3D印刷用の多孔質チタン合金の表面粗さを低減するための新しい研磨オプションとしてのプラズマ研磨
Summary
プラズマ研磨は有望な表面処理技術であり、特に多孔質チタン合金ワークピースの3D印刷に適しています。半溶融粉末やアブレーション酸化物層を除去できるため、表面粗さを効果的に低減し、表面品質を向上させることができます。
Abstract
3D印刷技術によって製造された模擬骨梁を備えた多孔質チタン合金インプラントは、幅広い展望を持っています。ただし、製造プロセス中にワークピースの表面に粉末が付着するため、直接印刷片の表面粗さは比較的高くなります。同時に、多孔質構造の内部細孔は従来の機械研磨では研磨できないため、別の方法を見つける必要があります。表面技術として、プラズマ研磨技術は、機械的に研磨することが困難な複雑な形状の部品に特に適しています。3Dプリントされた多孔質チタン合金ワークピースの表面に付着した粒子や細かい飛沫の残留物を効果的に除去できます。したがって、表面粗さを低減できる。まず、チタン合金粉末を使用して、シミュレートされた小柱骨の多孔質構造を金属3Dプリンターで印刷します。印刷後、熱処理、支持構造の除去、および超音波洗浄が行われる。次に、pHを5.7に設定した研磨電解液を添加し、機械を101.6°Cに予熱し、ワークを研磨治具に固定し、電圧(313 V)、電流(59 A)、研磨時間(3分)を設定するプラズマ研磨を行います。研磨後、多孔チタン合金ワークの表面を共焦点顕微鏡で分析し、表面粗さを測定する。走査型電子顕微鏡は、多孔質チタンの表面状態を特徴付けるために使用されます。その結果、多孔質チタン合金ワーク全体の表面粗さはRa(平均粗さ)=126.9μmからRa=56.28μmに変化し、小柱構造の表面粗さはRa=42.61μmからRa=26.25μmに変化した。一方、半溶融粉末とアブレーション酸化物層が除去され、表面品質が向上します。
Introduction
チタンおよびチタン合金材料は、それらの優れた生体適合性、耐食性、および機械的強度のために、歯科および整形外科用インプラント材料として広く使用されてきた1,2,3。しかしながら、従来の加工方法によって製造されたコンパクトチタン合金の高い弾性率のために、これらのプレートは、長期間骨表面に近接すると応力遮蔽および骨脆化を引き起こす可能性があるため、骨修復には適していない4,5。したがって、模擬骨梁の多孔質微細構造は、その弾性率を骨6,7に一致するレベルまで低下させるために、チタン合金インプラントに使用する必要があります。整形外科の分野では、細胞の生存率、付着、増殖およびホーミング、骨形成分化、血管新生、宿主統合、および体重負荷を改善するために、多くの足場が使用されてきました4,8,9。多孔質金属構造の伝統的な製造方法には、構造テンプレート法、欠陥形成法、圧縮または超臨界二酸化炭素法、電着技術10,11などが含まれる。これらの製造技術は非常に伝統的ですが、3D印刷と比較すると、原材料を浪費することがあり、かなりの準備コストがかかります12,13。3D印刷は、金属またはプラスチック粉末および他の接着材料を使用して、その上にある層の堆積を介してコンピュータ支援設計(CAD)モデルから固体3Dオブジェクトを構築する技術である14、15。3D印刷は、整形外科インプラント用の金属細胞足場を直接カスタマイズする大きな可能性を示しており、高度に相互接続された細孔を備えたカスタマイズ可能な複雑なデザインを製造するための新しい可能性を開きます。その中で、選択的レーザー溶融(SLM)は、多孔質チタンインプラント構造の最も代表的な3D印刷および製造技術の1つです16。
SLMプロセスは、チタン合金粉末を原料として使用し、本質的に粉末溶融して構造を形成します。したがって、多数の半溶融粉末およびアブレーション酸化物層がチタン合金インプラントの表面に付着することが多く、表面粗さが高くなります17。多孔質チタン整形外科用インプラントの表面品質が悪いと、炎症、疲労性能の低下、さらには新しい生物学的リスクにつながります18 。多孔質構造の内部細孔は、従来の機械研磨では研磨できないため、別の方法を見つける必要があります。プラズマ研磨は、複雑な形状のワークピースを汚染することなく効率的に研磨できる金属ワークの新しいグリーン研磨方法です19 。チタン合金インプラントの後処理の分野で大きな開発の可能性を秘めています。
表面技術の一種として、プラズマ研磨技術は、機械的に研磨が容易ではない複雑な形状の金属ワークピースに特に適しています。この研磨オプションの全体的な目標は、低粗さの多孔質チタン合金表面を得ることです。この技術は、3D印刷によって製造された多孔質チタン整形外科インプラントの表面に付着した粒子や細かい飛沫残留物を効果的に除去し、表面粗さを減らすことができます20。プラズマ研磨の原理は、電流誘起化学的除去と物理的除去の組み合わせに基づく複合反応プロセスです21。回路全体が過渡短絡を形成し、被加工物表面20上に蒸気プラズマ周囲層を形成する。このプロセスは、ガス層を突破して排出チャネルを形成し、ワークピースの表面に影響を与えます。より高い電流はワークピース表面の凸部に影響を与え、半溶融粉末と焼けた酸化物層のより速い除去につながります。凹面と凸面は絶えず変化しており、粗い表面は徐々に滑らかになり、ワークの表面粗さを改善して研磨の目的を達成します。
同時に、この技術は環境に汚染を引き起こさないグリーン加工技術であり、他の研磨方法と比較して大きな利点があります。従来の機械研磨技術には、主に機械研磨、化学研磨、および電気化学研磨22が含まれる。機械的研磨は、最も広く使用されている従来の研磨プロセスです。研磨効率が低く、手作業の需要が高く、複雑な形状の部品を研磨できないという欠点があります。従業員の怪我の可能性と人的要因による公差を超える可能性は、機械研磨の頻繁な欠点です23。化学研磨は、化学溶液を利用してワークピースの材料の一部を除去することに基づいていますが、電気化学研磨は電流と薬液を利用して同じ結果を得ます。残念ながら、これらのプロセスは両方とも、使用の副産物として危険なガスおよび液体を生成し、その組成は使用される酸またはアルカリ化学試薬の強度に依存する。その結果、その場にいる労働者は曝露による危険にさらされていると見なされるだけでなく、環境に深刻な損傷を与える可能性もあります24。Aliakseyeuら25 は、単純な電解質組成でチタン合金ワークピースを研磨するためにプラズマ研磨を利用することを提案しました。彼らは、チタンサンプルを研磨した後、表面の傷が取り除かれ、表面の光沢が大幅に改善されることを発見しました。Smyslovaら26 は、医療用インプラントの表面を治療するためにプラズマ研磨技術を適用する見通しについて審議しました。
理論的には、プラズマ研磨技術を利用して、あらゆる金属部品の構造を研磨できます。コーティング、金属仕上げ産業、3Cエレクトロニクスなどに広く適用されています22,27,28。ただし、本研究にはいくつかの制限があります。まず第一に、原稿はプラズマ研磨前後の3D印刷多孔質チタン合金の表面品質と表面粗さにのみ焦点を当てています。残りの変更は含まれません。第二に、熱処理後の結果を測定して記録しませんでした。Jinyoung Kimら29は、オッセオインテグレーション強化のためのチタン表面改質戦略を比較した。別の研究は、標的イオン誘起プラズマスパッタリング(TIPS)技術が、金属バイオインプラント30の表面に優れた生物学的機能を付与することができることを示している。3D印刷用の多孔質チタン合金の研磨効果と安全性をさらに調査するために、次のステップは、疲労性能や骨形成分化など、SLM部品の他の特性をさらに研究することです。これらの問題はさらに洗練する必要があります。この研究は、コンパクトなチタン合金ではなく3D印刷多孔質チタン合金に焦点を当てているという点で、以前のプラズマ研磨研究とは異なります。その結果、製造プロセスごとに異なる研磨パラメータを採用する必要があります。この原稿の目的は、ワークピースの表面粗さを減らすために、3D印刷多孔質チタン合金のプラズマ研磨スキームを詳細に紹介することです。
Protocol
Representative Results
Discussion
表面粗さは、小さな間隔範囲内のワークピース表面の微細幾何学的形状のうねりと不均一性の量を表すために使用されます。以前の多くの研究では、機械研磨、化学研磨、電気化学研磨など、さまざまな手順を使用して金属表面を研磨する方法が報告されています22,33,34,35。これらの従来の機械?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この実験のサポート条件とガイダンスを提供してくれた上司のWenhua Huangに感謝します。この研究は、広東医科大学の規律建設プロジェクト(4SG22260G)、広東省高等教育機関の若い革新的な才能プロジェクト(2021KQNCX023)、中国国家自然科学財団(82205301)、福田ヘルスケア研究プロジェクト(FTWS2022051)によって資金提供されました。
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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