2022-09-11
 
激光抛光3D打印金属零件比以往任何时候都更好
2022年09月11日  

Skoltech和MEPhI的研究人员设计了一种激光抛光技术,可以有效地去除3D打印机制造的复杂形状金属零件的表面粗糙度和次表面孔隙。在《光学与激光技术》中描述,这种新方法特别适用于医疗植入物的表面处理。本文证明,它优于先前可用的技术,当粗糙度或孔隙度是问题时,这些技术往往工作良好,但不是两者都是问题。

“3D打印机可以生产形状非常复杂的金属零件,但最终表面粗糙,表面下约十分之一毫米处存在不受欢迎的孔隙,”该研究的第一作者、Skoltech材料中心博士生丹尼尔·帕诺夫评论道。“我们的团队对传统的激光抛光工艺进行了调整,使钢表面粗糙度和次表面孔隙率降低了约10倍;没有理由不使用钛或钴铬。”鈥攖用于医疗植入物的其他常用材料。”

这是值得注意的,因为没有其他精加工技术能够以令人满意的方式同时解决这两个问题。例如,传统的激光抛光有利于处理表面粗糙度,但它并不能真正帮助处理不需要的孔隙,因为它不能熔化足够深的金属,以达到埋在表面下方约0.1mm的孔隙。其他基于冲击的技术使用粒子或激光脉冲反复“锤击”表面,导致孔隙去除,但在降低表面粗糙度方面,这些技术可以达到中等效果鈥攊事实上,他们中的一些人甚至增加了它。

“这种方法背后的想法很简单:我们不是像传统的激光抛光那样,用“最佳”功率的激光在表面上完成几道工序,而是在其中一道工序中提高功率,熔化更厚的金属层,”帕诺夫解释道。“之所以称为最佳功率是有原因的,因此这种调整确实牺牲了粗糙度方面的一些表面质量。但是,当考虑到消除令人讨厌的表面缺陷的回报时,这几个百分比的微小权衡确实是微不足道的。”

唯一的替代方法是机械处理,机械去除材料顶部0.2mm,去除孔隙,留下光滑表面。然而,这实际上违背了3D打印的目的,因为如果形状足够简单,可以加工,那幺3D打印机可能根本就不会使用。

“我们还研究了我们的精加工技术如何影响金属疲劳,”帕诺夫补充道。“除了表面粗糙度和地下孔隙率外,这一特性对医疗植入物也很重要,因为它们暴露在重复的机械应力下。结果表明,不仅粗糙度和孔隙率降低了约90%,而且产生的材料也获得了疲劳性能。”

在这项研究中,研究人员使用了钢,但他们表示,他们的技术可以转移到由其他两种常用于医疗植入物的金属制成的3D打印部件:钛和钴铬合金。这是团队目前正在进行的工作。

帕诺夫说:“地下孔隙是材料暴露于循环荷载后开始劣化的薄弱点,因此清除它们至关重要。”。“此外,如果你观察人工膝关节,例如,你会注意到它的形状很复杂,并且它的一些表面会反复摩擦。”鈥攁因此,nd需要非常抛光鈥攂但对于其他人来说,一些粗糙度在与生物组织整合方面可能是有益的。激光抛光具有实现这种选择性的精度。”

该研究的主要研究者、Skoltech材料技术中心的Igor Shishkovsky副教授评论说, “让我们的技术更有趣的是,您可以使用它来创建具有人工微图案的结构化表面。这可能包括更知名的效果,如增强表面的吸油性能、润湿条件和简单的雕刻,也可能是更具挑战性的任务:手术前植入物表面结构化、标识标签放置和形成衍射。”用于功能设备诊断等的表面网格。”

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