Jaka jest rola polerowania chemicznego w druku 3D metalu?

一, Główną ideą polerowania chemicznego jest selektywne rozpuszczenie i odbudowa powierzchni.
Oddziaływanie-oksydacyjno-redukcyjne pomiędzy odczynnikami chemicznymi (takimi jak roztwory kwasowe lub zasadowe) a powierzchnią metalu powoduje, że warstwa powierzchniowa rozpuszcza się w regulowany sposób podczas polerowania chemicznego. Jego główne części to:
Mikroskopijne wypukłości rozpuszczają się łatwiej: gdy powierzchnia jest nierówna (np. w przypadku śladów nakładania się jeziorka spawalniczego lub cząstek niestopionego proszku), zjawisko „występowania preferencyjnie rozpuszcza się” ma miejsce, ponieważ obszar jest bardziej odsłonięty i następuje większa szybkość reakcji chemicznej.
Wyrównywanie poprzez napięcie powierzchniowe: Kiedy jony metali się rozpuszczają, pod wpływem napięcia powierzchniowego przemieszczają się w kierunku wklęsłych miejsc. Dzięki temu po stwardnieniu tworzy się gładka, równa powierzchnia. Na przykład polerowanie chemiczne może obniżyć chropowatość powierzchni (Ra) wydrukowanego w 3D stopu tytanu z 6–12 μm do 0,2–1 μm, co mieści się w kryteriach biokompatybilności wymaganych w przypadku implantów medycznych.
Usunięcie warstwy uskoków: Polerowanie chemiczne umożliwia precyzyjne usunięcie niestopionych cząstek proszku, które przylgnęły do ​​powierzchni (o grubości około 70 μm), co zapobiega uszkodzeniom podpowierzchniowym, które mogą wystąpić podczas standardowego polerowania mechanicznego. Singapurscy badacze opracowali nowy sposób polerowania stali nierdzewnej 316L, który wykorzystuje-impulsy wysokiego napięcia i tradycyjne polerowanie elektrochemiczne, aby powierzchnia była mniej szorstka. Nowa metoda zachowuje-właściwości pochłaniania energii oryginalnej struktury sieciowej.
2. Głównym celem polerowania chemicznego jest poprawa powierzchni i uczynienie jej bardziej użyteczną.
1. Poprawa jakości powierzchni: obejście ograniczeń geometrycznych i polerowanie skomplikowanych struktur
Jeśli chodzi o polerowanie, obróbka skomplikowanych kształtów geometrycznych występujących w druku 3D metalu, takich jak siatki, kanały wewnętrzne i porowate struktury, może być trudna. Polerowanie chemiczne, które nie wymaga kontaktu, jest obecnie najlepszym sposobem radzenia sobie z tego typu konstrukcjami:
Polerowanie kanałów wewnętrznych: Odczynniki chemiczne mogą przedostawać się do kanałów wewnętrznych o szerokości zaledwie kilku mikrometrów, aby pozbyć się zadziorów powstałych w wyniku nakładania się jeziorka stopionego materiału. Na przykład po polerowaniu chemicznym wewnętrzny kanał przepływowy dyszy paliwowej w silniku samolotowym zmniejsza opór przepływu o 15% i sprawia, że ​​silnik zużywa mniej paliwa.
Optymalizacja porowatej struktury: Polerowanie chemiczne pozwala pozbyć się luźnych, kulistych warstw na powierzchni porów implantów medycznych, takich jak panewki biodrowe i urządzenia łączące międzytrzonowe. Ułatwia to przyleganie komórek kostnych do implantów. Badania wskazują, że chropowatość powierzchni polerowanego porowatego stopu tytanu zmniejsza się o 90%, podczas gdy stopień integracji kości wzrasta o 40%.
Polerowanie chemiczne może działać na części o dowolnym kształcie, dlatego może działać również na powierzchniach-o dowolnym kształcie. Na przykład polerowanie chemiczne spowodowało, że skomplikowana powierzchnia aerodynamiczna łopatek turbin wydrukowanych w 3D stała się gładsza o 10 μm do 1 μm i poprawiła ich właściwości aerodynamiczne o 8%.
2. Poprawa wydajności mechanicznej: pozbądź się wad i wydłuż żywotność zmęczeniową
Pęknięcia zmęczeniowe w metalowych obiektach drukowanych w 3D zaczynają się od wad powierzchniowych. Polerowanie chemiczne poprawia właściwości mechaniczne w następujący sposób:
redukcja naprężeń szczątkowych: Polerowanie chemiczne może częściowo zmniejszyć naprężenia resztkowe spowodowane drukowaniem poprzez rozpuszczenie małych obszarów. Na przykład polerowanie chemiczne może wydłużyć trwałość zmęczeniową niskocyklową drukowanych w 3D wysokotemperaturowych-stopów na bazie niklu-z 5000 cykli do 12000 cykli.
Eliminacja przyczyny pęknięć: Nakładające się na siebie ślady niestopionych cząstek proszku i roztopionego jeziorka są częstymi miejscami, w których zaczynają się pęknięcia. Polerowanie chemiczne może rozwiązać te problemy i podnieść próg wzrostu pęknięć zmęczeniowych o 30%.
Zagęszczenie powierzchni: Warstwa powierzchniowa staje się gęstsza po polerowaniu chemicznym w wyniku procesu rozpuszczania, a następnie ponownego krzepnięcia. Na przykład po polerowaniu chemicznym porowatość-drukowanego w 3D stopu kobaltowo-chromowego spada z 0,8% do 0,02%, a jego odporność na korozję wzrasta pięciokrotnie.
3. Optymalizacja biokompatybilności: spełnia rygorystyczne standardy medyczne
Implanty medyczne muszą mieć bardzo gładką powierzchnię i być biokompatybilne. Polerowanie chemiczne służy potrzebom medycyny w następujący sposób:
Szorstkie powierzchnie mogą łatwo stać się kryjówką bakterii, dlatego należy dbać o ich czystość. Polerowanie chemiczne może sprawić, że powierzchnie będą gładsze do poziomu sub-mikronowego, co znacznie zmniejsza ryzyko infekcji. Na przykład po polerowaniu chemicznym przyczepność Staphylococcus aureus do implantów kolan wykonanych z-drukowanego w 3D stopu tytanu spadła o 90%.
Kontroluj uwalnianie jonów: Kiedy polerujesz cokolwiek mechanicznie, może to spowodować dodanie zanieczyszczeń, które powodują nadmierne uwalnianie niebezpiecznych jonów (takich jak jony niklu). Polerowanie chemiczne oczyszcza powierzchnię za pomocą wyłącznie reakcji chemicznych, co zapewnia, że ​​uwalnianie jonów spełnia wymagania biokompatybilności ISO 10993.
Promowanie regeneracji tkanek: Gładkie powierzchnie mogą pomóc komórkom sklejać się i obniżyć reakcje immunologiczne. Badania wskazują, że tempo wzrostu osteoblastów na powierzchni chemicznie polerowanego porowatego stopu tytanu wydrukowanego w 3D jest dwukrotnie większe.
3. Zastosowania polerowania chemicznego w przemyśle: od testowania prototypów do wytwarzania produktów końcowych
1. Przemysł lotniczy: Zwiększanie niezawodności w trudnych warunkach
Łopatki silników lotniczych, komory spalania i inne części muszą wytrzymywać ekstremalne temperatury, ciśnienia i warunki korozyjne. Polerowanie chemiczne wydłuża żywotność części poprzez poprawę stanu powierzchni.
Łopatki turbin: polerowanie chemiczne może usunąć ślady pozostawione przez stopioną warstwę na powierzchni łopatek i spowolnić proces utleniania w wysokiej-temperaturze. Na przykład po polerowaniu chemicznym łopatki turbiny silnika LEAP firmy GE Aviation wytrzymują temperatury o 50 stopni wyższe i działają o 20% dłużej.
Polerowanie chemiczne pozwala pozbyć się mikropęknięć po wewnętrznej stronie wykładziny komory spalania, dzięki czemu jest ona lepiej odporna na naprężenia termiczne. Test cyklicznych zmian temperatur w temperaturze 1000 stopni wykazał, że współczynnik propagacji pęknięć w wykładzinach ze stopu-na bazie polerowanego niklu jest o 60% niższy.
2. Implanty medyczne: uczynienie ich wyjątkowymi i użytecznymi
Polerowanie chemiczne to najważniejsza część końcowego przetwarzania-medycznego druku 3D. Wspiera cały proces, od dostosowywania projektów po ich działanie:
Implanty ortopedyczne, takie jak panewki biodrowe i urządzenia do zespolenia międzytrzonowego, są projektowane tak, aby pasowały do ​​ciała pacjenta i wymagają chemicznego polerowania, aby uzyskać właściwą równowagę pomiędzy gładkością a wydajnością integracji kości. Na przykład wydrukowane w 3D urządzenie do stapiania międzytrzonowego stopu tytanu firmy Johnson&Johnson DePuy Synthes ma chropowatość powierzchni 0,8 μm po polerowaniu chemicznym, a wskaźnik powodzenia klinicznego przekracza 95%.
Stent sercowo-naczyniowy: Polerowanie chemiczne może usunąć zadziory na powierzchni stentu i zmniejszyć ryzyko zakrzepicy. Po polerowaniu chemicznym chropowatość powierzchni wydrukowanego w 3D stentu ze stopu niklu i tytanu firmy Boston Scientific spadła z 5 μm do 0,5 μm, a stopień śródbłonka wzrósł o 30%.
3. Urządzenia przemysłowe: obniż koszty konserwacji i spraw, aby wszystko działało lepiej
Polerowanie chemiczne poprawia stan powierzchni, co zmniejsza tarcie i zużycie energii przez urządzenia przemysłowe.
Wykonywanie form: Po polerowaniu chemicznym chropowatość powierzchni form wtryskowych drukowanych w 3D wzrasta z 8 μm do 0,5 μm, siła potrzebna do usunięcia formy spada o 40%, a trwałość formy jest trzykrotnie dłuższa.
Polerowanie chemiczne może usunąć zadziory w kanale przepływowym korpusu zaworu i ułatwić przepływ płynów. Na przykład po polerowaniu chemicznym korpus zaworu hydraulicznego firmy Caterpillar-wydrukowany w 3D zmniejsza straty ciśnienia o 15% i zwiększa wydajność układu o 8%.