Яка роль хімічного полірування в 3D-друкі металу?

一 Основна ідея хімічного полірування полягає у вибірковому розчиненні та відновленні поверхні.
Окислювально-відновна взаємодія між хімічними реагентами (такими кислотними або лужними розчинами) і поверхнею металу змушує поверхневий шар розчинятися врегульованим чином під час хімічного полірування. Його основними частинами є:
Мікроскопічні виступи розчиняються легше: коли поверхня нерівна (наприклад, коли присутні сліди перекриття зварювальної ванни або нерозплавлені частки порошку), явище «виступ переважно розчиняється», оскільки є більш відкрита область і швидкість хімічної реакції вища.
Вирівнювання за допомогою поверхневого натягу: коли іони металу розчиняються, вони спрямовуються до увігнутих місць через поверхневий натяг. Це створює гладку рівну поверхню після затвердіння. Наприклад, хімічне полірування може знизити шорсткість поверхні (Ra) 3D-друкованого титанового сплаву з 6–12 мкм до 0,2–1 мкм, що відповідає критеріям біосумісності, необхідним для медичних імплантатів.
Видалення дефектного шару: хімічне полірування може точно видалити нерозплавлені частинки порошку, які прилипли до поверхні (приблизно 70 мкм завтовшки), що запобігає пошкодженню під поверхнею, яке може статися при стандартному механічному поліруванні. Сінгапурські дослідники створили новий спосіб полірування нержавіючої сталі 316L, який використовує високо-імпульси напруги та традиційне електрохімічне полірування, щоб зробити поверхню менш шорсткою. Новий метод зберігає властивості-поглинання енергії оригінальної решітки.
2. Основна мета хімічного полірування - покращити поверхню та зробити її більш корисною.
1. Покращення якості поверхні: обхід геометричних обмежень і полірування складних структур
Коли справа доходить до полірування, складні геометричні форми металевого 3D-друку, такі як решітки, внутрішні канали та пористі структури, може бути важко працювати. Хімічне полірування, яке не вимагає контакту, зараз є найкращим способом обробки таких структур:
Полірування внутрішніх каналів: хімічні реагенти можуть проникати у внутрішні канали шириною лише кілька мікрометрів, щоб позбутися задирок, утворених перекриттям ванни розплаву. Наприклад, після хімічного полірування внутрішній проточний канал паливної форсунки в двигуні літака зменшує опір потоку на 15% і змушує двигун споживати менше палива.
Оптимізація пористої структури: хімічне полірування може позбутися пухких сферичних шарів на поверхні пор медичних імплантатів, таких як тазостегнові чашечки та пристрої для зрощення між тілами. Це полегшує прилипання кісткових клітин до імплантатів. Дослідження показують, що шорсткість поверхні полірованого пористого титанового сплаву зменшується на 90%, тоді як швидкість інтеграції кістки підвищується на 40%.
Хімічне полірування може діяти на деталі будь-якої форми, тому воно також може працювати на поверхнях довільної{0}}форми. Наприклад, хімічне полірування зробило складну аеродинамічну поверхню лопатей турбіни, надрукованих на 3D, гладкішою на 10–1 мкм і підвищило їх аеродинамічні характеристики на 8%.
2. Покращення механічних характеристик: позбавтеся недоліків і збільште термін служби втоми
Втомні тріщини в металевих 3D-друкованих об’єктах починаються з дефектів поверхні. Хімічне полірування покращує механічні характеристики наступними способами:
зменшення залишкової напруги: хімічне полірування може частково зменшити залишкову напругу, спричинену друком, шляхом розчинення крихітних ділянок. Наприклад, хімічне полірування може подовжити довговічність високотемпературних сплавів на основі 3D-друку на основі нікелю-з 5000 циклів до 12000 циклів.
Усунення причини тріщин: сліди, що накладаються на нерозплавлені частинки порошку та розплавлену ванну, є звичайними місцями, де починаються тріщини. Хімічне полірування може вирішити ці проблеми та підвищити поріг розвитку втомних тріщин на 30%.
Поверхневе ущільнення: поверхневий шар стає щільнішим після хімічного полірування, оскільки відбувається процес розчинення, а потім знову затвердіння. Наприклад, після хімічного полірування пористість надрукованого на 3D -кобальт-хрому сплаву падає з 0,8% до 0,02%, а його стійкість до корозії зростає в п’ять разів.
3. Оптимізація біосумісності: відповідає суворим медичним стандартам
Медичні імплантати повинні мати дуже гладку поверхню та бути біосумісними. Хімічне полірування відповідає потребам галузі медицини наступними способами:
Шорсткі поверхні можуть легко стати сховищем для бактерій, тому тримайте їх у чистоті. Хімічне полірування може зробити поверхні гладкішими до суб-мікронного рівня, що значно знижує ризик інфікування. Наприклад, після хімічного полірування прикріплення Staphylococcus aureus до колінних імплантатів із 3D-надрукованого титанового сплаву знизилося на 90%.
Контролюйте вивільнення іонів: коли ви поліруєте будь-що механічно, це може додати забруднювачі, які спричинять надмірне виділення небезпечних іонів (наприклад, іонів нікелю). Хімічне полірування очищає поверхню за допомогою лише хімічних реакцій, що гарантує, що вивільнення іонів відповідає вимогам біосумісності ISO 10993.
Стимулювання регенерації тканин: гладкі поверхні можуть допомогти клітинам злипатися разом і знизити імунологічні реакції. Дослідження показують, що швидкість росту остеобластів на поверхні хімічно відполірованого 3D-друкованого пористого титанового сплаву подвоюється.
3. Використання хімічного полірування в промисловості: від тестування прототипів до виготовлення кінцевої продукції
1. Аерокосмічна промисловість: підвищення надійності в суворих умовах
Лопаті авіаційних двигунів, камери згоряння та інші частини мають витримувати екстремальні температури, тиск і корозійні умови. Хімічне полірування подовжує термін служби деталей, покращуючи стан поверхні.
Лопаті турбіни: хімічне полірування може позбутися слідів, залишених розплавленою водою на поверхні лопатей, і сповільнити процес високо-температурного окислення. Після хімічного полірування лопаті турбіни двигуна LEAP компанії GE Aviation, наприклад, можуть витримувати температуру на 50 градусів вище та працюватимуть на 20% довше.
Хімічне полірування може позбутися мікротріщин на внутрішній стороні обшивки камери згоряння, завдяки чому вона краще витримує термічні навантаження. Термоциклічний тест на 1000 градусів показав, що накладки з полірованого сплаву на основі нікелю-швидкість поширення тріщин на 60% нижча.
2. Медичні імпланти: що робить їх унікальними та корисними
Хімічне полірування є найважливішою частиною обробки після-медичного 3D-друку. Він підтримує весь процес, від налаштування дизайну до його роботи:
Ортопедичні імплантати, такі як тазостегнові чашечки та спондилодезні пристрої, виготовлені відповідно до тіла пацієнта, і потребують хімічного полірування, щоб отримати правильний баланс між гладкістю та ефективністю інтеграції кістки. Наприклад, 3D-друкований пристрій DePuy Synthes від Johnson&Johnson для міжтілового злиття з титанового сплаву має шорсткість поверхні 0,8 мкм після хімічного полірування та рівень клінічного успіху понад 95%.
Серцево-судинний стент: хімічне полірування може позбутися задирок на поверхні стента та знизити ймовірність тромбозу. Після хімічного полірування шорсткість поверхні 3D-друкованого стента з нікель-титанового сплаву Boston Scientific знизилася з 5 мкм до 0,5 мкм, а швидкість ендотелізації зросла на 30%.
3. Промислове обладнання: скоротити витрати на технічне обслуговування та покращити роботу речей
Хімічне полірування покращує стан поверхонь, що знижує тертя та енергоспоживання промислового обладнання.
Виготовлення форм: після хімічного полірування шорсткість поверхні надрукованих на 3D-принтерах прес-форм змінюється з 8 мкм до 0,5 мкм, сила, необхідна для видалення форми, зменшується на 40%, а форма служить утричі довше.
Хімічне полірування може позбутися задирок у каналі потоку корпусу клапана та полегшити протікання рідин. Наприклад, після хімічного полірування корпус гідравлічного клапана Caterpillar, надрукований 3D-, зменшує втрату тиску на 15% і підвищує ефективність системи на 8%.