Vilken roll spelar kemisk polering vid 3D-utskrift av metall?

一, Huvudtanken bakom kemisk polering är att selektivt lösa upp och återuppbygga ytan.
Oxidations-reduktionsinteraktionen mellan kemiska reagenser (sådana sura eller alkaliska lösningar) och metallytan gör att ytskiktet löses upp på ett reglerat sätt under kemisk polering. Dess huvuddelar är:
Mikroskopiska utsprång löses upp lättare: När ytan är ojämn (som när svetsbadsöverlappningsmärken eller osmälta pulverpartiklar finns), inträffar fenomenet "utsprånget löser sig företrädesvis" eftersom det finns mer exponerat område och en snabbare kemisk reaktionshastighet.
Utjämning via ytspänning: När metalljoner löses upp går de mot konkava ställen på grund av ytspänning. Detta skapar en slät, jämn yta när den härdar. Till exempel kan kemisk polering sänka ytråheten (Ra) för 3D-tryckt titanlegering från 6–12 μm till 0,2–1 μm, vilket är inom de biokompatibilitetskriterier som krävs för medicinska implantat.
Borttagning av felskiktet: Kemisk polering kan exakt ta bort osmälta pulverpartiklar som har fastnat på ytan (cirka 70 μm tjocka), vilket förhindrar skador under ytan som kan uppstå med vanlig mekanisk polering. Singaporeanska forskare har skapat ett nytt sätt att polera 316L rostfritt stål som använder hög-spänningspulser och traditionell elektrokemisk polering för att göra ytan mindre grov. Den nya metoden behåller de energiabsorberande egenskaperna hos den ursprungliga gitterstrukturen.
2, Huvudsyftet med kemisk polering är att förbättra ytan och göra den mer användbar.
1. Förbättra ytans kvalitet: komma runt geometriska gränser och polera komplexa strukturer
När det kommer till polering kan metall 3D-utskrifts komplicerade geometriska former, såsom galler, inre kanaler och porösa strukturer, vara svåra att arbeta med. Kemisk polering, som inte kräver kontakt, är nu det bästa sättet att hantera dessa typer av strukturer:
Polering av inre kanaler: Kemiska reagenser kan gå in i inre kanaler som bara är några mikrometer breda för att bli av med grader som skapas av smältbassängens överlappning. Till exempel, efter kemisk polering, minskar den interna flödeskanalen i bränslemunstycket i en flygplansmotor flödesmotståndet med 15 % och gör att motorn använder mindre bränsle.
Optimering av den porösa strukturen: Kemisk polering kan bli av med lösa sfäriska lager på porytan av medicinska implantat som höftkoppar och fusionsenheter mellan kroppen. Detta gör det lättare för benceller att fastna på implantaten. Studier indikerar att ytjämnheten hos polerad porös titanlegering minskar med 90 %, medan benintegreringsgraden förbättras med 40 %.
Kemisk polering kan fungera på vilken form som helst, därför kan den även fungera på fria-ytor. Till exempel gjorde kemisk polering den komplicerade aerodynamiska ytan på 3D-printade turbinblad jämnare med 10 μm till 1 μm och ökade deras aerodynamiska prestanda med 8 %.
2. Förbättring av mekanisk prestanda: bli av med skavanker och förläng utmattningslivslängden
Utmattningssprickor i 3D-utskrivna metallobjekt börjar med ytfel. Kemisk polering förbättrar de mekaniska egenskaperna på följande sätt:
reducering av restspänning: Kemisk polering kan delvis minska restspänningen som orsakas av utskrift genom att lösa upp små områden. Till exempel kan kemisk polering förlänga utmattningslivslängden för 3D-tryckta nickel-baserade hög-högtemperaturlegeringar från 5 000 cykler till 12 000 cykler.
Eliminera orsaken till sprickor: De överlappande märkena av osmälta pulverpartiklar och den smälta poolen är vanliga platser där sprickor börjar. Kemisk polering kan åtgärda dessa problem och höja tröskeln för tillväxt av utmattningssprickor med 30 %.
Ytförtätning: Ytskiktet blir tätare efter kemisk polering eftersom processen att lösas upp och sedan stelna igen. Till exempel, efter kemisk polering, sjunker porositeten hos en 3D-tryckt koboltkromlegering från 0,8 % till 0,02 %, och dess motståndskraft mot korrosion ökar med fem gånger.
3. Biokompatibilitetsoptimering: uppfyller strikta medicinska standarder
Medicinska implantat måste ha en mycket slät yta och vara biokompatibla. Kemisk polering tillgodoser det medicinska områdets behov på följande sätt:
Grova ytor kan lätt bli gömställen för bakterier, så se till att hålla dem rena. Kemisk polering kan göra ytorna jämnare ner till under-mikronnivån, vilket avsevärt minskar risken för infektion. Efter kemisk polering minskade till exempel Staphylococcus aureus fäste på knäimplantat av 3D-tryckt titanlegering med 90 %.
Kontrollera jonfrisättning: När du polerar något mekaniskt kan det lägga till föroreningar som gör att farliga joner (som nickeljoner) frigörs för mycket. Kemisk polering rengör ytan genom att endast använda kemiska reaktioner, vilket säkerställer att jonfrisättning uppfyller ISO 10993 biokompatibilitetskravet.
Främjar vävnadsregenerering: Släta ytor kan hjälpa cellerna att hålla ihop och minska immunologiska reaktioner. Studier indikerar att tillväxthastigheten för osteoblaster på ytan av kemiskt polerad 3D-tryckt porös titanlegering fördubblas.
3, Användning av kemisk polering inom industrin: från att testa prototyper till att tillverka slutprodukter
1. Flyg: Att göra saker mer tillförlitliga under svåra förhållanden
Flygplansmotorblad, förbränningskammare och andra delar måste kunna hantera extrema temperaturer, tryck och korrosiva förhållanden. Kemisk polering gör att delar håller längre genom att ytans kondition förbättras.
Turbinblad: Kemisk polering kan ta bort märken som den smälta poolen lämnar på bladens yta och sakta ner processen med hög-temperaturoxidation. Efter kemisk polering klarar exempelvis turbinbladen på GE Aviations LEAP-motor 50 grader högre temperaturer och håller 20 % längre.
Kemisk polering kan bli av med mikrosprickor på insidan av förbränningskammarfodret, vilket gör det bättre att hantera termisk stress. Ett 1000 graders termiskt cyklingstest visade att polerade nickel-baserade legeringsfoders sprickutbredningshastighet är 60 % lägre.
2. Medicinska implantat: gör dem unika och användbara
Kemisk polering är den viktigaste delen av medicinsk 3D-utskrift efter-behandling. Det stödjer hela processen, från att anpassa design till att få dem att fungera:
Ortopediska implantat, såsom höftskålar och fusionsenheter mellan kroppen, är gjorda för att passa patientens kropp och behöver kemisk polering för att få rätt balans mellan jämnhet och benintegreringsprestanda. Johnson&Johnsons DePuy Synthes 3D-tryckta mellankroppsfusionsenhet av titanlegering har till exempel en ytjämnhet på 0,8 μm efter kemisk polering och en klinisk framgångsgrad på mer än 95 %.
Kardiovaskulär stent: Kemisk polering kan bli av med grader på stentens yta och minska risken för trombos. Efter kemisk polering sjönk ytråheten hos Boston Scientifics 3D-tryckta stent av nickeltitanium från 5 μm till 0,5 μm, och endoteliseringshastigheten ökade med 30 %.
3. Industriell utrustning: skär ner på underhållskostnaderna och få saker att fungera bättre
Kemisk polering förbättrar ytornas tillstånd, vilket sänker friktionen och energianvändningen hos industriell utrustning.
Tillverkning av formar: Efter kemisk polering går ytråheten på 3D-tryckta formsprutningsformar från 8 μm till 0,5 μm, kraften som behövs för att ta bort formen minskar med 40 %, och formen håller tre gånger längre.
Kemisk polering kan bli av med grader i ventilhusets flödeskanal och göra det lättare för vätskor att strömma igenom. Till exempel, efter kemisk polering, minskar Caterpillars 3D-tryckta hydrauliska ventilhus tryckförlusten med 15 % och ökar systemets effektivitet med 8 %.