Vai trò của việc đánh bóng hóa học trong in 3D kim loại là gì?

一, Ý tưởng chính của việc đánh bóng bằng hóa học là hòa tan và tái tạo lại bề mặt một cách có chọn lọc.
Sự tương tác oxy hóa-khử giữa các thuốc thử hóa học (chẳng hạn như dung dịch axit hoặc kiềm) và bề mặt kim loại làm cho lớp bề mặt hòa tan một cách có quy luật trong quá trình đánh bóng hóa học. Các bộ phận chính của nó là:
Các phần nhô ra dưới kính hiển vi hòa tan dễ dàng hơn: Khi bề mặt không bằng phẳng (như khi có vết chồng lên nhau của vũng hàn hoặc có các hạt bột không tan), hiện tượng "phần nhô ra được ưu tiên hòa tan" xảy ra do có nhiều diện tích tiếp xúc hơn và tốc độ phản ứng hóa học nhanh hơn.
San lấp mặt bằng thông qua sức căng bề mặt: Khi các ion kim loại hòa tan, chúng sẽ đi về phía lõm do sức căng bề mặt. Điều này tạo ra một bề mặt mịn, đều khi nó cứng lại. Ví dụ, đánh bóng bằng hóa học có thể làm giảm độ nhám bề mặt (Ra) của hợp kim titan in 3D từ 6–12 μm xuống 0,2–1 μm, nằm trong tiêu chí tương thích sinh học cần thiết cho cấy ghép y tế.
Loại bỏ lớp lỗi: Đánh bóng bằng hóa học có thể loại bỏ chính xác các hạt bột không tan chảy bám trên bề mặt (dày khoảng 70 μm), giúp ngăn ngừa hư hỏng dưới bề mặt có thể xảy ra khi đánh bóng cơ học tiêu chuẩn. Các nhà nghiên cứu Singapore đã tạo ra một phương pháp mới để đánh bóng thép không gỉ 316L sử dụng xung điện áp cao-và đánh bóng điện hóa truyền thống để làm cho bề mặt bớt thô ráp hơn. Phương pháp mới giữ nguyên các đặc tính hấp thụ năng lượng-của cấu trúc mạng ban đầu.
2, Mục đích chính của việc đánh bóng hóa học là cải thiện bề mặt và làm cho nó hữu ích hơn.
1. Cải thiện chất lượng bề mặt: vượt qua các giới hạn hình học và đánh bóng các cấu trúc phức tạp
Khi nói đến việc đánh bóng, có thể khó thực hiện được các hình dạng hình học phức tạp của in 3D kim loại như lưới, kênh bên trong và cấu trúc xốp. Đánh bóng bằng hóa chất, không cần tiếp xúc, hiện là cách tốt nhất để xử lý các loại cấu trúc này:
Đánh bóng các kênh bên trong: Thuốc thử hóa học có thể đi vào các kênh bên trong chỉ rộng vài micromet để loại bỏ các gờ tạo ra do sự chồng chéo của bể tan chảy. Ví dụ, sau khi đánh bóng bằng hóa học, kênh dòng chảy bên trong của vòi phun nhiên liệu trong động cơ máy bay sẽ giảm 15% lực cản dòng chảy và khiến động cơ sử dụng ít nhiên liệu hơn.
Tối ưu hóa cấu trúc xốp: Đánh bóng bằng hóa chất có thể loại bỏ các lớp hình cầu lỏng lẻo trên bề mặt lỗ chân lông của các thiết bị cấy ghép y tế như cúp hông và thiết bị hợp nhất giữa các cơ thể. Điều này giúp các tế bào xương dễ dàng bám vào trụ implant hơn. Các nghiên cứu chỉ ra rằng độ nhám bề mặt của hợp kim titan xốp được đánh bóng giảm 90%, trong khi tỷ lệ tích hợp xương được tăng cường thêm 40%.
Đánh bóng bằng hóa chất có thể hoạt động trên mọi hình dạng của bộ phận, do đó, nó cũng có thể hoạt động trên các bề mặt có dạng tự do. Ví dụ, việc đánh bóng bằng hóa học làm cho bề mặt khí động học phức tạp của các cánh tuabin in 3D mượt mà hơn từ 10 μm đến 1 μm và tăng hiệu suất khí động học của chúng lên 8%.
2. Cải thiện hiệu suất cơ học: loại bỏ các sai sót và kéo dài tuổi thọ mỏi
Các vết nứt do mỏi trên vật thể in 3D bằng kim loại bắt đầu từ các vết nứt trên bề mặt. Đánh bóng hóa học cải thiện các đặc tính cơ học theo những cách sau:
giảm ứng suất dư: Đánh bóng bằng hóa chất có thể làm giảm một phần ứng suất dư do in ấn bằng cách hòa tan các vùng nhỏ. Ví dụ: đánh bóng bằng hóa học có thể kéo dài tuổi thọ mỏi ở chu kỳ thấp của hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken-được in 3D từ 5000 chu kỳ lên 12000 chu kỳ.
Loại bỏ nguyên nhân gây ra vết nứt: Các vết chồng lên nhau của các hạt bột không tan chảy và vũng nóng chảy là nơi thường bắt đầu các vết nứt. Đánh bóng bằng hóa chất có thể khắc phục những vấn đề này và nâng ngưỡng phát triển vết nứt mỏi lên 30%.
Độ đặc bề mặt: Lớp bề mặt trở nên đặc hơn sau khi đánh bóng hóa học do quá trình hòa tan và sau đó đông đặc lại. Ví dụ: sau khi đánh bóng bằng hóa học, độ xốp của hợp kim crom coban-in 3D giảm từ 0,8% xuống 0,02% và khả năng chống ăn mòn của nó tăng lên gấp 5 lần.
3. Tối ưu hóa khả năng tương thích sinh học: đáp ứng các tiêu chuẩn y tế nghiêm ngặt
Cấy ghép y tế cần phải có bề mặt rất mịn và tương thích sinh học. Đánh bóng hóa học phục vụ nhu cầu của lĩnh vực y tế theo những cách sau:
Các bề mặt gồ ghề có thể dễ dàng trở thành nơi ẩn náu của vi khuẩn, vì vậy hãy đảm bảo giữ chúng sạch sẽ. Đánh bóng bằng hóa chất có thể làm cho bề mặt mịn hơn đến mức-micron, giúp giảm đáng kể nguy cơ nhiễm trùng. Ví dụ: sau khi đánh bóng bằng hóa chất, khả năng bám của Staphylococcus Aureus vào bộ phận cấy ghép đầu gối làm bằng hợp kim titan in 3D{4}}đã giảm 90%.
Kiểm soát sự giải phóng ion: Khi bạn đánh bóng bất cứ thứ gì một cách cơ học, nó có thể thêm các chất gây ô nhiễm khiến các ion nguy hiểm (như ion niken) được giải phóng quá nhiều. Đánh bóng hóa học làm sạch bề mặt bằng cách chỉ sử dụng các phản ứng hóa học, đảm bảo giải phóng ion đáp ứng yêu cầu tương thích sinh học ISO 10993.
Thúc đẩy quá trình tái tạo mô: Bề mặt nhẵn có thể giúp các tế bào dính lại với nhau và làm giảm các phản ứng miễn dịch. Các nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ tăng trưởng của các nguyên bào xương trên bề mặt hợp kim titan xốp in 3D được đánh bóng hóa học tăng gấp đôi.
3, Công dụng đánh bóng hóa học trong công nghiệp: từ thử nghiệm nguyên mẫu đến tạo thành sản phẩm cuối cùng
1. Hàng không vũ trụ: Làm cho mọi thứ trở nên đáng tin cậy hơn trong điều kiện khắc nghiệt
Cánh động cơ máy bay, buồng đốt và các bộ phận khác phải có khả năng xử lý nhiệt độ, áp suất và điều kiện ăn mòn khắc nghiệt. Đánh bóng bằng hóa chất giúp các bộ phận bền hơn bằng cách cải thiện tình trạng bề mặt.
Cánh tuabin: Đánh bóng bằng hóa chất có thể loại bỏ các vết do vũng nóng chảy để lại trên bề mặt cánh tuabin và làm chậm quá trình oxy hóa ở nhiệt độ-cao. Ví dụ, sau khi đánh bóng bằng hóa chất, các cánh tuabin của động cơ LEAP của GE Aviation có thể chịu được nhiệt độ cao hơn 50 độ và có tuổi thọ cao hơn 20%.
Đánh bóng bằng hóa chất có thể loại bỏ các vết nứt nhỏ ở bên trong lớp lót buồng đốt, giúp nó có khả năng xử lý ứng suất nhiệt tốt hơn. Thử nghiệm chu trình nhiệt 1000 độ cho thấy tốc độ lan truyền vết nứt của lớp lót hợp kim làm từ niken-được đánh bóng thấp hơn 60%.
2. Cấy ghép y tế: làm cho chúng trở nên độc đáo và hữu ích
Đánh bóng bằng hóa chất là phần quan trọng nhất trong quá trình xử lý hậu kỳ in 3D y tế. Nó hỗ trợ toàn bộ quá trình, từ tùy chỉnh thiết kế đến làm cho chúng hoạt động:
Bộ phận cấy ghép chỉnh hình, chẳng hạn như miếng đệm hông và thiết bị hợp nhất giữa các cơ thể, được chế tạo để vừa với cơ thể bệnh nhân và cần được đánh bóng bằng hóa chất để có được sự cân bằng phù hợp giữa độ mịn và hiệu suất tích hợp xương. Ví dụ, thiết bị nhiệt hạch liên thân bằng hợp kim titan in 3D DePuy Synthes của Johnson&Johnson có độ nhám bề mặt là 0,8 μm sau khi đánh bóng hóa học và tỷ lệ thành công trên lâm sàng là hơn 95%.
Stent tim mạch: Đánh bóng bằng hóa chất có thể loại bỏ các gờ trên bề mặt stent và giảm nguy cơ huyết khối. Sau khi đánh bóng bằng hóa học, độ nhám bề mặt của stent hợp kim titan niken in 3D của Boston Scientific đã giảm từ 5 μm xuống 0,5 μm và tốc độ nội mô hóa tăng 30%.
3. Thiết bị công nghiệp: cắt giảm chi phí bảo trì và giúp mọi thứ hoạt động tốt hơn
Đánh bóng bằng hóa chất giúp cải thiện tình trạng bề mặt, giúp giảm ma sát và sử dụng năng lượng của thiết bị công nghiệp.
Làm khuôn: Sau khi đánh bóng bằng hóa chất, độ nhám bề mặt của khuôn ép in 3D giảm từ 8 μm xuống 0,5 μm, lực cần thiết để tháo khuôn giảm 40% và tuổi thọ của khuôn lâu hơn gấp ba lần.
Đánh bóng bằng hóa chất có thể loại bỏ các gờ trong kênh dòng chảy của thân van và giúp chất lỏng chảy qua dễ dàng hơn. Ví dụ: sau khi đánh bóng bằng hóa chất, thân van thủy lực in 3D{2}}của Caterpillar giảm 15% tổn thất áp suất và tăng hiệu suất hệ thống lên 8%.