การขัดเงาด้วยสารเคมีในการพิมพ์โลหะ 3 มิติ มีบทบาทอย่างไร?

ประการแรก แนวคิดหลักเบื้องหลังการขัดด้วยสารเคมีคือการเลือกละลายและสร้างพื้นผิวใหม่
ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-ลดลงระหว่างรีเอเจนต์เคมี (เช่น สารละลายที่เป็นกรดหรือด่าง) และพื้นผิวโลหะทำให้ชั้นพื้นผิวละลายในลักษณะที่ได้รับการควบคุมในระหว่างการขัดเงาด้วยสารเคมี ส่วนหลักคือ:
ส่วนที่ยื่นออกมาด้วยกล้องจุลทรรศน์จะละลายได้ง่ายขึ้น: เมื่อพื้นผิวไม่เรียบ (เช่น เมื่อมีรอยเชื่อมทับซ้อนกันหรือมีอนุภาคผงที่ไม่ละลาย) ปรากฏการณ์ "ส่วนที่ยื่นออกมาจะละลายมากกว่า" เกิดขึ้นเนื่องจากมีพื้นที่สัมผัสมากขึ้นและอัตราปฏิกิริยาเคมีเร็วขึ้น
การปรับระดับด้วยแรงตึงผิว: เมื่อไอออนของโลหะละลาย จะเคลื่อนไปทางส่วนเว้าเนื่องจากแรงตึงผิว ซึ่งจะทำให้พื้นผิวเรียบเนียนสม่ำเสมอเมื่อแข็งตัวแล้ว ตัวอย่างเช่น การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถลดความหยาบผิว (Ra) ของโลหะผสมไททาเนียมที่พิมพ์แบบ 3 มิติจาก 6–12 μm เป็น 0.2–1 μm ซึ่งอยู่ภายในเกณฑ์ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่จำเป็นสำหรับการปลูกถ่ายทางการแพทย์
การกำจัดชั้นข้อบกพร่อง: การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถกำจัดอนุภาคผงที่ไม่ละลายซึ่งติดอยู่กับพื้นผิวได้อย่างแม่นยำ (หนาประมาณ 70 μm) ซึ่งป้องกันความเสียหายใต้พื้นผิวที่อาจเกิดขึ้นกับการขัดเงาเชิงกลมาตรฐาน นักวิจัยชาวสิงคโปร์ได้สร้างวิธีการใหม่ในการขัดสแตนเลส 316L ซึ่งใช้พัลส์ไฟฟ้าแรงสูง-และการขัดด้วยเคมีไฟฟ้าแบบดั้งเดิมเพื่อทำให้พื้นผิวมีความหยาบน้อยลง วิธีการใหม่นี้จะรักษาคุณสมบัติการดูดซับพลังงาน-ของโครงสร้างขัดแตะแบบเดิม
2 วัตถุประสงค์หลักของการขัดด้วยสารเคมีคือการปรับปรุงพื้นผิวและทำให้มีประโยชน์มากขึ้น
1. การปรับปรุงคุณภาพของพื้นผิว: หลีกเลี่ยงขีดจำกัดทางเรขาคณิตและขัดโครงสร้างที่ซับซ้อน
เมื่อพูดถึงการขัดเงา รูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนของการพิมพ์โลหะ 3D เช่น โครงตาข่าย ช่องภายใน และโครงสร้างที่มีรูพรุน อาจเป็นเรื่องยากที่จะใช้งาน การขัดด้วยสารเคมีซึ่งไม่ต้องสัมผัสใดๆ ถือเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการจัดการกับโครงสร้างประเภทนี้:
การขัดเงาช่องภายใน: รีเอเจนต์เคมีสามารถเข้าไปในช่องภายในที่มีความกว้างเพียงไม่กี่ไมโครเมตร เพื่อกำจัดเสี้ยนที่เกิดจากบ่อหลอมที่ทับซ้อนกัน ตัวอย่างเช่น หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี ช่องการไหลภายในของหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์เครื่องบินจะลดความต้านทานการไหลลง 15% และทำให้เครื่องยนต์ใช้เชื้อเพลิงน้อยลง
การปรับโครงสร้างที่มีรูพรุนให้เหมาะสม: การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถกำจัดชั้นทรงกลมที่หลวมบนพื้นผิวรูพรุนของการปลูกถ่ายทางการแพทย์ เช่น ถ้วยสะโพกและอุปกรณ์ฟิวชั่นระหว่างร่างกาย ทำให้เซลล์กระดูกเกาะติดกับรากฟันเทียมได้ง่ายขึ้น การศึกษาระบุว่าความหยาบผิวของโลหะผสมไทเทเนียมที่มีรูพรุนขัดเงาลดลง 90% ในขณะที่อัตราการรวมตัวของกระดูกเพิ่มขึ้น 40%
การขัดเงาด้วยสารเคมีอาจใช้ได้กับชิ้นส่วนทุกรูปทรง ดังนั้นจึงสามารถใช้ได้กับพื้นผิวที่มีรูปร่างอิสระ-เช่นกัน ตัวอย่างเช่น การขัดเงาด้วยสารเคมีทำให้พื้นผิวแอโรไดนามิกที่ซับซ้อนของใบพัดกังหันที่พิมพ์ด้วย 3D เรียบขึ้น 10 μm ถึง 1 μm และเพิ่มประสิทธิภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์ขึ้น 8%
2. การปรับปรุงสมรรถนะทางกล: กำจัดข้อบกพร่องและทำให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้น
รอยแตกร้าวจากความล้าในวัตถุโลหะที่พิมพ์ด้วย 3D เริ่มต้นด้วยข้อบกพร่องที่พื้นผิว การขัดเงาด้วยสารเคมีช่วยปรับปรุงคุณลักษณะทางกลด้วยวิธีต่อไปนี้:
ลดความเค้นตกค้าง: การขัดด้วยสารเคมีสามารถลดความเค้นตกค้างที่เกิดจากการพิมพ์ได้บางส่วนโดยการละลายบริเวณเล็กๆ ตัวอย่างเช่น การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถยืดอายุความล้าในรอบต่ำของโลหะผสมนิกเกิลที่พิมพ์แบบ 3D- ที่มีอุณหภูมิสูง- จาก 5,000 รอบเป็น 12,000 รอบ
การกำจัดสาเหตุของรอยแตกร้าว: รอยที่ทับซ้อนกันของอนุภาคผงที่ไม่ละลายและบ่อที่หลอมละลายเป็นจุดที่มักเกิดรอยแตกร้าว การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้และเพิ่มเกณฑ์การเติบโตของรอยแตกร้าวจากความเมื่อยล้าได้ 30%
การเพิ่มความหนาแน่นของพื้นผิว: ชั้นผิวจะมีความหนาแน่นมากขึ้นหลังจากการขัดด้วยสารเคมี เนื่องจากกระบวนการละลายแล้วแข็งตัวอีกครั้ง ตัวอย่างเช่น หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี ความพรุนของโลหะผสมโคบอลต์โครเมียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D- จะลดลงจาก 0.8% เป็น 0.02% และความต้านทานต่อการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นห้าเท่า
3. การเพิ่มประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางชีวภาพ: เป็นไปตามมาตรฐานทางการแพทย์ที่เข้มงวด
การปลูกถ่ายทางการแพทย์จำเป็นต้องมีพื้นผิวที่เรียบมากและเข้ากันได้ทางชีวภาพ การขัดเงาด้วยสารเคมีตอบสนองความต้องการของวงการแพทย์ด้วยวิธีต่อไปนี้:
พื้นผิวที่ขรุขระอาจกลายเป็นจุดซ่อนตัวของแบคทีเรียได้ง่าย ดังนั้นควรรักษาความสะอาด การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถทำให้พื้นผิวเรียบขึ้นจนถึงระดับไมครอน- ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการติดเชื้อได้อย่างมาก หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี การเกาะติดของ Staphylococcus aureus กับการปลูกถ่ายหัวเข่าที่ทำจากโลหะผสมไทเทเนียมที่พิมพ์แบบ 3 มิติ-ก็ลดลง 90% เป็นต้น
การปล่อยไอออนควบคุม: เมื่อคุณขัดสิ่งใดๆ ด้วยเครื่องจักร อาจเพิ่มสารปนเปื้อนที่ทำให้ไอออนที่เป็นอันตราย (เช่น ไอออนนิกเกิล) ปล่อยออกมามากเกินไป การขัดเงาด้วยสารเคมีจะทำความสะอาดพื้นผิวโดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมีเท่านั้น ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าการปล่อยไอออนจะเป็นไปตามข้อกำหนดความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ ISO 10993
ส่งเสริมการสร้างเนื้อเยื่อใหม่: พื้นผิวเรียบสามารถช่วยให้เซลล์เกาะติดกันและลดปฏิกิริยาทางภูมิคุ้มกัน การศึกษาระบุว่าอัตราการเติบโตของเซลล์สร้างกระดูกบนพื้นผิวของโลหะผสมไททาเนียมที่มีรูพรุนซึ่งพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D ขัดเงาด้วยสารเคมีนั้นเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
3 การใช้สารเคมีขัดเงาในอุตสาหกรรม: ตั้งแต่การทดสอบต้นแบบไปจนถึงการสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
1. การบินและอวกาศ: ทำให้สิ่งต่าง ๆ มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย
ใบพัดเครื่องยนต์ของเครื่องบิน ห้องเผาไหม้ และชิ้นส่วนอื่นๆ จะต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิ ความดัน และสภาวะการกัดกร่อนที่รุนแรงได้ การขัดเงาด้วยสารเคมีทำให้ชิ้นส่วนมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นโดยการปรับปรุงสภาพพื้นผิว
ใบพัดกังหัน: การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถกำจัดรอยที่หลงเหลือจากบ่อหลอมเหลวบนพื้นผิวของใบพัด และทำให้กระบวนการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง-ช้าลง หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี ใบพัดกังหันของเครื่องยนต์ LEAP ของ GE Aviation สามารถรองรับอุณหภูมิที่สูงขึ้น 50 องศา และอายุการใช้งานยาวนานขึ้น 20%
การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถกำจัดรอยแตกขนาดเล็กที่ด้านในของซับในห้องเผาไหม้ ซึ่งทำให้สามารถรับมือกับความเครียดจากความร้อนได้ดีขึ้น การทดสอบการหมุนเวียนด้วยความร้อน 1,000 องศาแสดงให้เห็นว่าอัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวของไลเนอร์โลหะผสมนิกเกิล-นั้นลดลง 60%
2. การปลูกถ่ายทางการแพทย์: ทำให้มีเอกลักษณ์และมีประโยชน์
การขัดเงาด้วยสารเคมีเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของกระบวนการหลังการพิมพ์ 3 มิติทางการแพทย์- รองรับกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่การปรับแต่งการออกแบบไปจนถึงการทำให้มันใช้งานได้:
การปลูกถ่ายกระดูกและข้อ เช่น ถ้วยสะโพกและอุปกรณ์เชื่อมต่อระหว่างร่างกาย ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้พอดีกับร่างกายของผู้ป่วย และจำเป็นต้องได้รับการขัดเงาด้วยสารเคมีเพื่อให้ได้สมดุลที่เหมาะสมระหว่างความเรียบเนียนและประสิทธิภาพการรวมตัวของกระดูก ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ฟิวชันระหว่างตัวถังโลหะผสมไทเทเนียม DePuy Synthes ของ Johnson&Johnson มีความหยาบของพื้นผิว 0.8 μm หลังจากการขัดด้วยสารเคมี และมีอัตราความสำเร็จทางคลินิกมากกว่า 95%
การใส่ขดลวดหัวใจและหลอดเลือด: การขัดด้วยสารเคมีสามารถกำจัดเสี้ยนบนพื้นผิวของขดลวด และลดโอกาสการเกิดลิ่มเลือด หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี ความหยาบพื้นผิวของขดลวดโลหะผสมนิกเกิลไททาเนียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติของ Boston Scientific ลดลงจาก 5 μm เป็น 0.5 μm และอัตราการ endothelialization เพิ่มขึ้น 30%
3. อุปกรณ์อุตสาหกรรม: ลดต้นทุนการบำรุงรักษาและทำให้สิ่งต่างๆ ทำงานได้ดีขึ้น
การขัดเงาด้วยสารเคมีช่วยปรับปรุงสภาพของพื้นผิว ซึ่งช่วยลดแรงเสียดทานและการใช้พลังงานของอุปกรณ์อุตสาหกรรม
การทำแม่พิมพ์: หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี ความหยาบของพื้นผิวของแม่พิมพ์ฉีดที่พิมพ์ด้วย 3D จะเปลี่ยนจาก 8 μm เป็น 0.5 μm แรงที่จำเป็นในการถอดแม่พิมพ์จะลดลง 40% และแม่พิมพ์จะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นสามเท่า
การขัดเงาด้วยสารเคมีสามารถกำจัดเสี้ยนในช่องการไหลของตัววาล์วและทำให้ของเหลวไหลผ่านได้ง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น หลังจากการขัดเงาด้วยสารเคมี ตัววาล์วไฮดรอลิกที่พิมพ์แบบ 3 มิติ-ของ Caterpillar จะช่วยลดการสูญเสียแรงดันลง 15% และเพิ่มประสิทธิภาพของระบบขึ้น 8%