灼伤，而且加工效率较低[27]。常用的抛光技术的性能指标如表 2.1 所示。常用的抛光加工方法介绍如图 2.1 所示。
2.2 抛光材料的选择
熔融沉积成型（FDM）是一种通过材料累加成型的快速成型技术[28]，基本上不会产生废料，可用于制造热塑性材料类的零部件[29]。FDM 型 3D 打印模型常用的材料有聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯（PC）等。由于PLA 材料可降解，且具有比较好的伸缩性和回弹性，在 3D 打印中得到了广泛的应用，本文用以 PLA 为材料的 3D 打印模型来进行抛光实验。
激光抛光是一种非接触式的抛光技术，可以在近乎不损耗零件自身材料的情况下，对材料表面进行抛光处理[30]。传统抛光技术是利用手工，或者机械抛光来打磨零件的表面，加工效率低，成本高。激光抛光是将激光束照射在模型的表面，利用激光与模型材料的相互作用，完成抛光件的表面抛光。激光与材料之间的相互作用包括光热作用和光化学作用。光热作用是利用激光和材料的热效应，使 3D 模型表面产生熔化、汽化现象，以去除表面材料。光化学作用是利用激光来破坏材料表面的化学键，使其断裂来提高模型的表面质量。红外激光的工作原理是利用光热效应，紫外激光则是利用光化学效应。按照激光与材料之间的作用方式不同，可以将激光抛光分为热抛光和冷抛光两大类[31]。
第三章 激光冷抛光系统机械结构设计 ......................... 15
3.1 总体结构设计 .................................. 15
3.2 框架设计 ....................................... 18
第四章 激光冷抛光控制系统的设计 ............................ 41
4.1 控制系统设计方案 ......................... 41
4.2 控制系统设计 ...................... 42
第五章 原理样机与测试 ............................ 50
5.1 实验准备 ........................................ 50
5.2 实验影响因素 ............................... 53
第五章 原理样机与测试
5.1 实验准备
在实验室搭建了一个小型的原理样机实验平台，用于验证激光冷抛光系统的有效性。在样机制作过程中，很多零部件都是用 Polarbear 3D 打印机制作的，如图 5.1所示。原理样机的主体结构包括激光平移装置、Z 向位移组件、加热旋转装置、主体框架和控制装置等。选择用 PLA 材料制作的 3D 打印模型进行抛光实验测试。激光冷抛光系统中的 3D 打印件如图 5.2 所示。
第六章 总结与展望
6.1 总结
3D 打印是一项新兴的快速成型制造技术，在很多领域得到了广泛的应用。本文主要研究了以 PLA 为材料的3D 打印模型表面的激光冷抛光技术，并设计出一种3D打印模型激光冷抛光系统。利用该系统对3D 打印模型进行了抛光实验，获取了最佳抛光效果下的工艺参数。结果表明，采用激光冷抛光技术能够有效地降低3D 打印模型的表面粗糙度，提高其表面质量。而且在抛光过程中，3D 打印模型不会出现较大的热变形和机械变形。本论文所做的主要工作如下：
（1）对激光抛光过程进行了理论分析，并研究了影响激光抛光质量的主要因素。根据3D 打印模型表面抛光工艺的要求，设计了一种非接触式3D 打印模型激光冷抛光系统。该系统的主要结构包括激光平移装置、加热旋转装置、Z 向位移组件、控制装置，以及主体框架等。利用 ANSYS Workbench 19.0软件，对双滑块结构、Z 向位移组件等关键结构进行静力学分析，验证和优化了激光抛光系统的结构设计。
（2）依据激光冷抛光系统的功能要求，完成了其控制系统的设计。控制系统主要包括步进电机、电机驱动器、方波型号发生器、控制板、显示屏以及激光器等。对激光冷抛光系统的各类电器元件进行合理选型，完成了 X、Y、Z 轴的结构设计，使其能够有效地保证激光冷抛光系统运行的稳定性和可靠性。
（3）在实验室搭建了一个非接触式3D 打印模型激光冷抛光系统的原理样机，使用激光对以聚乳酸（PLA）为材料的3D 打印模型进行冷抛光实验，验证了该系统工作的可行性和有效性。利用原理样机进行多组抛光实验，研究各类工艺参数对抛光效果的影响，确定了具有最佳抛光效果的工艺参数。
参考文献（略）
