Plazma parlatma, özellikle gözenekli titanyum alaşımlı iş parçalarının 3D baskısı için uygun, umut verici bir yüzey işleme teknolojisidir. Yarı erimiş tozları ve ablatif oksit tabakalarını giderebilir, böylece yüzey pürüzlülüğünü etkili bir şekilde azaltabilir ve yüzey kalitesini artırabilir.
3D baskı teknolojisi ile üretilen simüle edilmiş trabeküler kemiğe sahip gözenekli titanyum alaşımlı implantlar geniş beklentilere sahiptir. Bununla birlikte, üretim işlemi sırasında bir miktar tozun iş parçasının yüzeyine yapışması nedeniyle, doğrudan baskı parçalarındaki yüzey pürüzlülüğü nispeten yüksektir. Aynı zamanda, gözenekli yapının iç gözenekleri geleneksel mekanik parlatma ile parlatılamayacağından, alternatif bir yöntemin bulunması gerekir. Bir yüzey teknolojisi olarak, plazma parlatma teknolojisi özellikle mekanik olarak parlatılması zor olan karmaşık şekillere sahip parçalar için uygundur. 3D baskılı gözenekli titanyum alaşımlı iş parçalarının yüzeyine tutturulmuş parçacıkları ve ince sıçrama kalıntılarını etkili bir şekilde temizleyebilir. Bu nedenle, yüzey pürüzlülüğünü azaltabilir. İlk olarak, simüle edilmiş trabeküler kemiğin gözenekli yapısını metal bir 3D yazıcı ile yazdırmak için titanyum alaşımlı toz kullanılır. Baskıdan sonra, ısıl işlem, destekleyici yapının çıkarılması ve ultrasonik temizleme gerçekleştirilir. Daha sonra, pH değeri 5.7’ye ayarlanmış bir parlatma elektroliti eklenmesi, makinenin önceden 101.6 ° C’ye ısıtılması, iş parçasının parlatma fikstürüne sabitlenmesi ve voltajın (313 V), akımın (59 A) ve parlatma süresinin (3 dakika) ayarlanmasından oluşan plazma parlatma işlemi gerçekleştirilir. Parlatma işleminden sonra, gözenekli titanyum alaşımlı iş parçasının yüzeyi konfokal bir mikroskopla analiz edilir ve yüzey pürüzlülüğü ölçülür. Taramalı elektron mikroskobu, gözenekli titanyumun yüzey durumunu karakterize etmek için kullanılır. Sonuçlar, tüm gözenekli titanyum alaşımlı iş parçasının yüzey pürüzlülüğünün Ra (ortalama pürüzlülük) = 126.9 μm’den Ra = 56.28 μm’ye değiştiğini ve trabeküler yapının yüzey pürüzlülüğünün Ra = 42.61 μm’den Ra = 26.25 μm’ye değiştiğini göstermektedir. Bu arada, yarı erimiş tozlar ve ablatif oksit tabakaları uzaklaştırılır ve yüzey kalitesi iyileştirilir.
Titanyum ve titanyum alaşımlı malzemeler, iyi biyouyumlulukları, korozyon direnci ve mekanik dayanımları nedeniyle dental ve ortopedik implant malzemeleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır 1,2,3. Bununla birlikte, geleneksel işleme yöntemleriyle üretilen kompakt titanyum alaşımının yüksek elastik modülü nedeniyle, bu plakalar kemik onarımı için uygun değildir, çünkü kemik yüzeyine uzun süre yakın olması stres kalkanı ve kemik gevrekleşmesine neden olabilir 4,5 . Bu nedenle, simüle edilmiş kemik trabeküllerinin gözenekli mikroyapısı, elastik modülünü kemik 6,7 ile eşleşen seviyeye düşürmek için titanyum alaşımlı implantlarda kullanılmalıdır. Ortopedi alanında hücre canlılığını, bağlanmayı, proliferasyonu ve homing’i, osteojenik farklılaşmayı, anjiyogenezi, konak entegrasyonunu ve ağırlık taşımayı geliştirmek için birçok iskele kullanılmıştır 4,8,9. Gözenekli metal yapıların geleneksel imalat yöntemleri, yapısal şablon yöntemini, kusur oluşturma yöntemini, sıkıştırma veya süperkritik karbondioksit yöntemini, elektro-biriktirme tekniğini10,11, vb. İçerir. Bu üretim teknikleri son derece geleneksel olmasına rağmen, zaman zaman hammaddeleri israf ederler ve 3D baskı ile karşılaştırıldığında önemli hazırlık maliyetlerine sahiptirler12,13. 3D baskı, üstteki katmanların birikmesi yoluyla bilgisayar destekli tasarım (CAD) modellerinden katı 3D nesneler oluşturmak için metal veya plastik toz ve diğer yapışkan malzemeleri kullanan bir teknolojidir14,15 . 3D baskı, ortopedik implantlar için metalik hücresel iskelelerin doğrudan özelleştirilmesinde büyük bir potansiyel gösterir ve birbirine yüksek oranda bağlı gözeneklere sahip özelleştirilebilir karmaşık tasarımlar üretmek için yeni olanaklar sunar. Bunlar arasında, seçici lazer eritme (SLM), gözenekli titanyum implant yapıları için en temsili 3D baskı ve üretim teknolojilerinden biridir16 .
SLM prosesi, hammadde olarak titanyum alaşımlı toz kullanır, esas olarak toz eritir ve yapıyı oluşturur. Bu nedenle, çok sayıda yarı erimiş toz ve ablatif oksit tabakası genellikle titanyum alaşımlı implantların yüzeyine yapışır ve bu da yüksek yüzey pürüzlülüğüne yol açar17. Gözenekli titanyum ortopedik implantların düşük yüzey kalitesi inflamasyona, yorgunluk performansının düşmesine ve hatta yeni biyolojik risklere yol açar18 . Gözenekli yapıların iç gözenekleri geleneksel mekanik parlatma ile parlatılamayacağından, alternatif bir yöntemin bulunması gerekir. Plazma parlatma, karmaşık şekillere sahip iş parçalarını kirlilik olmadan verimli bir şekilde parlatabilen metal iş parçaları için yeni bir yeşil parlatma yöntemidir19 . Titanyum alaşımlı implant post-processing alanında büyük gelişme potansiyeline sahiptir.
Bir tür yüzey teknolojisi olarak, plazma parlatma teknolojisi, mekanik olarak parlatılması kolay olmayan karmaşık şekillere sahip metal iş parçaları için özellikle uygundur. Bu parlatma seçeneğinin genel amacı, düşük pürüzlülüğe sahip gözenekli bir titanyum alaşımlı yüzey elde etmektir. Teknoloji, 3D baskı ile üretilen gözenekli titanyum ortopedik implantların yüzeyine yapışan parçacıkları ve ince sıçrama kalıntılarını etkili bir şekilde temizleyebilir ve yüzey pürüzlülüğünü azaltabilir20. Plazma parlatma prensibi, akıma bağlı kimyasal ve fiziksel uzaklaştırma21’in bir kombinasyonuna dayanan kompozit bir reaksiyon işlemidir; Tüm devre geçici bir kısa devre oluşturur ve iş parçası yüzeyi20 üzerinde buhar plazmasını çevreleyen bir tabaka oluşturur. Bu işlem, bir boşaltma kanalı oluşturmak için gaz tabakasını kırar ve iş parçası yüzeyini etkiler. Daha yüksek akım, iş parçası yüzeyinin dışbükey kısmını etkiler ve yarı erimiş tozun ve yanmış oksit tabakasının daha hızlı uzaklaştırılmasına yol açar. Konkavite ve dışbükeylik sürekli değişmektedir ve pürüzlü yüzey yavaş yavaş pürüzsüzleşerek parlatma amacına ulaşmak için iş parçasının yüzey pürüzlülüğünü arttırır.
Aynı zamanda, bu teknoloji çevreye kirliliğe neden olmayan yeşil bir işleme teknolojisidir ve diğer parlatma yöntemlerine kıyasla büyük avantajlara sahiptir. Geleneksel mekanik parlatma teknikleri esas olarak mekanik parlatma, kimyasal parlatma ve elektrokimyasal parlatma22’yi içerir. Mekanik parlatma, en yaygın kullanılan geleneksel parlatma işlemidir; Düşük parlatma verimliliği, el emeği için daha yüksek talep ve karmaşık geometrilere sahip parçaların parlatamamasının dezavantajlarına sahiptir. Çalışanların yaralanma potansiyeli ve insan faktörleri nedeniyle toleransları aşma olasılığı, mekanik parlatmanın sık görülen dezavantajlarıdır23. Bir iş parçasının malzemesinin parçalarını çıkarmak için kimyasal bir çözelti kullanmaya dayanan kimyasal parlatmanın aksine, elektrokimyasal parlatma aynı sonucu elde etmek için bir elektrik akımı ve kimyasal çözelti kullanır. Ne yazık ki, her iki işlem de, bileşimi kullanılan asit veya alkali kimyasal reaktifin gücüne bağlı olan kullanım yan ürünleri olarak tehlikeli gazlar ve sıvılar üretir. Sonuç olarak, sadece mevcut işçilerin maruz kalma nedeniyle risk altında olduğu düşünülmekle kalmaz, aynı zamanda çevreye ciddi zarar verme potansiyeli de vardır24. Aliakseyeu ve ark.25 , titanyum alaşımlı iş parçalarını basit elektrolit bileşimi ile parlatmak için plazma parlatma kullanılmasını önerdi. Titanyum numunesinin parlatılmasından sonra yüzey çiziklerinin giderildiğini ve yüzey parlaklığının önemli ölçüde iyileştirildiğini bulmuşlardır. Smyslova ve ark.26 , tıbbi implantların yüzeylerini tedavi etmek için plazma parlatma teknolojisinin uygulanması umutları üzerinde tartıştılar.
Teorik olarak, plazma parlatma teknolojisi herhangi bir metal parçanın yapısını parlatmak için kullanılabilir. Kaplama için, metal terbiye endüstrilerinde ve 3C elektronikte, diğerlerinin yanı sıra22,27,28 yaygın olarak uygulanmıştır. Bununla birlikte, bu çalışmanın bazı sınırlamaları vardır. Her şeyden önce, makale sadece plazma parlatma öncesi ve sonrası 3D baskı gözenekli titanyum alaşımının yüzey kalitesine ve yüzey pürüzlülüğüne odaklanmaktadır; kalan değişiklikler dahil değildir. İkincisi, ısıl işlemden sonra sonuçları ölçmedik ve kaydetmedik. Jinyoung Kim ve ark.29, osseointegrasyon artışı için titanyum yüzey modifikasyon stratejilerini karşılaştırdılar. Başka bir çalışma, hedef iyon kaynaklı plazma püskürtme (TIPS) tekniğinin metalik biyo-implantların yüzeyine mükemmel biyolojik fonksiyonlar kazandırabileceğini göstermektedir30. 3D baskı için gözenekli titanyum alaşımının parlatma etkinliğini ve güvenliğini daha fazla araştırmak için bir sonraki adım, SLM parçasının yorulma performansı ve osteojenik farklılaşma gibi diğer özelliklerini daha fazla incelemek olacaktır. Bu konuların daha da iyileştirilmesi gerekiyor. Bu çalışma, kompakt titanyum alaşımından ziyade 3D baskı gözenekli titanyum alaşımına odaklandığı için önceki plazma parlatma çalışmalarından farklıdır. Sonuç olarak, farklı üretim süreçleri farklı parlatma parametrelerini benimsemelidir. Bu makalenin amacı, iş parçalarının yüzey pürüzlülüğünü azaltmak için 3D baskı gözenekli titanyum alaşımının plazma parlatma şemasını ayrıntılı olarak tanıtmaktır.
Yüzey pürüzlülüğü, küçük bir aralık aralığındaki iş parçası yüzeylerindeki mikro geometrik şekillerin dalgalanma ve düzensizlik miktarını tanımlamak için kullanılır. Daha önce yapılan bir dizi çalışma, mekanik parlatma, kimyasal parlatma, elektrokimyasal parlatma ve daha fazlasıgibi farklı prosedürler kullanarak metal yüzeylerin nasıl parlatılacağını bildirmiştir 22,33,34,35.<s…
The authors have nothing to disclose.
Süpervizörüm Wenhua Huang’a bu deney için destek koşulları ve rehberlik sağladığı için teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma, Guangdong Tıp Üniversitesi Disiplin inşaat projesi (4SG22260G), Guangdong Yüksek Öğretim Kurumları Genç Yenilikçi Yetenekler Projesi (2021KQNCX023), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (82205301) ve Futian Sağlık Araştırma Projesi (FTWS2022051) tarafından finanse edilmiştir.
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 |