Welche Rolle spielt das chemische Polieren beim Metall-3D-Druck?

一, Die Hauptidee des chemischen Polierens besteht darin, die Oberfläche selektiv aufzulösen und wieder aufzubauen.
Die Oxidations-{0}}Reduktionswechselwirkung zwischen chemischen Reagenzien (z. B. sauren oder alkalischen Lösungen) und der Metalloberfläche sorgt dafür, dass sich die Oberflächenschicht beim chemischen Polieren auf kontrollierte Weise auflöst. Seine Hauptbestandteile sind:
Mikroskopische Vorsprünge lösen sich leichter auf: Wenn die Oberfläche uneben ist (z. B. wenn Schweißbadüberlappungsspuren vorhanden sind oder ungeschmolzene Pulverpartikel vorhanden sind), tritt das Phänomen der „Vorwölbung löst sich bevorzugt auf“, da eine größere freiliegende Fläche und eine schnellere chemische Reaktionsgeschwindigkeit vorhanden sind.
Nivellierung durch Oberflächenspannung: Wenn sich Metallionen auflösen, wandern sie aufgrund der Oberflächenspannung in Richtung konkaver Stellen. Dadurch entsteht nach dem Aushärten eine glatte, ebene Oberfläche. Beispielsweise kann chemisches Polieren die Oberflächenrauheit (Ra) einer 3D-gedruckten Titanlegierung von 6–12 μm auf 0,2–1 μm senken, was innerhalb der für medizinische Implantate erforderlichen Biokompatibilitätskriterien liegt.
Entfernung der Fehlerschicht: Durch chemisches Polieren können ungeschmolzene Pulverpartikel, die an der Oberfläche haften (ca. 70 μm dick), präzise entfernt werden, wodurch Schäden unter der Oberfläche vermieden werden, die beim herkömmlichen mechanischen Polieren auftreten können. Singapurische Forscher haben eine neue Methode zum Polieren von 316L-Edelstahl entwickelt, die Hochspannungsimpulse und traditionelles elektrochemisches Polieren verwendet, um die Oberfläche weniger rau zu machen. Die neue Methode behält die energieabsorbierenden Eigenschaften der ursprünglichen Gitterstruktur bei.
2. Der Hauptzweck des chemischen Polierens besteht darin, die Oberfläche zu verbessern und nützlicher zu machen.
1. Verbesserung der Oberflächenqualität: Umgehen geometrischer Grenzen und Polieren komplexer Strukturen
Beim Polieren können die komplizierten geometrischen Formen des Metall-3D-Drucks, wie Gitter, interne Kanäle und poröse Strukturen, schwierig zu bearbeiten sein. Chemisches Polieren, das keinen Kontakt erfordert, ist heute die beste Möglichkeit, solche Strukturen zu bearbeiten:
Polieren interner Kanäle: Chemische Reagenzien können in interne Kanäle gelangen, die nur wenige Mikrometer breit sind, um Grate zu beseitigen, die durch die Überlappung des Schmelzbads entstehen. Beispielsweise verringert der interne Strömungskanal der Kraftstoffdüse in einem Flugzeugtriebwerk nach dem chemischen Polieren den Strömungswiderstand um 15 % und sorgt dafür, dass das Triebwerk weniger Kraftstoff verbraucht.
Optimierung der porösen Struktur: Durch chemisches Polieren können lose kugelförmige Schichten auf der Porenoberfläche von medizinischen Implantaten wie Hüftpfannen und Zwischenkörperfusionsgeräten entfernt werden. Dadurch können sich Knochenzellen leichter an den Implantaten festsetzen. Studien zeigen, dass die Oberflächenrauheit einer polierten porösen Titanlegierung um 90 % verringert wird, während die Knochenintegrationsrate um 40 % erhöht wird.
Chemisches Polieren kann bei jeder Teileform angewendet werden, daher auch bei Freiformflächen. Durch chemisches Polieren wurde beispielsweise die komplizierte aerodynamische Oberfläche 3D-gedruckter Turbinenschaufeln um 10 μm bis 1 μm glatter und ihre aerodynamische Leistung um 8 % gesteigert.
2. Verbesserung der mechanischen Leistung: Beseitigen Sie Fehler und verlängern Sie die Ermüdungslebensdauer
Ermüdungsrisse in 3D-gedruckten Metallobjekten beginnen mit Oberflächenfehlern. Chemisches Polieren verbessert die mechanischen Eigenschaften auf folgende Weise:
Reduzierung der Eigenspannung: Durch chemisches Polieren kann die Eigenspannung, die beim Drucken entsteht, teilweise reduziert werden, indem winzige Bereiche aufgelöst werden. Beispielsweise kann chemisches Polieren die Ermüdungslebensdauer bei niedrigen Zyklen von 3D-gedruckten Hochtemperaturlegierungen auf Nickel--Basis von 5.000 Zyklen auf 12.000 Zyklen verlängern.
Beseitigung der Ursache von Rissen: Die Überlappungsspuren von ungeschmolzenen Pulverpartikeln und dem Schmelzbad sind häufige Ausgangspunkte für Risse. Durch chemisches Polieren können diese Probleme behoben und die Schwelle für das Wachstum von Ermüdungsrissen um 30 % erhöht werden.
Oberflächenverdichtung: Die Oberflächenschicht wird nach dem chemischen Polieren dichter, da sie sich auflöst und dann wieder verfestigt. Beispielsweise sinkt die Porosität einer 3D-gedruckten Kobalt-Chrom-Legierung nach dem chemischen Polieren von 0,8 % auf 0,02 % und ihre Korrosionsbeständigkeit erhöht sich um das Fünffache.
3. Optimierung der Biokompatibilität: Erfüllt strenge medizinische Standards
Medizinische Implantate müssen eine sehr glatte Oberfläche haben und biokompatibel sein. Chemisches Polieren erfüllt die Anforderungen des medizinischen Bereichs auf folgende Weise:
Raue Oberflächen können leicht zu einem Versteck für Bakterien werden. Halten Sie sie daher unbedingt sauber. Durch chemisches Polieren können Oberflächen bis in den Sub--Mikrometerbereich glatter gemacht werden, was das Infektionsrisiko erheblich senkt. Nach dem chemischen Polieren ging beispielsweise die Anhaftung von Staphylococcus aureus an Knieimplantaten aus 3D--gedruckter Titanlegierung um 90 % zurück.
Kontrolle der Ionenfreisetzung: Wenn Sie etwas mechanisch polieren, können Verunreinigungen hinzugefügt werden, die dazu führen, dass gefährliche Ionen (z. B. Nickelionen) zu stark freigesetzt werden. Durch chemisches Polieren wird die Oberfläche ausschließlich durch chemische Reaktionen gereinigt, wodurch sichergestellt wird, dass die Ionenfreisetzung die Biokompatibilitätsanforderungen der ISO 10993 erfüllt.
Förderung der Geweberegeneration: Glatte Oberflächen können dazu beitragen, dass Zellen zusammenhalten und immunologische Reaktionen verringern. Studien deuten darauf hin, dass sich die Wachstumsrate von Osteoblasten auf der Oberfläche chemisch polierter 3D-gedruckter poröser Titanlegierungen verdoppelt.
3, Einsatzmöglichkeiten des chemischen Polierens in der Industrie: vom Testen von Prototypen bis zur Herstellung von Endprodukten
1. Luft- und Raumfahrt: Die Dinge unter rauen Bedingungen zuverlässiger machen
Rotorblätter, Brennkammern und andere Teile von Flugzeugtriebwerken müssen extremen Temperaturen, Drücken und korrosiven Bedingungen standhalten. Chemisches Polieren verlängert die Lebensdauer von Teilen, indem es den Zustand der Oberfläche verbessert.
Turbinenschaufeln: Durch chemisches Polieren können die vom Schmelzbad auf der Oberfläche der Schaufeln hinterlassenen Spuren entfernt und der Prozess der Hochtemperaturoxidation verlangsamt werden. Nach dem chemischen Polieren können die Turbinenschaufeln des LEAP-Triebwerks von GE Aviation beispielsweise um 50 Grad höhere Temperaturen aushalten und halten 20 % länger.
Durch chemisches Polieren können Mikrorisse an der Innenseite der Brennkammerauskleidung beseitigt werden, wodurch sie thermischen Belastungen besser standhält. Ein Temperaturwechseltest bei 1000 Grad zeigte, dass die Rissausbreitungsrate polierter Auskleidungen aus Nickel--Legierungen um 60 % geringer ist.
2. Medizinische Implantate: Sie einzigartig und nützlich machen
Das chemische Polieren ist der wichtigste Teil der Nachbearbeitung des medizinischen 3D-Drucks. Es unterstützt den gesamten Prozess, von der Anpassung der Designs bis zur Umsetzung:
Orthopädische Implantate wie Hüftpfannen und Zwischenwirbelfusionsgeräte werden an den Körper des Patienten angepasst und müssen chemisch poliert werden, um das richtige Gleichgewicht zwischen Glätte und Knochenintegrationsleistung zu erreichen. Das 3D-gedruckte interkorporale Fusionsgerät DePuy Synthes aus einer Titanlegierung von Johnson&Johnson beispielsweise weist nach dem chemischen Polieren eine Oberflächenrauheit von 0,8 μm und eine klinische Erfolgsrate von mehr als 95 % auf.
Herz-Kreislauf-Stent: Durch chemisches Polieren können Grate auf der Stentoberfläche entfernt und das Risiko einer Thrombose verringert werden. Nach dem chemischen Polieren sank die Oberflächenrauheit des 3D-gedruckten Stents aus einer Nickel-Titan-Legierung von Boston Scientific von 5 μm auf 0,5 μm und die Endothelialisierungsrate stieg um 30 %.
3. Industrieanlagen: Reduzieren Sie die Wartungskosten und sorgen Sie dafür, dass alles besser funktioniert
Chemisches Polieren verbessert den Zustand von Oberflächen, wodurch die Reibung und der Energieverbrauch von Industrieanlagen gesenkt werden.
Herstellung von Formen: Nach dem chemischen Polieren steigt die Oberflächenrauheit von 3D-gedruckten Spritzgussformen von 8 μm auf 0,5 μm, die zum Entfernen der Form erforderliche Kraft verringert sich um 40 % und die Form hält dreimal länger.
Durch chemisches Polieren können Grate im Strömungskanal des Ventilkörpers entfernt und der Durchfluss von Flüssigkeiten erleichtert werden. Beispielsweise reduziert der 3D-gedruckte hydraulische Ventilkörper von Caterpillar nach dem chemischen Polieren den Druckverlust um 15 % und steigert die Systemeffizienz um 8 %.