近日，苏州大学樊成教授团队联合苏州博理新材料科技有限公司，提出了一种基于TPMS结构3D打印弹性体抛光头（刚度可控）的柔性抛光方法，有效提升了K9玻璃的表面质量，初始粗糙度从2±0.05μm降至5.531nm，相关成果发表于制造领域顶刊Journal of Manufacturing Processes。
面向光学测量、高端制造领域对超精密光学表面需求的日益提高，可控、高效的抛光工艺成为关键挑战。传统刚性抛光工具易导致亚表面损伤，而气囊抛光等柔性技术又存在去除率低、稳定性不足的局限。现有均质弹性体抛光头难以实现接触力的梯度调控，制约了复杂曲面抛光精度与效率的协同提升。针对上述问题，苏州大学樊成教授团队提出一种新型基于三周期极小曲面（TPMS）结构的可调去除特性弹性抛光工具，通过3D打印技术实现结构类型与相对密度的灵活调控，为确定性抛光提供了创新解决方案。
研究团队提出利用3D打印技术开发一种具有三周期极小曲面（TPMS）结构的可变刚度柔性抛光工具（图1-2），通过改变抛光头内部 TPMS 结构种类（Schwarz P-P、Gyroid-G、Schwarz D-D）和晶格相对密度，实现抛光头柔性与刚度的调整，为兼顾抛光效率与表面质量提供了可能，为超精密加工领域提供新型抛光方案。团队通过实验与有限元相结合的方法，验证了TPMS点阵结构压缩力学性能的可调特性，同种结构随相对密度增加力学性能提升，D型结构在相同相对密度下受力最大（图3），为调控抛光压力奠定基础。仿真结果显示，不同结构及相对密度的抛光头压力分布呈类高斯型，相对密度较大的抛光头带来较大压力且压力波动幅度更大，符合普雷斯顿方程中压力对材料去除率的影响规律。实验结果显示，D型结构抛光头因压力最大适用于粗抛阶段以实现高材料去除率，P型结构抛光头因压力较小利于精抛阶段获得高质量表面；采用“D40粗抛+P20 精抛”的两步抛光策略，可将K9玻璃表面粗糙度从初始的2±0.05μm降至5.531nm，表面质量大幅提升（图4）。此外，该抛光工具具备较强的实用性与可扩展性，通过更换不同TPMS结构及相对密度的抛光头可适配不同抛光需求，未来有望在光学元件、精密模具等超精密加工场景中广泛应用，以提升光学材料的抛光效率。
图1 (a)相对密度分别为20%、30%、40%的P、G、D型结构与(b)抛光头结构
图2 抛光头三维模型与3D打印样品
图3 (a) 点阵结构和球形抛光工具的有限元仿真模型与(b) P、G、D型点阵结构力-位移曲线及变形过程实验与有限元结果对比压缩过程力-位移曲线和变形过程。
图4 抛光材料去除廓形和表面形貌
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.09.046
撰稿|课题组
