Какова роль химической полировки в 3D-печати металлом?

一, Основная идея химической полировки заключается в избирательном растворении и восстановлении поверхности.
Окислительно-восстановительное взаимодействие между химическими реагентами (такими как кислотные или щелочные растворы) и поверхностью металла приводит к регулируемому растворению поверхностного слоя во время химической полировки. Его основными частями являются:
Микроскопические выступы растворяются легче: когда поверхность неровная (например, при наличии следов перекрытия сварочной ванны или нерасплавленных частиц порошка), явление «выступы преимущественно растворяются» происходит из-за большей открытой площади и более высокой скорости химической реакции.
Выравнивание посредством поверхностного натяжения. Когда ионы металлов растворяются, они перемещаются в вогнутые места из-за поверхностного натяжения. Это создает гладкую, ровную поверхность после затвердевания. Например, химическая полировка может снизить шероховатость поверхности (Ra) титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере, с 6–12 мкм до 0,2–1 мкм, что находится в пределах критериев биосовместимости, необходимых для медицинских имплантатов.
Удаление дефектного слоя: химическая полировка позволяет точно удалить прилипшие к поверхности нерасплавленные частицы порошка (толщиной примерно 70 мкм), что предотвращает подповерхностные повреждения, которые могут произойти при стандартной механической полировке. Сингапурские исследователи создали новый способ полировки нержавеющей стали 316L, в котором используются импульсы высокого-напряжения и традиционная электрохимическая полировка, чтобы сделать поверхность менее шероховатой. Новый метод сохраняет энергопоглощающие свойства исходной решетчатой ​​структуры.
2. Основная цель химической полировки — улучшить поверхность и сделать ее более полезной.
1. Улучшение качества поверхности: обход геометрических ограничений и полировка сложных конструкций
Когда дело доходит до полировки, со сложными геометрическими формами металлической 3D-печати, такими как решетки, внутренние каналы и пористые структуры, может быть сложно работать. Химическая полировка, не требующая контакта, в настоящее время является лучшим способом обработки таких структур:
Полировка внутренних каналов: химические реагенты могут поступать во внутренние каналы шириной всего несколько микрометров, чтобы избавиться от заусенцев, образующихся в результате перекрытия ванны расплава. Например, после химической полировки внутренний канал топливной форсунки двигателя самолета снижает сопротивление потоку на 15 % и позволяет двигателю расходовать меньше топлива.
Оптимизация пористой структуры. Химическая полировка позволяет избавиться от рыхлых сферических слоев на поверхности пор медицинских имплантатов, таких как тазобедренные чашки и устройства для межтелового спондилодеза. Это облегчает прилипание костных клеток к имплантатам. Исследования показывают, что шероховатость поверхности полированного пористого титанового сплава уменьшается на 90%, а скорость интеграции кости увеличивается на 40%.
Химическая полировка подходит для деталей любой формы, поэтому ее можно применять и на поверхностях произвольной-формы. Например, химическая полировка сделала сложную аэродинамическую поверхность лопаток турбин, напечатанных на 3D-принтере, более гладкой на 10–1 мкм и улучшила их аэродинамические характеристики на 8%.
2. Улучшение механических характеристик: избавьтесь от дефектов и продлите усталостный срок службы.
Усталостные трещины в металлических объектах, напечатанных на 3D-принтере, начинаются с дефектов поверхности. Химическая полировка улучшает механические характеристики следующими способами:
уменьшение остаточного напряжения: химическая полировка может частично уменьшить остаточное напряжение, вызванное печатью, за счет растворения крошечных участков. Например, химическая полировка может продлить малоцикловую усталостную долговечность 3D-печатных жаропрочных-сплавов на основе никеля с 5000 до 12000 циклов.
Устранение причины трещин: перекрывающиеся следы нерасплавленных частиц порошка и ванны расплава являются обычными местами, где возникают трещины. Химическая полировка может решить эти проблемы и повысить порог роста усталостных трещин на 30%.
Уплотнение поверхности: после химической полировки поверхностный слой становится более плотным из-за процесса растворения, а затем повторного затвердевания. Например, после химической полировки пористость 3D-напечатанного кобальт-хромового сплава падает с 0,8% до 0,02%, а его устойчивость к коррозии возрастает в пять раз.
3. Оптимизация биосовместимости: соответствует строгим медицинским стандартам.
Медицинские имплантаты должны иметь очень гладкую поверхность и быть биосовместимыми. Химическая полировка удовлетворяет потребности медицинской сферы следующим образом:
Шероховатые поверхности могут стать укрытием для бактерий, поэтому следите за их чистотой. Химическая полировка может сделать поверхность более гладкой до суб-микронного уровня, что значительно снижает риск заражения. Например, после химической полировки прикрепление Staphylococcus aureus к коленным имплантатам, изготовленным из 3D-напечатанного титанового сплава, снизилось, например, на 90%.
Контролируйте высвобождение ионов: когда вы полируете что-либо механически, в него могут попасть загрязнения, которые вызывают слишком большое выделение опасных ионов (например, ионов никеля). Химическая полировка очищает поверхность, используя только химические реакции, что гарантирует, что высвобождение ионов соответствует требованию биосовместимости ISO 10993.
Содействие регенерации тканей: гладкие поверхности помогают клеткам слипаться и снижают иммунологические реакции. Исследования показывают, что скорость роста остеобластов на поверхности химически полированного пористого титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере, увеличивается вдвое.
3. Использование химической полировки в промышленности: от тестирования прототипов до изготовления конечной продукции.
1. Аэрокосмическая промышленность: повышение надежности в суровых условиях
Лопасти авиационных двигателей, камеры сгорания и другие детали должны выдерживать экстремальные температуры, давления и коррозионные условия. Химическая полировка продлевает срок службы деталей за счет улучшения состояния поверхности.
Лопатки турбины. Химическая полировка позволяет избавиться от следов ванны расплава на поверхности лопаток и замедлить процесс высоко-температурного окисления. Например, после химической полировки лопатки турбины двигателя LEAP компании GE Aviation могут выдерживать температуры на 50 градусов выше и служить на 20% дольше.
Химическая полировка позволяет избавиться от микротрещин на внутренней стороне гильзы камеры сгорания, что позволяет ей лучше справляться с термическими нагрузками. Испытание на термоциклирование при температуре 1000 градусов показало, что скорость распространения трещин полированных вкладышей из сплава на основе никеля на 60 % ниже.
2. Медицинские имплантаты: делаем их уникальными и полезными
Химическая полировка — важнейшая часть пост-обработки медицинской 3D-печати. Он поддерживает весь процесс: от настройки дизайна до его работы:
Ортопедические имплантаты, такие как тазобедренные чашки и устройства для межтелового спондилодеза, изготавливаются с учетом особенностей тела пациента и требуют химической полировки для достижения правильного баланса между гладкостью и эффективностью интеграции с костью. Например, устройство для межтеловой сварки из титанового сплава DePuy Synthes компании Johnson&Johnson, напечатанное на 3D-принтере, имеет шероховатость поверхности 0,8 мкм после химической полировки и показатель клинического успеха более 95%.
Сердечно-сосудистый стент. Химическая полировка позволяет избавиться от заусенцев на поверхности стента и снизить вероятность тромбоза. После химической полировки шероховатость поверхности стента из никель-титанового сплава Boston Scientific, напечатанного на 3D-принтере, снизилась с 5 мкм до 0,5 мкм, а скорость эндотелизации увеличилась на 30%.
3. Промышленное оборудование: сократите расходы на техническое обслуживание и улучшите работу.
Химическая полировка улучшает состояние поверхностей, что снижает трение и энергопотребление промышленного оборудования.
Изготовление форм: после химической полировки шероховатость поверхности литьевых форм, напечатанных на 3D-принтере, увеличивается с 8 мкм до 0,5 мкм, сила, необходимая для удаления формы, снижается на 40%, а срок службы формы увеличивается в три раза.
Химическая полировка позволяет избавиться от заусенцев в проточном канале корпуса клапана и облегчить прохождение жидкостей. Например, после химической полировки корпус гидравлического клапана Caterpillar, напечатанный на 3D-принтере, снижает потери давления на 15 % и повышает эффективность системы на 8 %.