Milline on keemilise poleerimise roll metalli 3D-printimisel?

一, Keemilise poleerimise põhiidee on pinna valikuline lahustamine ja taastamine.
Keemiliste reagentide (nt happelised või leeliselised lahused) ja metallipinna vaheline oksüdatsiooni-redutseerimise interaktsioon paneb pinnakihi keemilise poleerimise käigus reguleeritud viisil lahustuma. Selle peamised osad on:
Mikroskoopilised väljaulatuvad osad lahustuvad kergemini: kui pind on ebaühtlane (nagu keevisvanni kattumise jäljed või sulamata pulbriosakesed), ilmneb "eend eelistatavalt lahustub", kuna seal on rohkem avatud ala ja kiirem keemilise reaktsiooni kiirus.
Nivelleerimine pindpinevusega: kui metalliioonid lahustuvad, lähevad nad pindpinevuse tõttu nõgusate kohtade poole. See loob pärast kõvenemist sileda ja ühtlase pinna. Näiteks võib keemiline poleerimine vähendada 3D-prinditud titaanisulami pinnakaredust (Ra) 6–12 μm-lt 0,2–1 μm-ni, mis on meditsiiniliste implantaatide jaoks vajalike biosobivuse kriteeriumide piires.
Veakihi eemaldamine: Keemiline poleerimine võimaldab täpselt eemaldada pinnale kleepunud sulamata pulbriosakesed (paksusega umbes 70 μm), mis hoiab ära maapinna kahjustused, mis võivad tekkida tavalise mehaanilise poleerimisega. Singapuri teadlased on loonud uue viisi 316L roostevaba terase poleerimiseks, mis kasutab kõrge-pingeimpulsse ja traditsioonilist elektrokeemilist poleerimist, et muuta pind vähem karedamaks. Uus meetod säilitab algse võrestruktuuri{5}}energiat neelavad omadused.
2, keemilise poleerimise peamine eesmärk on pinna parandamine ja kasulikumaks muutmine.
1. Pinna kvaliteedi parandamine: geomeetrilistest piiridest mööda hiilimine ja keeruliste struktuuride poleerimine
Kui rääkida poleerimisest, siis metallist 3D-printimise keeruliste geomeetriliste kujunditega, nagu võred, sisekanalid ja poorsed struktuurid, võib olla raske töötada. Keemiline poleerimine, mis ei vaja kontakti, on nüüd parim viis seda tüüpi konstruktsioonide käsitlemiseks:
Sisekanalite poleerimine: Keemilised reaktiivid võivad siseneda sisekanalitesse, mis on vaid mõne mikromeetri laiused, et vabaneda sulatise kattumisest tekkivatest rästest. Näiteks pärast keemilist poleerimist vähendab lennukimootori kütusedüüsi sisemine voolukanal voolutakistust 15% ja vähendab mootori kütusekulu.
Poorse struktuuri optimeerimine: Keemiline poleerimine võib vabaneda lahtistest sfäärilistest kihtidest meditsiiniliste implantaatide pooride pinnal, nagu puusakorgid ja kehadevahelised liitmisseadmed. Nii on luurakkudel lihtsam implantaatide külge kleepuda. Uuringud näitavad, et poleeritud poorse titaanisulami pinnakaredus väheneb 90%, samas kui luude integreerumiskiirus suureneb 40%.
Keemiline poleerimine võib toimida mis tahes kujuga detailidel, seega võib see toimida ka vabade{0}}vormide pindadel. Näiteks muutis keemiline poleerimine 3D-prinditud turbiinilabade keerulise aerodünaamilise pinna 10 μm kuni 1 μm võrra siledamaks ja suurendas nende aerodünaamilist jõudlust 8%.
2. Mehaanilise jõudluse parandamine: vabanege vigadest ja pikendage väsimuse eluiga
Väsimuspraod metallist 3D-prinditud objektides saavad alguse pinnavigadest. Keemiline poleerimine parandab mehaanilisi omadusi järgmistel viisidel:
jääkpinge vähendamine: keemiline poleerimine võib väikeste piirkondade lahustamisega osaliselt vähendada trükkimisel tekkivat jääkpinget. Näiteks võib keemiline poleerimine pikendada 3D-prinditud nikli{2}}põhiste kõrgel temperatuuril{3}}sulamite madala tsükliga väsimist 5000 tsüklilt 12 000 tsüklini.
Pragude tekkepõhjuse kõrvaldamine: Sulamata pulbriosakeste ja sulavee kattuvad jäljed on tavalised kohad, kust praod alguse saavad. Keemiline poleerimine võib need probleemid lahendada ja tõsta väsimuspragude kasvuläve 30%.
Pinna tihendamine: Pinnakiht muutub pärast keemilist poleerimist tihedamaks, kuna toimub lahustumine ja seejärel uuesti tahkumine. Näiteks pärast keemilist poleerimist langeb 3D-prinditud koobaltkroomisulami poorsus 0,8%-lt 0,02%-le ja selle vastupidavus korrosioonile suureneb viis korda.
3. Biosobivuse optimeerimine: vastab rangetele meditsiinilistele standarditele
Meditsiinilised implantaadid peavad olema väga sileda pinnaga ja bioühilduvad. Keemiline poleerimine teenib meditsiinivaldkonna vajadusi järgmistel viisidel:
Karedad pinnad võivad kergesti muutuda bakterite varjamiseks, seega hoidke need kindlasti puhtad. Keemiline poleerimine võib muuta pinnad siledamaks kuni -mikroni tasemeni, mis vähendab oluliselt nakkusohtu. Pärast keemilist poleerimist vähenes Staphylococcus aureuse kinnitamine 3D-prinditud titaanisulamist valmistatud põlveimplantaatide külge näiteks 90%.
Kontrollige ioonide vabanemist: kui te midagi mehaaniliselt poleerite, võib see lisada saasteaineid, mis põhjustavad ohtlike ioonide (nt niklioonide) liigset eraldumist. Keemiline poleerimine puhastab pinna ainult keemiliste reaktsioonide abil, mis tagab, et ioonide vabanemine vastab ISO 10993 biosobivuse nõuetele.
Kudede regenereerimise soodustamine: siledad pinnad võivad aidata rakkudel kokku jääda ja vähendada immunoloogilisi reaktsioone. Uuringud näitavad, et osteoblastide kasvukiirus keemiliselt poleeritud 3D-prinditud poorse titaanisulami pinnal on kahekordistunud.
3, Keemilise poleerimise kasutusalad tööstuses: prototüüpide testimisest lõpptoodete valmistamiseni
1. Lennundus: asjade töökindlamaks muutmine karmides tingimustes
Lennuki mootori labad, põlemiskambrid ja muud osad peavad taluma äärmuslikke temperatuure, rõhku ja söövitavaid tingimusi. Keemiline poleerimine muudab osad kauem kestvaks, parandades pinna seisukorda.
Turbiini labad: keemiline poleerimine võib vabaneda labade pinnale jäävatest jälgedest ja aeglustada kõrgel{0}}temperatuuril toimuvat oksüdatsiooni. Pärast keemilist poleerimist taluvad näiteks GE Aviationi LEAP mootori turbiinilabad 50 kraadi kõrgemat temperatuuri ja peavad vastu 20% kauem.
Keemiline poleerimine võimaldab vabaneda mikropragudest põlemiskambri voodri siseküljel, mis muudab selle termilise pingega paremini toime. 1000-kraadine termilise tsükli katse näitas, et poleeritud nikli{2}}põhiste sulamist vooderdiste pragude levimiskiirus on 60% väiksem.
2. Meditsiinilised implantaadid: nende ainulaadseks ja kasulikuks muutmine
Keemiline poleerimine on meditsiinilise 3D-printimise järeltöötluse kõige olulisem osa. See toetab kogu protsessi, alates disainilahenduste kohandamisest kuni nende toimimiseni:
Ortopeedilised implantaadid, nagu puusakorgid ja kehadevahelised liitmisseadmed, on valmistatud nii, et need sobiksid patsiendi kehaga ja vajavad keemilist poleerimist, et saavutada õige tasakaal sileduse ja luude integreerimise vahel. Näiteks Johnson&Johnsoni DePuy Synthesi 3D-prinditud titaanisulamist korpustevahelise sulatusseadme pinnakaredus on pärast keemilist poleerimist 0,8 μm ja kliiniline edukus on üle 95%.
Südame-veresoonkonna stent: Keemiline poleerimine võib vabaneda stendi pinnal olevatest jääkidest ja vähendada tromboosi tõenäosust. Pärast keemilist poleerimist langes Boston Scientificu 3D-prinditud nikli-titaanisulamist stendi pinnakaredus 5 μm-lt 0,5 μm-ni ja endotelisatsiooni määr tõusis 30%.
3. Tööstusseadmed: vähendage hoolduskulusid ja pange asjad paremini tööle
Keemiline poleerimine parandab pindade seisukorda, mis vähendab tööstusseadmete hõõrdumist ja energiakulu.
Vormide valmistamine: Pärast keemilist poleerimist läheb 3D-prinditud survevormide pinnakaredus 8 μm-lt 0,5 μm-ni, vormi eemaldamiseks vajalik jõud väheneb 40% ja vorm kestab kolm korda kauem.
Keemiline poleerimine võib vabaneda klapi korpuse voolukanalis olevatest rästest ja hõlbustada vedelike läbivoolu. Näiteks pärast keemilist poleerimist vähendab Caterpillari 3D-prinditud hüdroklapi korpus rõhukadu 15% ja suurendab süsteemi efektiivsust 8%.