Le polissage plasma comme nouvelle option de polissage pour réduire la rugosité de surface de l’alliage de titane poreux pour l’impression 3D
Summary
Le polissage plasma est une technologie de traitement de surface prometteuse, particulièrement adaptée à l’impression 3D de pièces poreuses en alliage de titane. Il peut éliminer les poudres semi-fondues et les couches d’oxyde ablatif, réduisant ainsi efficacement la rugosité de surface et améliorant la qualité de surface.
Abstract
Les implants poreux en alliage de titane avec os trabéculaire simulé fabriqués par la technologie d’impression 3D ont de larges perspectives. Cependant, en raison du fait qu’une certaine poudre adhère à la surface de la pièce pendant le processus de fabrication, la rugosité de surface des pièces d’impression directe est relativement élevée. Dans le même temps, étant donné que les pores internes de la structure poreuse ne peuvent pas être polis par polissage mécanique conventionnel, une méthode alternative doit être trouvée. En tant que technologie de surface, la technologie de polissage plasma est particulièrement adaptée aux pièces aux formes complexes difficiles à polir mécaniquement. Il peut éliminer efficacement les particules et les résidus d’éclaboussures fines fixés à la surface des pièces en alliage de titane poreux imprimées en 3D. Par conséquent, il peut réduire la rugosité de surface. Tout d’abord, la poudre d’alliage de titane est utilisée pour imprimer la structure poreuse de l’os trabéculaire simulé avec une imprimante 3D en métal. Après l’impression, le traitement thermique, le retrait de la structure de support et le nettoyage par ultrasons sont effectués. Ensuite, le polissage plasma est effectué, consistant à ajouter un électrolyte de polissage avec le pH réglé à 5,7, à préchauffer la machine à 101,6 ° C, à fixer la pièce sur le dispositif de polissage et à régler la tension (313 V), le courant (59 A) et le temps de polissage (3 min). Après polissage, la surface de la pièce poreuse en alliage de titane est analysée par un microscope confocal et la rugosité de surface est mesurée. La microscopie électronique à balayage est utilisée pour caractériser l’état de surface du titane poreux. Les résultats montrent que la rugosité de surface de l’ensemble de la pièce en alliage de titane poreux est passée de Ra (rugosité moyenne) = 126,9 μm à Ra = 56,28 μm, et la rugosité de surface de la structure trabéculaire est passée de Ra = 42,61 μm à Ra = 26,25 μm. Pendant ce temps, les poudres semi-fondues et les couches d’oxyde ablatif sont éliminées et la qualité de surface est améliorée.
Introduction
Le titane et les matériaux en alliage de titane ont été largement utilisés comme matériaux d’implants dentaires et orthopédiques en raison de leur bonne biocompatibilité, de leur résistance à la corrosion et de leur résistance mécanique 1,2,3. Cependant, en raison du module d’élasticité élevé de l’alliage de titane compact produit par les méthodes de traitement traditionnelles, ces plaques ne conviennent pas à la réparation osseuse, car la proximité de la surface osseuse pendant de longues périodes peut entraîner un blindage sous contrainte et une fragilisation osseuse 4,5 . Par conséquent, la microstructure poreuse des trabécules osseuses simulées doit être utilisée dans les implants en alliage de titane afin de réduire son module d’élasticité au niveau correspondant à l’os 6,7. De nombreux échafaudages ont été utilisés dans le domaine de l’orthopédie pour améliorer la viabilité cellulaire, l’attachement, la prolifération et le homing, la différenciation ostéogénique, l’angiogenèse, l’intégration de l’hôte et la mise en charge 4,8,9. Les méthodes traditionnelles de fabrication des structures métalliques poreuses comprennent la méthode de gabarit structurel, la méthode de formation de défauts, la méthode de compression ou de dioxyde de carbone supercritique, la technique d’électrodéposition10,11, etc. Bien que ces techniques de production soient très traditionnelles, elles gaspillent parfois des matières premières et ont des coûts préparatoires substantiels par rapport à l’impression 3D12,13. L’impression 3D est une technologie qui utilise de la poudre métallique ou plastique et d’autres matériaux adhésifs pour construire des objets 3D solides à partir de modèles de conception assistée par ordinateur (CAO) via le dépôt de couches sus-jacentes14,15 . L’impression 3D montre un grand potentiel dans la personnalisation directe d’échafaudages cellulaires métalliques pour implants orthopédiques et ouvre de nouvelles possibilités pour la fabrication de conceptions complexes personnalisables avec des pores hautement interconnectés. Parmi elles, la fusion sélective par laser (SLM) est l’une des technologies d’impression et de fabrication 3D les plus représentatives des structures implantaires poreuses en titane[16].
Le procédé SLM utilise de la poudre d’alliage de titane comme matière première, essentiellement la poudre fondue et la formation de la structure. Par conséquent, un grand nombre de poudres semi-fondues et de couches d’oxyde ablatif adhèrent souvent à la surface des implants en alliage de titane, ce qui conduit à une rugosité de surface élevée17. La mauvaise qualité de surface des implants orthopédiques poreux en titane entraîne une inflammation, une diminution des performances de fatigue et même de nouveaux risques biologiques[18 ]. Étant donné que les pores internes des structures poreuses ne peuvent pas être polis par polissage mécanique conventionnel, une méthode alternative doit être trouvée. Le polissage plasma est une nouvelle méthode de polissage vert pour les pièces métalliques qui permet de polir efficacement des pièces aux formes complexes sans pollution19 . Il a un grand potentiel de développement dans le domaine du post-traitement des implants en alliage de titane.
En tant que technologie de surface, la technologie de polissage plasma est particulièrement adaptée aux pièces métalliques aux formes complexes qui ne sont pas faciles à polir mécaniquement. L’objectif global de cette option de polissage est d’obtenir une surface en alliage de titane poreux à faible rugosité. La technologie permet d’éliminer efficacement les particules et les résidus d’éclaboussures fines fixés à la surface des implants orthopédiques poreux en titane fabriqués par impression 3D et de réduire la rugosité de surface20. Le principe du polissage plasma est un procédé de réaction composite basé sur une combinaison d’élimination chimique et physique induite par le courant21 ; L’ensemble du circuit forme un court-circuit transitoire, formant une couche environnante de plasma de vapeur sur la surface de la pièce20. Ce processus traverse la couche de gaz pour former un canal de décharge, impactant la surface de la pièce. Le courant plus élevé impacte la partie convexe de la surface de la pièce, ce qui accélère l’élimination de la poudre semi-fondue et de la couche d’oxyde brûlée. La concavité et la convexité changent constamment, et la surface rugueuse devient progressivement lissée, améliorant la rugosité de surface de la pièce pour atteindre l’objectif de polissage.
En même temps, cette technologie est une technologie de traitement verte, ne causant aucune pollution à l’environnement, et présente de grands avantages par rapport aux autres méthodes de polissage. Les techniques de polissage mécanique conventionnelles comprennent principalement le polissage mécanique, le polissage chimique et le polissage électrochimique22. Le polissage mécanique est le procédé de polissage conventionnel le plus largement utilisé; Il présente les inconvénients d’une faible efficacité de polissage, d’une demande plus élevée de main-d’œuvre manuelle et de l’incapacité de polir des pièces avec des géométries complexes. Le risque de blessure chez les employés et la probabilité de dépassement des tolérances en raison de facteurs humains sont des inconvénients fréquents du polissage mécanique23. Contrairement au polissage chimique, qui est basé sur l’utilisation d’une solution chimique pour enlever des parties du matériau d’une pièce, le polissage électrochimique utilise un courant électrique et une solution chimique pour obtenir le même résultat. Malheureusement, ces deux procédés produisent des gaz et des liquides dangereux en tant que sous-produits d’utilisation, dont la composition dépend de la résistance du réactif chimique acide ou alcalin utilisé. En conséquence, non seulement les travailleurs présents sont considérés comme étant à risque en raison de l’exposition, mais il existe également un risque de dommages graves à l’environnement24. Aliakseyeu et al.25 ont proposé d’utiliser le polissage au plasma pour polir des pièces en alliage de titane avec une composition électrolytique simple. Ils ont constaté qu’après le polissage, les rayures de surface de l’échantillon de titane sont éliminées et que la brillance de surface est considérablement améliorée. Smyslova et al.26 ont délibéré sur les perspectives d’application de la technologie de polissage au plasma pour traiter les surfaces des implants médicaux.
Théoriquement, la technologie de polissage plasma peut être utilisée pour polir la structure de n’importe quelle pièce métallique. Il a été largement appliqué pour le revêtement, dans les industries de finition des métaux et dans l’électronique 3C, entre autres22,27,28. Cependant, la présente étude comporte certaines limites. Tout d’abord, le manuscrit se concentre uniquement sur la qualité de surface et la rugosité de surface de l’impression 3D d’alliage de titane poreux avant et après polissage au plasma; Les autres modifications ne sont pas impliquées. Deuxièmement, nous n’avons pas mesuré et enregistré les résultats après le traitement thermique. Jinyoung Kim et al.29 ont comparé les stratégies de modification de surface du titane pour l’amélioration de l’ostéointégration. Une autre étude montre que la technique de pulvérisation cathodique induite par des ions cibles (TIPS) peut conférer d’excellentes fonctions biologiques à la surface des bio-implants métalliques30. Afin d’étudier plus avant l’efficacité et la sécurité du polissage de l’alliage de titane poreux pour l’impression 3D, la prochaine étape consistera à étudier plus avant les autres propriétés de la pièce SLM, telles que la performance en fatigue et la différenciation ostéogénique. Ces questions doivent être affinées. Ce travail diffère des études antérieures de polissage au plasma en ce qu’il se concentre sur l’impression 3D d’alliage de titane poreux plutôt que d’alliage de titane compact. En conséquence, différents procédés de fabrication doivent adopter des paramètres de polissage différents. Le but de ce manuscrit est d’introduire en détail le schéma de polissage plasma de l’impression 3D en alliage de titane poreux, afin de réduire la rugosité de surface des pièces.
Protocol
Representative Results
Discussion
La rugosité de surface est utilisée pour décrire la quantité d’ondulation et d’irrégularité des formes microgéométriques sur les surfaces de pièces à usiner dans une petite plage d’espacement. Un certain nombre d’études antérieures ont rapporté comment polir des surfaces métalliques en utilisant différentes procédures, telles que le polissage mécanique, le polissage chimique, le polissage électrochimique, etc. 22,33,34,35.<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Je tiens à remercier mon superviseur, Wenhua Huang, pour avoir fourni des conditions de soutien et des conseils pour cette expérience. Cette recherche a été financée par le projet de construction de disciplines de l’Université médicale du Guangdong (4SG22260G), le projet des jeunes talents innovants des établissements d’enseignement supérieur du Guangdong (2021KQNCX023), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (82205301) et le projet de recherche sur les soins de santé de Futian (FTWS2022051).
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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