Wat is de rol van chemisch polijsten bij het 3D-printen van metaal?

Bijvoorbeeld, Het belangrijkste idee achter chemisch polijsten is om het oppervlak selectief op te lossen en opnieuw op te bouwen.
De oxidatie{0}}reductie-interactie tussen chemische reagentia (zoals zure of alkalische oplossingen) en het metaaloppervlak zorgt ervoor dat de oppervlaktelaag op een gereguleerde manier oplost tijdens chemisch polijsten. De belangrijkste onderdelen zijn:
Microscopische uitsteeksels lossen gemakkelijker op: wanneer het oppervlak oneffen is (zoals wanneer lasbadoverlappingsmarkeringen of niet-gesmolten poederdeeltjes aanwezig zijn), treedt het fenomeen "uitsteeksel bij voorkeur op" op omdat er meer blootgesteld gebied is en een snellere chemische reactiesnelheid.
Nivellering via oppervlaktespanning: Wanneer metaalionen oplossen, gaan ze vanwege oppervlaktespanning naar concave plaatsen. Hierdoor ontstaat er een glad, egaal oppervlak zodra het uithardt. Chemisch polijsten kan bijvoorbeeld de oppervlakteruwheid (Ra) van een 3D-geprinte titaniumlegering verlagen van 6–12 μm naar 0,2–1 μm, wat binnen de biocompatibiliteitscriteria valt die nodig zijn voor medische implantaten.
Verwijdering van de breuklaag: Met chemisch polijsten kunnen ongesmolten poederdeeltjes die aan het oppervlak vastzitten (ongeveer 70 μm dik) nauwkeurig worden verwijderd, waardoor ondergrondse schade wordt voorkomen die kan optreden bij standaard mechanisch polijsten. Singaporese onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om 316L roestvrij staal te polijsten, waarbij gebruik wordt gemaakt van hoge- spanningspulsen en traditioneel elektrochemisch polijsten om het oppervlak minder ruw te maken. De nieuwe methode behoudt de energie-absorberende eigenschappen van de oorspronkelijke roosterstructuur.
2. Het belangrijkste doel van chemisch polijsten is om het oppervlak te verbeteren en bruikbaarder te maken.
1. Verbetering van de kwaliteit van het oppervlak: het omzeilen van geometrische grenzen en het polijsten van complexe structuren
Als het op polijsten aankomt, kunnen de ingewikkelde geometrische vormen van 3D-printen van metaal, zoals roosters, interne kanalen en poreuze structuren, moeilijk zijn om mee te werken. Chemisch polijsten, waarbij geen contact nodig is, is nu de beste manier om dit soort structuren aan te pakken:
Polijsten van interne kanalen: Chemische reagentia kunnen in interne kanalen terechtkomen die slechts een paar micrometer breed zijn om bramen te verwijderen die ontstaan ​​door de overlappende smeltbaden. Na chemisch polijsten vermindert het interne stromingskanaal van het brandstofmondstuk in een vliegtuigmotor bijvoorbeeld de stromingsweerstand met 15%, waardoor de motor minder brandstof verbruikt.
Optimaliseren van de poreuze structuur: Chemisch polijsten kan losse bolvormige lagen op het porieoppervlak van medische implantaten zoals heupcups en interbody fusion-apparaten verwijderen. Hierdoor kunnen botcellen gemakkelijker aan de implantaten blijven kleven. Uit onderzoek blijkt dat de oppervlakteruwheid van gepolijste poreuze titaniumlegeringen met 90% wordt verminderd, terwijl de botintegratiesnelheid met 40% wordt verbeterd.
Chemisch polijsten kan op elke vorm van onderdeel werken en kan daarom ook op vrije-oppervlakken werken. Chemisch polijsten maakte bijvoorbeeld het gecompliceerde aerodynamische oppervlak van 3D-geprinte turbinebladen gladder met 10 μm tot 1 μm en verhoogde hun aerodynamische prestaties met 8%.
2. Verbetering van de mechanische prestaties: verwijder gebreken en maak de levensduur langer
Vermoeiingsscheuren in 3D-geprinte metalen voorwerpen beginnen met oppervlaktefouten. Chemisch polijsten verbetert de mechanische eigenschappen op de volgende manieren:
vermindering van restspanning: Chemisch polijsten kan de restspanning die wordt veroorzaakt door het printen gedeeltelijk verminderen door kleine gebieden op te lossen. Chemisch polijsten kan bijvoorbeeld de levensduur bij lage cycli van vermoeiing van 3D-geprinte nikkel-gebaseerde hoge- temperatuurlegeringen verlengen van 5000 cycli naar 12.000 cycli.
Het elimineren van de oorzaak van scheuren: De overlappende markeringen van niet-gesmolten poederdeeltjes en het gesmolten zwembad zijn veelvoorkomende plaatsen waar scheuren beginnen. Chemisch polijsten kan deze problemen oplossen en de drempel voor vermoeiingsscheurgroei met 30% verhogen.
Oppervlakteverdichting: De oppervlaktelaag wordt dichter na chemisch polijsten vanwege het proces van oplossen en vervolgens weer stollen. Na chemisch polijsten daalt de porositeit van een 3D-geprinte kobaltchroomlegering bijvoorbeeld van 0,8% naar 0,02%, en gaat de weerstand tegen corrosie vijf keer omhoog.
3. Optimalisatie van biocompatibiliteit: voldoet aan strenge medische normen
Medische implantaten moeten een zeer glad oppervlak hebben en biocompatibel zijn. Chemisch polijsten voldoet op de volgende manieren aan de behoeften van de medische wereld:
Ruwe oppervlakken kunnen gemakkelijk schuilplaatsen voor bacteriën worden, dus zorg ervoor dat ze schoon blijven. Chemisch polijsten kan oppervlakken gladder maken tot op sub-micronniveau, waardoor het risico op infectie aanzienlijk wordt verkleind. Na chemisch polijsten daalde de aanhechting van Staphylococcus aureus op knie-implantaten van 3D-geprinte titaniumlegeringen bijvoorbeeld met 90%.
Controleer de ionenafgifte: Wanneer u iets mechanisch polijst, kunnen er verontreinigingen aan worden toegevoegd die ervoor zorgen dat gevaarlijke ionen (zoals nikkelionen) te veel vrijkomen. Chemisch polijsten reinigt het oppervlak door alleen chemische reacties te gebruiken, waardoor de ionenafgifte voldoet aan de ISO 10993-biocompatibiliteitseis.
Bevordering van weefselregeneratie: Gladde oppervlakken kunnen ervoor zorgen dat cellen aan elkaar plakken en immunologische reacties verminderen. Studies tonen aan dat de groeisnelheid van osteoblasten op het oppervlak van chemisch gepolijste 3D-geprinte poreuze titaniumlegeringen wordt verdubbeld.
3. Gebruik van chemisch polijsten in de industrie: van het testen van prototypes tot het maken van eindproducten
1. Lucht- en ruimtevaart: zaken betrouwbaarder maken onder zware omstandigheden
Vliegtuigmotorbladen, verbrandingskamers en andere onderdelen moeten bestand zijn tegen extreme temperaturen, druk en corrosieve omstandigheden. Chemisch polijsten zorgt ervoor dat onderdelen langer meegaan door de conditie van het oppervlak te verbeteren.
Turbinebladen: Chemisch polijsten kan de sporen verwijderen die door het gesmolten zwembad op het oppervlak van de bladen zijn achtergelaten en het proces van oxidatie bij hoge- temperaturen vertragen. Na chemisch polijsten kunnen de turbinebladen van de LEAP-motor van GE Aviation bijvoorbeeld 50 graden hogere temperaturen aan en gaan ze 20% langer mee.
Door chemisch polijsten kunnen microscheurtjes aan de binnenkant van de bekleding van de verbrandingskamer worden verwijderd, waardoor deze beter bestand is tegen thermische spanningen. Uit een thermische cyclustest van 1000 graden bleek dat de scheurvoortplantingssnelheid van voeringen van gepolijste nikkel--legeringen 60% lager is.
2. Medische implantaten: ze uniek en nuttig maken
Chemisch polijsten is het belangrijkste onderdeel van de na-nabewerking van medisch 3D-printen. Het ondersteunt het hele proces, van het aanpassen van ontwerpen tot het laten werken ervan:
Orthopedische implantaten, zoals heupcups en interbody fusion devices, zijn gemaakt om bij het lichaam van de patiënt te passen en hebben chemisch polijsten nodig om de juiste balans te krijgen tussen gladheid en botintegratieprestaties. Het DePuy Synthes 3D-geprinte interbody-fusieapparaat van titaniumlegering van Johnson&Johnson heeft bijvoorbeeld een oppervlakteruwheid van 0,8 μm na chemisch polijsten en een klinisch succespercentage van meer dan 95%.
Cardiovasculaire stent: Chemisch polijsten kan bramen op het oppervlak van de stent verwijderen en de kans op trombose verkleinen. Na chemisch polijsten daalde de oppervlakteruwheid van de 3D-geprinte stent van nikkel-titaniumlegering van Boston Scientific van 5 μm naar 0,5 μm, en de snelheid van endothelialisatie steeg met 30%.
3. Industriële apparatuur: verlaag de onderhoudskosten en zorg ervoor dat alles beter werkt
Chemisch polijsten verbetert de conditie van oppervlakken, waardoor de wrijving en het energieverbruik van industriële apparatuur worden verlaagd.
Mallen maken: Na chemisch polijsten gaat de oppervlakteruwheid van 3D-geprinte spuitgietmatrijzen van 8 μm naar 0,5 μm, de kracht die nodig is om de mal te verwijderen neemt met 40% af en de mal gaat drie keer langer mee.
Door chemisch polijsten kunnen bramen in het stromingskanaal van het klephuis worden verwijderd en kunnen vloeistoffen er gemakkelijker doorheen stromen. Na chemisch polijsten vermindert het 3D-geprinte hydraulische klephuis van Caterpillar bijvoorbeeld het drukverlies met 15% en verhoogt het de systeemefficiëntie met 8%.