Плазменная полировка как новый вариант полировки для снижения шероховатости поверхности пористого титанового сплава для 3D-печати
Summary
Плазменная полировка является перспективной технологией обработки поверхности, особенно подходящей для 3D-печати заготовок из пористого титанового сплава. Он может удалять полурасплавленные порошки и абляционные оксидные слои, тем самым эффективно уменьшая шероховатость поверхности и улучшая качество поверхности.
Abstract
Широкие перспективы имеют имплантаты из пористого титанового сплава с имитацией трабекулярной кости, изготовленные по технологии 3D-печати. Однако из-за того, что некоторое количество порошка прилипает к поверхности заготовки в процессе изготовления, шероховатость поверхности у деталей прямой печати относительно высока. В то же время, поскольку внутренние поры пористой структуры не могут быть отполированы обычной механической полировкой, необходимо найти альтернативный метод. В качестве технологии обработки поверхностей технология плазменной полировки особенно подходит для деталей сложной формы, которые трудно поддаются механической полировке. Он может эффективно удалять частицы и мелкие остатки брызг, прикрепленные к поверхности напечатанных на 3D-принтере заготовок из пористого титанового сплава. Следовательно, он может уменьшить шероховатость поверхности. Во-первых, порошок титанового сплава используется для печати пористой структуры моделируемой трабекулярной кости металлическим 3D-принтером. После печати проводится термообработка, снятие несущей конструкции, ультразвуковая очистка. Затем выполняется плазменная полировка, состоящая из добавления полировального электролита с рН, установленным на 5,7, предварительного нагрева машины до 101,6 °C, фиксации заготовки на полировальном приспособлении и установки напряжения (313 В), тока (59 А) и времени полировки (3 мин). После полировки поверхность заготовки из пористого титанового сплава анализируется конфокальным микроскопом и измеряется шероховатость поверхности. Сканирующая электронная микроскопия используется для характеристики состояния поверхности пористого титана. Результаты показывают, что шероховатость поверхности всей заготовки из пористого титанового сплава изменялась от Ra (средняя шероховатость) = 126,9 мкм до Ra = 56,28 мкм, а шероховатость поверхности трабекулярной структуры изменялась от Ra = 42,61 мкм до Ra = 26,25 мкм. Между тем, полурасплавленные порошки и абляционные оксидные слои удаляются, а качество поверхности улучшается.
Introduction
Материалы из титана и титановых сплавов широко используются в качестве материалов для стоматологических и ортопедических имплантатов из-за их хорошей биосовместимости, коррозионной стойкости и механической прочности 1,2,3. Однако из-за высокого модуля упругости компактного титанового сплава, полученного традиционными методами обработки, эти пластины не подходят для восстановления кости, поскольку непосредственная близость к поверхности кости в течение длительного времени может привести к экранированию напряжений и охрупчиванию кости 4,5. Поэтому пористую микроструктуру моделируемых костных трабекул следует использовать в имплантатах из титанового сплава с целью снижения ее модуля упругости до уровня, соответствующего кости 6,7. Многие скаффолды использовались в области ортопедии для улучшения жизнеспособности клеток, прикрепления, пролиферации и самонаведения, остеогенной дифференцировки, ангиогенеза, интеграции хозяина и несущей способности 4,8,9. Традиционные методы изготовления пористых металлических конструкций включают метод структурного шаблона, метод образования дефектов, метод сжатия или сверхкритического углекислого газа, метод электроосаждения10,11 и т. Д. Хотя эти методы производства очень традиционны, они иногда растрачивают сырье и имеют значительные подготовительные затраты по сравнению с 3D-печатью12,13. 3D-печать – это технология, которая использует металлический или пластиковый порошок и другие клейкие материалы для создания твердых 3D-объектов из моделей автоматизированного проектирования (САПР) путем осаждения вышележащих слоев14,15. 3D-печать демонстрирует большой потенциал в непосредственной настройке металлических ячеистых каркасов для ортопедических имплантатов и открывает новые возможности для изготовления настраиваемых сложных конструкций с высоко взаимосвязанными порами. Среди них селективное лазерное плавление (SLM) является одной из наиболее представительных технологий 3D-печати и производства пористых титановых конструкцийимплантатов 16 .
В процессе SLM в качестве сырья используется порошок титанового сплава, по сути, плавление порошка и формирование структуры. Поэтому большое количество полурасплавленных порошков и абляционных оксидных слоев часто прилипает к поверхности имплантатов из титанового сплава, что приводит к высокой шероховатости поверхности17. Плохое качество поверхности пористых титановых ортопедических имплантатов приводит к воспалению, снижению усталостной работоспособности и даже новым биологическим рискам18 . Поскольку внутренние поры пористых структур не могут быть отполированы обычной механической полировкой, необходимо найти альтернативный метод. Плазменная полировка – это новый метод зеленой полировки металлических заготовок, который может эффективно полировать заготовки сложной формы без загрязнения19 . Он имеет большой потенциал развития в области постобработки имплантатов из титанового сплава.
Как разновидность технологии поверхности, технология плазменной полировки особенно подходит для металлических заготовок сложной формы, которые нелегко поддаются механической полировке. Общей целью этого варианта полировки является получение пористой поверхности из титанового сплава с низкой шероховатостью. Технология может эффективно удалять частицы и мелкие остатки брызг, прикрепленные к поверхности пористых титановых ортопедических имплантатов, изготовленных с помощью 3D-печати, и уменьшать шероховатость поверхности20. Принцип плазменной полировки представляет собой композитный реакционный процесс, основанный на сочетании индуцированного током химического и физического удаления21; Вся схема образует переходное короткое замыкание, образуя слой, окружающий парообразную плазму, на поверхностизаготовки 20. Этот процесс прорывается через слой газа, образуя выпускной канал, воздействуя на поверхность заготовки. Более высокий ток воздействует на выпуклую часть поверхности заготовки, что приводит к более быстрому удалению полурасплавленного порошка и обожженного оксидного слоя. Вогнутость и выпуклость постоянно меняются, а шероховатая поверхность постепенно сглаживается, улучшая шероховатость поверхности заготовки для достижения цели полировки.
В то же время эта технология является экологически чистой технологией обработки, не вызывающей загрязнения окружающей среды, и имеет большие преимущества по сравнению с другими методами полировки. Обычные методы механической полировки в основном включают механическую полировку, химическую полировку и электрохимическую полировку22. Механическая полировка является наиболее широко используемым традиционным процессом полировки; Он имеет недостатки низкой эффективности полировки, более высокую потребность в ручном труде и невозможность полировки деталей сложной геометрии. Возможность травмирования сотрудников и вероятность превышения допусков из-за человеческого фактора являются частыми недостатками механической полировки23. В отличие от химической полировки, которая основана на использовании химического раствора для удаления частей материала заготовки, электрохимическая полировка использует электрический ток и химический раствор для получения того же результата. К сожалению, оба этих процесса производят опасные газы и жидкости в качестве побочных продуктов использования, состав которых зависит от силы используемого кислотного или щелочного химического реагента. В результате не только присутствующие рабочие считаются подверженными риску из-за воздействия, но также существует вероятность серьезного ущерба окружающей среде24. Алексеев и др.25 предложили использовать плазменную полировку для полировки заготовок из титановых сплавов с простым составом электролита. Они обнаружили, что после полировки титанового образца царапины на поверхности удаляются, а блеск поверхности значительно улучшается. Смыслова и соавт.26 рассуждали о перспективах применения технологии плазменной полировки для обработки поверхностей медицинских имплантатов.
Теоретически технология плазменной полировки может быть использована для полировки структуры любой металлической детали. Он широко применяется для нанесения покрытий, в металлообрабатывающей промышленности, а также в электронике 3C, среди прочего22,27,28. Однако настоящее исследование имеет некоторые ограничения. Прежде всего, в рукописи основное внимание уделяется только качеству поверхности и шероховатости поверхности пористого титанового сплава для 3D-печати до и после плазменной полировки; Остальные изменения не затрагиваются. Во-вторых, мы не измеряли и не записывали результаты после термической обработки. Jinyoung Kim et al.29 сравнили стратегии модификации поверхности титана для усиления остеоинтеграции. Другое исследование показывает, что метод плазменного распыления, индуцированного мишенями-ионами (TIPS), может придать превосходные биологические функции поверхности металлических биоимплантатов30. Для дальнейшего изучения эффективности полировки и безопасности пористого титанового сплава для 3D-печати следующим шагом будет дальнейшее изучение других свойств детали SLM, таких как усталостные характеристики и остеогенная дифференциация. Эти вопросы нуждаются в дальнейшей доработке. Эта работа отличается от более ранних исследований плазменной полировки тем, что она фокусируется на 3D-печати пористого титанового сплава, а не на компактном титановом сплаве. В результате разные производственные процессы должны использовать разные параметры полировки. Целью данной рукописи является подробное ознакомление со схемой плазменной полировки пористого титанового сплава для 3D-печати, чтобы уменьшить шероховатость поверхности заготовок.
Protocol
Representative Results
Discussion
Шероховатость поверхности используется для описания степени волнистости и неровности микрогеометрических фигур на поверхностях заготовки в небольшом диапазоне интервалов. В ряде предыдущих исследований сообщалось, как полировать металлические поверхности с использованием различ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Я хотел бы поблагодарить моего руководителя Вэньхуа Хуана за предоставление условий поддержки и руководство для этого эксперимента. Это исследование было профинансировано проектом строительства дисциплины Медицинского университета Гуандун (4SG22260G), проектом молодых инновационных талантов высших учебных заведений провинции Гуандун (2021KQNCX023), Национальным фондом естественных наук Китая (82205301) и Исследовательским проектом в области здравоохранения Футянь (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 |
Referências
- Puleo, D. A., Nanci, A. Understanding and controlling bone-implant interface. Biomaterials. 20 (23-24), 2311-2321 (1999).
- Schuler, M., Trentin, D., Textor, M., Tosatti, S. G. P. Biomedical interfaces: titanium surface technology for implants and cell carriers. Nanomedicine. 1 (4), 449-463 (2006).
- Li, S., et al. Functionally graded Ti-6Al-4V meshes with high strength and energy absorption. Advanced Engineering Materials. 18 (1), 34-38 (2016).
- Roseti, L., et al. Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 78, 1246-1262 (2017).
- Takizawa, T., et al. Titanium fiber plates for bone tissue repair. Advanced Materials. 30 (4), (2018).
- Jung, H. D., et al. Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants. Biomaterials. 37, 49-61 (2015).
- Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Song, J. Fabrication of mechanically tunable and bioactive metal scaffolds for biomedical applications. Journal of Visualized Experiments. (106), e53279 (2015).
- Lee, H., et al. Effect of HF/HNO3-treatment on the porous structure and cell penetrability of titanium (Ti) scaffold. Materials & Design. 145, 65-73 (2018).
- Lee, H., et al. Functionally assembled metal platform as lego-like module system for enhanced mechanical tunability and biomolecules delivery. Materials & Design. 207, 109840 (2021).
- Jang, T. S., Kim, D., Han, G., Yoon, C. B., Jung, H. D. Powder based additive manufacturing for biomedical application of titanium and its alloys: a review. Biomedical Engineering Letters. 10 (4), 505-516 (2020).
- Xu, Y., et al. Honeycomb-like porous 3D nickel electrodeposition for stable Li and Na metal anodes. Energy Storage Materials. 12, 69-78 (2018).
- Kostevšek, N., Rožman, K. &. #. 3. 8. 1. ;., Pečko, D., Pihlar, B., Kobe, S. A comparative study of the electrochemical deposition kinetics of iron-palladium alloys on a flat electrode and in a porous alumina template. Electrochimica Acta. 125, 320-329 (2014).
- Tan, K., Tian, M. B., Cai, Q. Effect of bromide ions and polyethylene glycol on morphological control of electrodeposited copper foam. Thin Solid Films. 518 (18), 5159-5163 (2010).
- Kumar, K. P. A., Pumera, M. 3D-printing to mitigate COVID-19 pandemic. Advanced Functional Materials. 31 (22), 2100450 (2021).
- Palmara, G., Frascella, F., Roppolo, I., Chiappone, A., Chiadò, A. Functional 3D printing: Approaches and bioapplications. Biosensors & Bioelectronics. 175, 112849 (2021).
- Tan, X. P., Tan, Y. J., Chow, C. S. L., Tor, S. B., Yeong, W. Y. Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 76, 1328-1343 (2017).
- Wysocki, B., et al. The influence of chemical polishing of titanium scaffolds on their mechanical strength and in-vitro cell response. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 95, 428-439 (2019).
- Hasan, J., et al. Preventing peri-implantitis: the quest for a next generation of titanium dental implants. ACS Biomaterials Science & Engineering. 8 (11), 4697-4737 (2022).
- Bernhardt, A., et al. Surface conditioning of additively manufactured titanium implants and its influence on materials properties and in vitro biocompatibility. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 119, 111631 (2021).
- Nestler, K., et al. Plasma electrolytic polishing – an overview of applied technologies and current challenges to extend the polishable material range. Procedia CIRP. 42, 503-507 (2016).
- Zeidler, H., Boettger-Hiller, F., Edelmann, J., Schubert, A. Surface finish machining of medical parts using plasma electrolytic polishing. Procedia CIRP. 49, 83-87 (2016).
- Huang, Y., et al. Principle, process, and application of metal plasma electrolytic polishing: a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 114, 1893-1912 (2021).
- Belkin, P. N., Kusmanov, S. A., Parfenov, E. V. Mechanism and technological opportunity of plasma electrolytic polishing of metals and alloys surfaces. Applied Surface Science Advances. 1, 100016 (2020).
- Li, X., Binnemans, K. Oxidative dissolution of metals in organic solvents. Chemical Reviews. 121 (8), 4506-4530 (2021).
- Aliakseyeu, Y. G., Korolyov, A. Y., Niss, V. S., Parshuto, A. E., Budnitskiy, A. ES. Electrolyte-plasma polishing of titanium and niobium alloys. Science & Technique. 17 (3), 211-219 (2018).
- Smyslova, M. K., Tamindarov, D. R., Plotnikov, N. V., Modina, I. M., Semenova, I. P. Surface electrolytic-plasma polishing of Ti-6Al-4V alloy with ultrafine-grained structure produced by severe plastic deformation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 461 (1), 012079 (2018).
- Yerokhin, A. L., Nie, X., Leyland, A., Matthews, A., Dowey, S. J. Plasma electrolysis for surface engineering. Surface & Coatings Technology. 122 (2-3), 73-93 (1999).
- Walsh, F. C., et al. Plasma electrolytic oxidation (PEO) for production of anodised coatings on lightweight metal (Al, Mg, Ti) alloys. Transactions of the IMF. 87 (3), 122-135 (2009).
- Kim, J., et al. Characterization of titanium surface modification strategies for osseointegration enhancement. Metals. 11 (4), 618 (2021).
- Lee, M. K., et al. Nano-topographical control of Ti-Nb-Zr alloy surfaces for enhanced osteoblastic response. Nanomaterials. 11 (6), 1507 (2021).
- Barba, D., Alabort, E., Reed, R. C. Synthetic bone: Design by additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 97, 637-656 (2019).
- He, L., et al. The anterior and traverse cage can provide optimal biomechanical performance for both traditional and percutaneous endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion. Computers in Biology and Medicine. 131, 104291 (2021).
- Zhan, D., et al. Confined chemical etching for electrochemical machining with nanoscale accuracy. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2596-2604 (2016).
- Kwon, S. J., Lawson, N. C., McLaren, E. E., Nejat, A. H., Burgess, J. O. Comparison of the mechanical properties of translucent zirconia and lithium disilicate. The Journal of Prosthetic Dentistry. 120 (1), 132-137 (2018).
- Li, F., Li, S., Tong, H., Xu, H., Wang, Y. The application of chemical polishing in TEM sample preparation of zirconium alloys. Materials. 13 (5), 1036 (2020).
- Wu, Y., Zitelli, J. P., TenHuisen, K. S., Yu, X., Libera, M. R. Differential response of Staphylococci and osteoblasts to varying titanium surface roughness. Biomaterials. 32 (4), 951-960 (2011).
- Kunzler, T. P., Drobek, T., Schuler, M., Spencer, N. D. Systematic study of osteoblast and fibroblast response to roughness by means of surface-morphology gradients. Biomaterials. 28 (13), 2175-2182 (2007).
