Plasmapolieren als neue Polieroption zur Reduzierung der Oberflächenrauheit poröser Titanlegierungen für den 3D-Druck
Summary
Das Plasmapolieren ist eine vielversprechende Oberflächenbearbeitungstechnologie, die sich besonders für den 3D-Druck von porösen Werkstücken aus Titanlegierungen eignet. Es kann halbgeschmolzene Pulver und ablative Oxidschichten entfernen, wodurch die Oberflächenrauheit effektiv reduziert und die Oberflächenqualität verbessert wird.
Abstract
Poröse Implantate aus Titanlegierungen mit simuliertem trabekulärem Knochen, die mittels 3D-Drucktechnologie hergestellt werden, haben breite Perspektiven. Aufgrund der Tatsache, dass während des Herstellungsprozesses etwas Pulver an der Oberfläche des Werkstücks haftet, ist die Oberflächenrauheit bei Direktdruckstücken jedoch relativ hoch. Da die inneren Poren der porösen Struktur durch herkömmliches mechanisches Polieren nicht poliert werden können, muss eine alternative Methode gefunden werden. Als Oberflächentechnologie eignet sich die Plasmapoliertechnik besonders für Teile mit komplexen Formen, die mechanisch nur schwer zu polieren sind. Es kann Partikel und feine Spritzrückstände, die an der Oberfläche von 3D-gedruckten porösen Werkstücken aus Titanlegierungen haften, effektiv entfernen. Daher kann es die Oberflächenrauheit reduzieren. Zunächst wird Titanlegierungspulver verwendet, um die poröse Struktur des simulierten trabekulären Knochens mit einem Metall-3D-Drucker zu drucken. Nach dem Druck erfolgt die Wärmebehandlung, das Entfernen der Tragstruktur und die Ultraschallreinigung. Anschließend wird das Plasmapolieren durchgeführt, das aus der Zugabe eines Polierelektrolyten mit einem pH-Wert von 5,7, dem Vorheizen der Maschine auf 101,6 °C, dem Fixieren des Werkstücks auf der Poliervorrichtung und dem Einstellen der Spannung (313 V), des Stroms (59 A) und der Polierzeit (3 min) besteht. Nach dem Polieren wird die Oberfläche des porösen Werkstücks aus Titanlegierung mit einem konfokalen Mikroskop analysiert und die Oberflächenrauheit gemessen. Die Rasterelektronenmikroskopie dient der Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit von porösem Titan. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Oberflächenrauheit des gesamten Werkstücks aus poröser Titanlegierung von Ra (mittlere Rauheit) = 126,9 μm auf Ra = 56,28 μm und die Oberflächenrauheit der Trabekelstruktur von Ra = 42,61 μm auf Ra = 26,25 μm änderte. Währenddessen werden halbgeschmolzene Pulver und ablative Oxidschichten entfernt und die Oberflächenqualität verbessert.
Introduction
Titan und Titanlegierungsmaterialien werden aufgrund ihrer guten Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Festigkeit häufig als zahnärztliche und orthopädische Implantatmaterialien verwendet 1,2,3. Aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls der kompakten Titanlegierung, die mit herkömmlichen Verarbeitungsmethoden hergestellt wird, sind diese Platten jedoch nicht für die Knochenreparatur geeignet, da die Nähe zur Knochenoberfläche über einen längeren Zeitraum zu einer Spannungsabschirmung und Knochenversprödung führen kann 4,5 . Daher sollte die poröse Mikrostruktur simulierter Knochentrabekel in Implantaten aus Titanlegierungen verwendet werden, um den Elastizitätsmodul auf ein dem Knochen entsprechendes Niveau zu reduzieren 6,7. Viele Gerüste wurden im Bereich der Orthopädie verwendet, um die Lebensfähigkeit von Zellen, die Bindung, Proliferation und Homing, die osteogene Differenzierung, die Angiogenese, die Wirtsintegration und die Gewichtsbelastung zu verbessern 4,8,9. Zu den traditionellen Herstellungsmethoden von porösen Metallstrukturen gehören die strukturelle Template-Methode, die Defektbildungsmethode, die Kompressions- oder überkritische Kohlendioxidmethode, die Elektro-Abscheidungstechnik10,11 usw. Obwohl diese Produktionstechniken sehr traditionell sind, verschwenden sie gelegentlich Rohstoffe und verursachen im Vergleich zum 3D-Druck erhebliche Vorbereitungskosten12,13. Der 3D-Druck ist eine Technologie, bei der Metall- oder Kunststoffpulver und andere Klebematerialien verwendet werden, um feste 3D-Objekte aus CAD-Modellen (Computer Aided Design) durch Abscheidung übereinander liegender Schichtenherzustellen 14,15 . Der 3D-Druck zeigt ein großes Potenzial für die direkte Anpassung von metallischen Zellgerüsten für orthopädische Implantate und eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung anpassbarer komplexer Designs mit hochgradig vernetzten Poren. Unter ihnen ist das selektive Laserschmelzen (SLM) eine der repräsentativsten 3D-Druck- und Fertigungstechnologien für poröse Titan-Implantatstrukturen16 .
Beim SLM-Verfahren wird Titanlegierungspulver als Rohstoff verwendet, wobei das Pulver im Wesentlichen geschmolzen und die Struktur geformt wird. Daher haftet häufig eine große Anzahl von halbgeschmolzenen Pulvern und ablativen Oxidschichten an der Oberfläche von Implantaten aus Titanlegierungen, was zu einer hohen Oberflächenrauheit führt17. Eine schlechte Oberflächenqualität von porösen orthopädischen Titanimplantaten führt zu Entzündungen, verminderter Ermüdungsleistung und sogar zu neuen biologischen Risiken18 . Da die inneren Poren poröser Strukturen durch herkömmliches mechanisches Polieren nicht poliert werden können, muss eine alternative Methode gefunden werden. Das Plasmapolieren ist ein neues umweltfreundliches Polierverfahren für Metallwerkstücke, mit dem Werkstücke mit komplexen Formen effizient und ohne Verschmutzung poliert werden können19 . Es hat ein großes Entwicklungspotenzial im Bereich der Nachbearbeitung von Implantaten aus Titanlegierungen.
Als eine Art Oberflächentechnik eignet sich die Plasmapoliertechnik besonders für metallische Werkstücke mit komplexen Formen, die sich mechanisch nicht gut polieren lassen. Das übergeordnete Ziel dieser Polieroption ist es, eine poröse Oberfläche aus Titanlegierung mit geringer Rauheit zu erhalten. Die Technologie kann Partikel und feine Spritzrückstände, die an der Oberfläche von porösen orthopädischen Titanimplantaten, die im 3D-Druck hergestellt werden, anhaften, effektiv entfernen und die Oberflächenrauheit reduzieren20. Das Prinzip des Plasmapolierens ist ein zusammengesetzter Reaktionsprozess, der auf einer Kombination aus strominduzierter chemischer und physikalischer Entfernung beruht21; Der gesamte Kreislauf bildet einen vorübergehenden Kurzschluss, der eine Dampfplasma-umgebende Schicht auf der Werkstückoberfläche20 bildet. Bei diesem Verfahren wird die Gasschicht durchbrochen, um einen Austragskanal zu bilden, der auf die Werkstückoberfläche trifft. Der höhere Strom wirkt auf den konvexen Teil der Werkstückoberfläche, was zu einer schnelleren Entfernung von halbgeschmolzenem Pulver und der verbrannten Oxidschicht führt. Die Konkavität und Konvexität ändern sich ständig, und die raue Oberfläche wird allmählich geglättet, wodurch die Oberflächenrauheit des Werkstücks verbessert wird, um den Zweck des Polierens zu erreichen.
Gleichzeitig handelt es sich bei dieser Technologie um eine umweltfreundliche Verarbeitungstechnologie, die die Umwelt nicht belastet und große Vorteile gegenüber anderen Poliermethoden hat. Konventionelle mechanische Poliertechniken umfassen hauptsächlich mechanisches Polieren, chemisches Polieren und elektrochemisches Polieren22. Das mechanische Polieren ist das am weitesten verbreitete konventionelle Polierverfahren. Es hat die Nachteile einer geringen Poliereffizienz, eines höheren Bedarfs an manueller Arbeit und der Unfähigkeit, Teile mit komplexen Geometrien zu polieren. Das Verletzungspotenzial von Mitarbeitern und die Wahrscheinlichkeit, dass Toleranzen aufgrund menschlicher Faktoren überschritten werden, sind häufige Nachteile des mechanischen Polierens23. Im Gegensatz zum chemischen Polieren, bei dem eine chemische Lösung verwendet wird, um Teile des Werkstückmaterials zu entfernen, werden beim elektrochemischen Polieren ein elektrischer Strom und eine chemische Lösung verwendet, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Leider entstehen bei beiden Prozessen gefährliche Gase und Flüssigkeiten als Nebenprodukte, deren Zusammensetzung von der Stärke des verwendeten sauren oder alkalischen chemischen Reagenzes abhängt. Infolgedessen gelten nicht nur die anwesenden Arbeitnehmer als durch die Exposition gefährdet, sondern es besteht auch die Möglichkeit schwerer Umweltschäden24. Aliakseyeu et al.25 schlugen vor, das Plasmapolieren zum Polieren von Werkstücken aus Titanlegierungen mit einfacher Elektrolytzusammensetzung zu verwenden. Sie fanden heraus, dass nach dem Polieren der Titanprobe Oberflächenkratzer entfernt werden und der Oberflächenglanz deutlich verbessert wird. Smyslova et al.26 erörterten die Möglichkeiten der Anwendung der Plasmapoliertechnologie zur Behandlung der Oberflächen medizinischer Implantate.
Theoretisch kann die Plasmapoliertechnologie verwendet werden, um die Struktur jedes Metallteils zu polieren. Es wurde unter anderem häufig für die Beschichtung, in der Metallveredelungsindustrie und in der 3C-Elektronik eingesetzt 22,27,28. Die vorliegende Studie weist jedoch einige Einschränkungen auf. Zunächst konzentriert sich das Manuskript nur auf die Oberflächenqualität und Oberflächenrauheit des 3D-Drucks poröser Titanlegierungen vor und nach dem Plasmapolieren; Die übrigen Änderungen sind nicht betroffen. Zweitens haben wir die Ergebnisse nach der Wärmebehandlung nicht gemessen und aufgezeichnet. Jinyoung Kim et al.29 verglichen Strategien zur Modifikation der Titanoberfläche zur Verbesserung der Osseointegration. Eine weitere Studie zeigt, dass die Target-Ionen-induzierte Plasma-Sputter-Technik (TIPS) der Oberfläche von metallischen Bioimplantaten hervorragende biologische Funktionen verleihen kann30. Um die Poliereffizienz und -sicherheit von porösen Titanlegierungen für den 3D-Druck weiter zu untersuchen, werden im nächsten Schritt die anderen Eigenschaften des SLM-Bauteils, wie z. B. das Ermüdungsverhalten und die osteogene Differenzierung, weiter untersucht. Diese Fragen müssen weiter verfeinert werden. Diese Arbeit unterscheidet sich von früheren Plasmapolierstudien dadurch, dass sie sich auf den 3D-Druck einer porösen Titanlegierung und nicht auf eine kompakte Titanlegierung konzentriert. Infolgedessen sollten verschiedene Herstellungsverfahren unterschiedliche Polierparameter annehmen. Der Zweck dieses Manuskripts ist es, das Plasmapolierschema des 3D-Drucks von porösen Titanlegierungen im Detail vorzustellen, um die Oberflächenrauheit von Werkstücken zu reduzieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Oberflächenrauheit wird verwendet, um das Ausmaß der Welligkeit und Unebenheit von mikrogeometrischen Formen auf Werkstückoberflächen innerhalb eines kleinen Abstandsbereichs zu beschreiben. In einer Reihe früherer Studien wurde berichtet, wie Metalloberflächen mit verschiedenen Verfahren poliert werden können, z. B. mechanisches Polieren, chemisches Polieren, elektrochemisches Polieren und mehr 22,33,34,35.</sup…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ich möchte meinem Betreuer, Wenhua Huang, für die Unterstützung und Anleitung dieses Experiments danken. Diese Forschung wurde durch das Discipline-Bauprojekt der Guangdong Medical University (4SG22260G), das Young Innovative Talents Project der Guangdong Higher Education Institutions (2021KQNCX023), die National Natural Science Foundation of China (82205301) und das Futian Healthcare Research Project (FTWS2022051) finanziert.
Materials
| Confocal microscope: Smartproof-5 | ZEISS | 4702000198 | |
| ConfoMap ST 8.0 | ZEISS | 4702000198 | |
| Electrical discharge machining (EDM) machine: MV1200S | Mitsubishi Electric Automation (China) Ltd. | 92U3038 | |
| Heat treatment furnace: HSQ1-644 | Jiangsu Huasu Industrial Furnace Manufacturing CO., LTD. | HSD20190812403 | |
| Metal 3D printer: Renishaw AM400 | Renishaw plc | 1HGW89 | |
| Middle speed wire-cut machine: HQ-400EZ | Suzhou Hanqi CNC Equipment CO., LTD. | W40ES20005 | |
| Permanent magnet frequency conversion screw air compressor M7-Y75AZ | KUNJI MACHINERY(SHANGHAI) MANUFACTURING CO.,LTD. | 19055065 | |
| Refrigeration compressed air dryer SY-230FG | Shanghai TaiLin Compressor Co., Ltd. | S190826698 | |
| Scanning electron microscope (SEM): JSM-IT100 | JEOL (BEIJING) CO., LTD. | MP1030004260426 | |
| Titanium alloy powder | Renishaw plc | H-5800-1086-01-A | |
| Ultrasonic cleaning machine: AK-030S | Shenzhen Yujie Cleaning Equipment Co., Ltd | 30820004 | |
| ZEN core v3.0 | ZEISS | 4702000198 |
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