3 डी प्रिंटिंग के लिए झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह खुरदरापन को कम करने के लिए एक नए पॉलिशिंग विकल्प के रूप में प्लाज्मा पॉलिशिंग
Summary
प्लाज्मा पॉलिशिंग एक आशाजनक सतह प्रसंस्करण तकनीक है, विशेष रूप से छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस के 3 डी प्रिंटिंग के लिए उपयुक्त है। यह अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतों को हटा सकता है, जिससे सतह खुरदरापन को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है और सतह की गुणवत्ता में सुधार हो सकता है।
Abstract
3 डी प्रिंटिंग तकनीक द्वारा निर्मित नकली त्रिकोणीय हड्डी के साथ छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण में व्यापक संभावनाएं हैं। हालांकि, इस तथ्य के कारण कि कुछ पाउडर विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान वर्कपीस की सतह का पालन करते हैं, प्रत्यक्ष मुद्रण टुकड़ों में सतह खुरदरापन अपेक्षाकृत अधिक है। इसी समय, चूंकि छिद्रपूर्ण संरचना के आंतरिक छिद्रों को पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग द्वारा पॉलिश नहीं किया जा सकता है, इसलिए एक वैकल्पिक विधि खोजने की आवश्यकता है। एक सतह प्रौद्योगिकी के रूप में, प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक विशेष रूप से जटिल आकार वाले भागों के लिए उपयुक्त है जो यांत्रिक रूप से पॉलिश करना मुश्किल है। यह 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह से जुड़े कणों और बारीक स्प्लैश अवशेषों को प्रभावी ढंग से हटा सकता है। इसलिए, यह सतह खुरदरापन को कम कर सकता है। सबसे पहले, टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर का उपयोग धातु 3 डी प्रिंटर के साथ नकली त्रिकोणीय हड्डी की छिद्रपूर्ण संरचना को प्रिंट करने के लिए किया जाता है। मुद्रण के बाद, गर्मी उपचार, सहायक संरचना को हटाने, और अल्ट्रासोनिक सफाई की जाती है। फिर, प्लाज्मा पॉलिशिंग की जाती है, जिसमें 5.7 पर पीएच सेट के साथ एक पॉलिशिंग इलेक्ट्रोलाइट जोड़ना, मशीन को 101.6 डिग्री सेल्सियस पर प्रीहीट करना, पॉलिशिंग फिक्स्चर पर वर्कपीस को ठीक करना और वोल्टेज (313 वी), करंट (59 ए), और पॉलिशिंग टाइम (3 मिनट) सेट करना शामिल है। पॉलिश करने के बाद, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह का विश्लेषण एक कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप द्वारा किया जाता है, और सतह खुरदरापन मापा जाता है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम की सतह की स्थिति को चिह्नित करने के लिए किया जाता है। परिणाम बताते हैं कि पूरे छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह खुरदरापन आरए (औसत खुरदरापन) = 126.9 μm से Ra = 56.28 μm में बदल गया, और ट्रैब्युलर संरचना की सतह खुरदरापन Ra = 42.61 μm से Ra = 26.25 μm में बदल गया। इस बीच, अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतों को हटा दिया जाता है, और सतह की गुणवत्ता में सुधार होता है।
Introduction
टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री का व्यापक रूप से दंत चिकित्सा और आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि उनकी अच्छी जैव-रासायनिकता, संक्षारण प्रतिरोध और यांत्रिक शक्ति 1,2,3 है। हालांकि, पारंपरिक प्रसंस्करण विधियों द्वारा उत्पादित कॉम्पैक्ट टाइटेनियम मिश्र धातु के उच्च लोचदार मापांक के कारण, ये प्लेटें हड्डी की मरम्मत के लिए उपयुक्त नहीं हैं, क्योंकि लंबे समय तक हड्डी की सतह के करीब निकटता के परिणामस्वरूप तनाव परिरक्षण और हड्डी भंगुरता 4,5 हो सकती है। इसलिए, सिमुलेटेड हड्डी ट्रेबेक्यूले के छिद्रपूर्ण माइक्रोस्ट्रक्चर का उपयोग टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण में किया जाना चाहिए ताकि हड्डी 6,7 से मेल खाने वाले स्तर तक इसके लोचदार मापांक को कम किया जा सके। कोशिका व्यवहार्यता, लगाव, प्रसार और होमिंग, ओस्टोजेनिक भेदभाव, एंजियोजेनेसिस, मेजबान एकीकरण और वजन वहन 4,8,9 में सुधार के लिए आर्थोपेडिक्स के क्षेत्र में कई मचानों का उपयोग किया गया है। छिद्रपूर्ण धातु संरचनाओं के पारंपरिक निर्माण विधियों में संरचनात्मक टेम्पलेट विधि, दोष गठन विधि, संपीड़न या सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड विधि, इलेक्ट्रो-जमाव तकनीक10,11 आदि शामिल हैं। यद्यपि ये उत्पादन तकनीकें अत्यधिक पारंपरिक हैं, वे कभी-कभी कच्चे माल को बर्बाद कर देते हैं और 3 डी प्रिंटिंग12,13 की तुलना में पर्याप्त प्रारंभिक लागत होती है। 3 डी प्रिंटिंग एक ऐसी तकनीक है जो धातु या प्लास्टिक पाउडर और अन्य चिपकने वाली सामग्री का उपयोग कंप्यूटर एडेड डिज़ाइन (सीएडी) मॉडल से ठोस 3 डी वस्तुओं के निर्माण के लिए करती है। 3 डी प्रिंटिंग आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के लिए धातु सेलुलर मचानों को सीधे अनुकूलित करने में बड़ी क्षमता दिखाती है और अत्यधिक परस्पर जुड़े छिद्रों के साथ अनुकूलन योग्य जटिल डिजाइनों के निर्माण के लिए नई संभावनाएं खोलती है। उनमें से, चयनात्मक लेजर पिघलने (एसएलएम) छिद्रपूर्ण टाइटेनियमप्रत्यारोपण संरचनाओं के लिए सबसे अधिक प्रतिनिधि 3 डी प्रिंटिंग और विनिर्माण प्रौद्योगिकियों में से एक है।
एसएलएम प्रक्रिया कच्चे माल के रूप में टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर का उपयोग करती है, अनिवार्य रूप से पाउडर पिघलने और संरचना बनाने के लिए। इसलिए, बड़ी संख्या में अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतें अक्सर टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण की सतह का पालन करती हैं, जिससे उच्च सतह खुरदरापन17 होता है। छिद्रपूर्ण टाइटेनियम आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की खराब सतह की गुणवत्ता सूजन, थकान प्रदर्शन में कमी और यहां तक कि नएजैविक जोखिमों की ओर ले जाती है। चूंकि छिद्रपूर्ण संरचनाओं के आंतरिक छिद्रों को पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग द्वारा पॉलिश नहीं किया जा सकता है, इसलिए एक वैकल्पिक विधि खोजने की आवश्यकता है। प्लाज्मा पॉलिशिंग धातु की वर्कपीस के लिए एक नई हरी पॉलिशिंग विधि हैजो प्रदूषण के बिना जटिल आकार के साथ वर्कपीस को कुशलतापूर्वक पॉलिश कर सकती है। इसमें टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण पोस्ट-प्रोसेसिंग के क्षेत्र में बड़ी विकास क्षमता है।
सतह प्रौद्योगिकी के एक प्रकार के रूप में, प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक जटिल आकृतियों के साथ धातु के वर्कपीस के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है जिन्हें यांत्रिक रूप से पॉलिश करना आसान नहीं है। इस पॉलिशिंग विकल्प का समग्र लक्ष्य कम खुरदरापन के साथ एक छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह प्राप्त करना है। यह तकनीक 3 डी प्रिंटिंग द्वारा निर्मित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह से जुड़े कणों और बारीक स्प्लैश अवशेषों को प्रभावी ढंग से हटा सकती है और सतह के खुरदरापनको कम कर सकती है। प्लाज्मा पॉलिशिंग का सिद्धांत वर्तमान-प्रेरित रासायनिक और भौतिक निष्कासन21 के संयोजन पर आधारित एक समग्र प्रतिक्रिया प्रक्रिया है; पूरा सर्किट एक क्षणिक शॉर्ट सर्किट बनाता है, जिससे वर्कपीससतह 20 पर वाष्प प्लाज्मा-आसपास की परत बनती है। यह प्रक्रिया गैस परत के माध्यम से एक निर्वहन चैनल बनाने के लिए टूट जाती है, जिससे वर्कपीस की सतह प्रभावित होती है। उच्च धारा वर्कपीस सतह के उत्तल भाग को प्रभावित करती है, जिससे अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और जली हुई ऑक्साइड परत तेजी से हट जाती है। शंकु और उत्तलता लगातार बदल रही है, और खुरदरी सतह धीरे-धीरे चिकनी हो जाती है, जिससे पॉलिशिंग के उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए वर्कपीस की सतह खुरदरापन में सुधार होता है।
इसी समय, यह तकनीक एक हरी प्रसंस्करण तकनीक है, जिससे पर्यावरण को कोई प्रदूषण नहीं होता है, और अन्य पॉलिशिंग विधियों की तुलना में इसके बहुत फायदे हैं। पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग तकनीकों में मुख्य रूप से यांत्रिक पॉलिशिंग, रासायनिक पॉलिशिंग और इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंगशामिल हैं। यांत्रिक पॉलिशिंग सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली पारंपरिक पॉलिशिंग प्रक्रिया है; इसमें कम पॉलिशिंग दक्षता, मैनुअल श्रम की उच्च मांग और जटिल ज्यामिति के साथ भागों को चमकाने में असमर्थता के नुकसान हैं। कर्मचारी की चोट की संभावना और मानव कारकों के कारण सहिष्णुता से अधिक की संभावना यांत्रिक पॉलिशिंगकी लगातार कमियां हैं। रासायनिक पॉलिशिंग के विपरीत, जो वर्कपीस की सामग्री के कुछ हिस्सों को हटाने के लिए रासायनिक समाधान का उपयोग करने पर आधारित है, इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंग एक ही परिणाम प्राप्त करने के लिए एक विद्युत प्रवाह और रासायनिक समाधान का उपयोग करता है। दुर्भाग्य से, ये दोनों प्रक्रियाएं उपयोग के उप-उत्पादों के रूप में खतरनाक गैसों और तरल पदार्थों का उत्पादन करती हैं, जिनकी संरचना एसिड या क्षारीय रासायनिक अभिकर्मक की ताकत पर निर्भर होती है। नतीजतन, न केवल उपस्थित श्रमिकों को जोखिम के कारण जोखिम में माना जाता है,बल्कि पर्यावरण को गंभीर नुकसान की भी संभावना है। 25 ने सरल इलेक्ट्रोलाइट संरचना के साथ टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को चमकाने के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। उन्होंने पाया कि, टाइटेनियम नमूना चमकाने के बाद सतह की खरोंच हटा दी जाती है और सतह चमक में काफी सुधार होता है। स्मिस्लोवा एट अल .26 ने चिकित्सा प्रत्यारोपण की सतहों के इलाज के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक को लागू करने की संभावनाओं पर विचार-विमर्श किया।
सैद्धांतिक रूप से, प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक का उपयोग किसी भी धातु भाग की संरचना को चमकाने के लिए किया जा सकता है। यह व्यापक रूप से कोटिंग के लिए, धातु परिष्करण उद्योगों में, और 3 सी इलेक्ट्रॉनिक्स में, दूसरों के बीच22,27,28 के बीच लागू किया गया है। हालांकि, वर्तमान अध्ययन की कुछ सीमाएं हैं। सबसे पहले, पांडुलिपि केवल प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले और बाद में 3 डी प्रिंटिंग झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह की गुणवत्ता और सतह खुरदरापन पर केंद्रित है; शेष परिवर्तन शामिल नहीं हैं। दूसरे, हमने गर्मी उपचार के बाद परिणामों को मापा और रिकॉर्ड नहीं किया। जिनयंग किम एट अल .29 ने ओसेओइंटीग्रेशन वृद्धि के लिए टाइटेनियम सतह संशोधन रणनीतियों की तुलना की। एक अन्य अध्ययन से पता चलता है कि लक्ष्य-आयन प्रेरित प्लाज्मा स्पटरिंग (टीआईपीएस) तकनीक धातु जैव-प्रत्यारोपणकी सतह को उत्कृष्ट जैविक कार्य प्रदान कर सकती है। 3 डी प्रिंटिंग के लिए छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की पॉलिशिंग प्रभावकारिता और सुरक्षा की जांच करने के लिए, अगला कदम एसएलएम भाग के अन्य गुणों, जैसे थकान प्रदर्शन और ओस्टोजेनिक भेदभाव का आगे अध्ययन करना होगा। इन मुद्दों को और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता है। यह काम पहले के प्लाज्मा पॉलिशिंग अध्ययनों से अलग है जिसमें यह कॉम्पैक्ट टाइटेनियम मिश्र धातु के बजाय 3 डी प्रिंटिंग झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु पर केंद्रित है। नतीजतन, विभिन्न विनिर्माण प्रक्रियाओं को अलग-अलग पॉलिशिंग मापदंडों को अपनाना चाहिए। इस पांडुलिपि का उद्देश्य 3 डी प्रिंटिंग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की प्लाज्मा पॉलिशिंग योजना को विस्तार से पेश करना है, ताकि वर्कपीस की सतह खुरदरापन को कम किया जा सके।
Protocol
Representative Results
Discussion
सतह खुरदरापन का उपयोग एक छोटी रिक्ति सीमा के भीतर वर्कपीस सतहों पर सूक्ष्म ज्यामितीय आकृतियों की लहर और असमानता की मात्रा का वर्णन करने के लिए किया जाता है। पिछले कई अध्ययनों ने बताया है कि विभिन्न प्?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
मैं इस प्रयोग के लिए समर्थन की स्थिति और मार्गदर्शन प्रदान करने के लिए अपने पर्यवेक्षक, वेनहुआ हुआंग को धन्यवाद देना चाहता हूं। इस शोध को गुआंग्डोंग मेडिकल यूनिवर्सिटी (4एसजी 22260 जी), गुआंग्डोंग उच्च शिक्षा संस्थानों की युवा अभिनव प्रतिभा परियोजना (2021 केक्यूएनसीएक्स 023), चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (82205301), और फुटियन हेल्थकेयर रिसर्च प्रोजेक्ट (FTWS2022051) की अनुशासन निर्माण परियोजना द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
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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