Plasmapolieren als neue Polieroption zur Reduzierung der Oberflächenrauheit poröser Titanlegierungen für den 3D-Druck

Zusammenfassung

Das Plasmapolieren ist eine vielversprechende Oberflächenbearbeitungstechnologie, die sich besonders für den 3D-Druck von porösen Werkstücken aus Titanlegierungen eignet. Es kann halbgeschmolzene Pulver und ablative Oxidschichten entfernen, wodurch die Oberflächenrauheit effektiv reduziert und die Oberflächenqualität verbessert wird.

Zusammenfassung

Poröse Implantate aus Titanlegierungen mit simuliertem trabekulärem Knochen, die mittels 3D-Drucktechnologie hergestellt werden, haben breite Perspektiven. Aufgrund der Tatsache, dass während des Herstellungsprozesses etwas Pulver an der Oberfläche des Werkstücks haftet, ist die Oberflächenrauheit bei Direktdruckstücken jedoch relativ hoch. Da die inneren Poren der porösen Struktur durch herkömmliches mechanisches Polieren nicht poliert werden können, muss eine alternative Methode gefunden werden. Als Oberflächentechnologie eignet sich die Plasmapoliertechnik besonders für Teile mit komplexen Formen, die mechanisch nur schwer zu polieren sind. Es kann Partikel und feine Spritzrückstände, die an der Oberfläche von 3D-gedruckten porösen Werkstücken aus Titanlegierungen haften, effektiv entfernen. Daher kann es die Oberflächenrauheit reduzieren. Zunächst wird Titanlegierungspulver verwendet, um die poröse Struktur des simulierten trabekulären Knochens mit einem Metall-3D-Drucker zu drucken. Nach dem Druck erfolgt die Wärmebehandlung, das Entfernen der Tragstruktur und die Ultraschallreinigung. Anschließend wird das Plasmapolieren durchgeführt, das aus der Zugabe eines Polierelektrolyten mit einem pH-Wert von 5,7, dem Vorheizen der Maschine auf 101,6 °C, dem Fixieren des Werkstücks auf der Poliervorrichtung und dem Einstellen der Spannung (313 V), des Stroms (59 A) und der Polierzeit (3 min) besteht. Nach dem Polieren wird die Oberfläche des porösen Werkstücks aus Titanlegierung mit einem konfokalen Mikroskop analysiert und die Oberflächenrauheit gemessen. Die Rasterelektronenmikroskopie dient der Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit von porösem Titan. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Oberflächenrauheit des gesamten Werkstücks aus poröser Titanlegierung von Ra (mittlere Rauheit) = 126,9 μm auf Ra = 56,28 μm und die Oberflächenrauheit der Trabekelstruktur von Ra = 42,61 μm auf Ra = 26,25 μm änderte. Währenddessen werden halbgeschmolzene Pulver und ablative Oxidschichten entfernt und die Oberflächenqualität verbessert.

Einleitung

Titan und Titanlegierungsmaterialien werden aufgrund ihrer guten Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Festigkeit häufig als zahnärztliche und orthopädische Implantatmaterialien verwendet ^1,2,3. Aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls der kompakten Titanlegierung, die mit herkömmlichen Verarbeitungsmethoden hergestellt wird, sind diese Platten jedoch nicht für die Knochenreparatur geeignet, da die Nähe zur Knochenoberfläche über einen längeren Zeitraum zu einer Spannungsabschirmung und Knochenversprödung führen kann ^4,5 . Daher sollte die poröse Mikrostruktur simulierter Knochentrabekel in Implantaten aus Titanlegierungen verwendet werden, um den Elastizitätsmodul auf ein dem Knochen entsprechendes Niveau zu reduzieren ^6,7. Viele Gerüste wurden im Bereich der Orthopädie verwendet, um die Lebensfähigkeit von Zellen, die Bindung, Proliferation und Homing, die osteogene Differenzierung, die Angiogenese, die Wirtsintegration und die Gewichtsbelastung zu verbessern ^4,8,9. Zu den traditionellen Herstellungsmethoden von porösen Metallstrukturen gehören die strukturelle Template-Methode, die Defektbildungsmethode, die Kompressions- oder überkritische Kohlendioxidmethode, die Elektro-Abscheidungstechnik^10,11 usw. Obwohl diese Produktionstechniken sehr traditionell sind, verschwenden sie gelegentlich Rohstoffe und verursachen im Vergleich zum 3D-Druck erhebliche Vorbereitungskosten^12,13. Der 3D-Druck ist eine Technologie, bei der Metall- oder Kunststoffpulver und andere Klebematerialien verwendet werden, um feste 3D-Objekte aus CAD-Modellen (Computer Aided Design) durch Abscheidung übereinander liegender Schichten^{herzustellen 14,15} . Der 3D-Druck zeigt ein großes Potenzial für die direkte Anpassung von metallischen Zellgerüsten für orthopädische Implantate und eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung anpassbarer komplexer Designs mit hochgradig vernetzten Poren. Unter ihnen ist das selektive Laserschmelzen (SLM) eine der repräsentativsten 3D-Druck- und Fertigungstechnologien für poröse Titan-Implantatstrukturen¹⁶ .

Beim SLM-Verfahren wird Titanlegierungspulver als Rohstoff verwendet, wobei das Pulver im Wesentlichen geschmolzen und die Struktur geformt wird. Daher haftet häufig eine große Anzahl von halbgeschmolzenen Pulvern und ablativen Oxidschichten an der Oberfläche von Implantaten aus Titanlegierungen, was zu einer hohen Oberflächenrauheit führt¹⁷. Eine schlechte Oberflächenqualität von porösen orthopädischen Titanimplantaten führt zu Entzündungen, verminderter Ermüdungsleistung und sogar zu neuen biologischen Risiken¹⁸ . Da die inneren Poren poröser Strukturen durch herkömmliches mechanisches Polieren nicht poliert werden können, muss eine alternative Methode gefunden werden. Das Plasmapolieren ist ein neues umweltfreundliches Polierverfahren für Metallwerkstücke, mit dem Werkstücke mit komplexen Formen effizient und ohne Verschmutzung poliert werden können¹⁹ . Es hat ein großes Entwicklungspotenzial im Bereich der Nachbearbeitung von Implantaten aus Titanlegierungen.

Als eine Art Oberflächentechnik eignet sich die Plasmapoliertechnik besonders für metallische Werkstücke mit komplexen Formen, die sich mechanisch nicht gut polieren lassen. Das übergeordnete Ziel dieser Polieroption ist es, eine poröse Oberfläche aus Titanlegierung mit geringer Rauheit zu erhalten. Die Technologie kann Partikel und feine Spritzrückstände, die an der Oberfläche von porösen orthopädischen Titanimplantaten, die im 3D-Druck hergestellt werden, anhaften, effektiv entfernen und die Oberflächenrauheit reduzieren²⁰. Das Prinzip des Plasmapolierens ist ein zusammengesetzter Reaktionsprozess, der auf einer Kombination aus strominduzierter chemischer und physikalischer Entfernung beruht²¹; Der gesamte Kreislauf bildet einen vorübergehenden Kurzschluss, der eine Dampfplasma-umgebende Schicht auf der Werkstückoberfläche²⁰ bildet. Bei diesem Verfahren wird die Gasschicht durchbrochen, um einen Austragskanal zu bilden, der auf die Werkstückoberfläche trifft. Der höhere Strom wirkt auf den konvexen Teil der Werkstückoberfläche, was zu einer schnelleren Entfernung von halbgeschmolzenem Pulver und der verbrannten Oxidschicht führt. Die Konkavität und Konvexität ändern sich ständig, und die raue Oberfläche wird allmählich geglättet, wodurch die Oberflächenrauheit des Werkstücks verbessert wird, um den Zweck des Polierens zu erreichen.

Gleichzeitig handelt es sich bei dieser Technologie um eine umweltfreundliche Verarbeitungstechnologie, die die Umwelt nicht belastet und große Vorteile gegenüber anderen Poliermethoden hat. Konventionelle mechanische Poliertechniken umfassen hauptsächlich mechanisches Polieren, chemisches Polieren und elektrochemisches Polieren²². Das mechanische Polieren ist das am weitesten verbreitete konventionelle Polierverfahren. Es hat die Nachteile einer geringen Poliereffizienz, eines höheren Bedarfs an manueller Arbeit und der Unfähigkeit, Teile mit komplexen Geometrien zu polieren. Das Verletzungspotenzial von Mitarbeitern und die Wahrscheinlichkeit, dass Toleranzen aufgrund menschlicher Faktoren überschritten werden, sind häufige Nachteile des mechanischen Polierens²³. Im Gegensatz zum chemischen Polieren, bei dem eine chemische Lösung verwendet wird, um Teile des Werkstückmaterials zu entfernen, werden beim elektrochemischen Polieren ein elektrischer Strom und eine chemische Lösung verwendet, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Leider entstehen bei beiden Prozessen gefährliche Gase und Flüssigkeiten als Nebenprodukte, deren Zusammensetzung von der Stärke des verwendeten sauren oder alkalischen chemischen Reagenzes abhängt. Infolgedessen gelten nicht nur die anwesenden Arbeitnehmer als durch die Exposition gefährdet, sondern es besteht auch die Möglichkeit schwerer Umweltschäden²⁴. Aliakseyeu et ^al.25 schlugen vor, das Plasmapolieren zum Polieren von Werkstücken aus Titanlegierungen mit einfacher Elektrolytzusammensetzung zu verwenden. Sie fanden heraus, dass nach dem Polieren der Titanprobe Oberflächenkratzer entfernt werden und der Oberflächenglanz deutlich verbessert wird. Smyslova et ^al.26 erörterten die Möglichkeiten der Anwendung der Plasmapoliertechnologie zur Behandlung der Oberflächen medizinischer Implantate.

Theoretisch kann die Plasmapoliertechnologie verwendet werden, um die Struktur jedes Metallteils zu polieren. Es wurde unter anderem häufig für die Beschichtung, in der Metallveredelungsindustrie und in der 3C-Elektronik eingesetzt 22,27,28. Die vorliegende Studie weist jedoch einige Einschränkungen auf. Zunächst konzentriert sich das Manuskript nur auf die Oberflächenqualität und Oberflächenrauheit des 3D-Drucks poröser Titanlegierungen vor und nach dem Plasmapolieren; Die übrigen Änderungen sind nicht betroffen. Zweitens haben wir die Ergebnisse nach der Wärmebehandlung nicht gemessen und aufgezeichnet. Jinyoung Kim et ^al.29 verglichen Strategien zur Modifikation der Titanoberfläche zur Verbesserung der Osseointegration. Eine weitere Studie zeigt, dass die Target-Ionen-induzierte Plasma-Sputter-Technik (TIPS) der Oberfläche von metallischen Bioimplantaten hervorragende biologische Funktionen verleihen kann³⁰. Um die Poliereffizienz und -sicherheit von porösen Titanlegierungen für den 3D-Druck weiter zu untersuchen, werden im nächsten Schritt die anderen Eigenschaften des SLM-Bauteils, wie z. B. das Ermüdungsverhalten und die osteogene Differenzierung, weiter untersucht. Diese Fragen müssen weiter verfeinert werden. Diese Arbeit unterscheidet sich von früheren Plasmapolierstudien dadurch, dass sie sich auf den 3D-Druck einer porösen Titanlegierung und nicht auf eine kompakte Titanlegierung konzentriert. Infolgedessen sollten verschiedene Herstellungsverfahren unterschiedliche Polierparameter annehmen. Der Zweck dieses Manuskripts ist es, das Plasmapolierschema des 3D-Drucks von porösen Titanlegierungen im Detail vorzustellen, um die Oberflächenrauheit von Werkstücken zu reduzieren.

Protokoll

1. Drucken und Vorbereiten eines Werkstücks aus einer Titanlegierung

1. Bereiten Sie ein Werkstück aus einer porösen Titanlegierung mit der SLM-Drucktechnik vor. Importieren Sie Dateien im STL-Format in den Metalldrucker, fügen Sie Ti-6Al-4V-Pulver hinzu, installieren Sie das Bausubstrat, richten Sie das Wischerblatt ein, stellen Sie die Laserspotgröße auf 70 μm und die Schichtdicke auf 30 μm ein (Abbildung 1).
2. Ti-6Al-4V-Pulver der Güteklasse 23 mit einer chemischen Zusammensetzung wie in Tabelle 1 dargestellt und einer Pulverpartikelgröße von 15-53 μm.
3. Entwerfen Sie die poröse Titanlegierungsstruktur mit simuliertem trabekulärem Knochen auf der Grundlage der Tyson-Polygon-Anisotropie unter Verwendung parametrischer Modellierung mit einer Aperturgröße von 400-600 μm, einem kleinen Strahldurchmesser von 100-300 μm und einer Porosität von 70%³¹ .
4. Stellen Sie sicher, dass das Werkstück aus poröser Titanlegierung die Form des medizinischen Lendenkäfigs³² hat. Verwenden Sie für die poröse Struktur und den Lendenkorb Boolesche Operationen, um die poröse Werkstückstruktur zu erhalten.

2. Wärmebehandlung

1. Ein hoher Temperaturgradient beim SLM-Druck führt zu Eigenspannungen im Werkstück. Verwenden Sie eine Wärmebehandlung, um die Eigenspannung im Inneren des Werkstücks zu beseitigen und die Zähigkeit, Plastizität, Zugfestigkeit und andere physikalische Eigenschaften des Werkstücks zu erhalten.
2. Trennen Sie das poröse Werkstück aus Titanlegierung nach dem Bedrucken mit einer mittelschnellen Drahterodiermaschine vom Bedruckstoff. Installieren Sie die Titanplatte auf der Drahterodiermaschine mit mittlerer Geschwindigkeit, um die Platte senkrecht zum Boden zu machen, und stellen Sie sicher, dass der Draht nur die Auflagefläche berührt. Schneiden Sie dann entlang des Trägers und der Titanplatte, um das poröse Werkstück aus Titanlegierung vom Drucksubstrat zu trennen.
3. Legen Sie das poröse Werkstück aus Titanlegierung für 15 min in die Ultraschallreinigungsmaschine mit deionisiertem Wasser und einer Temperatur von 30 °C. Halten Sie die Ultraschallfrequenz bei 40.000 Hz. Die Ultraschallreinigung zielt darauf ab, das in der porösen Struktur verbleibende Titanlegierungspulver zu entfernen.
4. Wiederholen Sie das oben erwähnte Ultraschallreinigungsverfahren viermal, um Reste von Titanlegierungspulver und deionisiertem Wasser aus der porösen Struktur zu entfernen. Danach 20 s lang Hochdruckluft auf die poröse Struktur richten, um das restliche Pulver und die Flüssigkeit wegzublasen. Der Druck der Hochdruckluft beträgt 0,71 MPa, der von einem Luftkompressor und einem Lufttrockner erzeugt wird.
5. Stellen Sie den Titankorb bei Raumtemperatur in den Wärmebehandlungsofen. Der Titankorb ist mit Werkstücken aus Titanlegierung ausgestattet, die vom Substrat getrennt sind. Verhindern Sie, dass sich verschiedene Werkstücke berühren und schließen Sie die Ofentür.
6. Öffnen Sie das Gasventil, nehmen Sie die Luft heraus und halten Sie den Vakuumgrad bei 3,9 x ^10-3 Pa.
7. Stellen Sie den Wärmebehandlungsprozess ein. Zuerst heizen Sie den Ofen 1,5 h lang auf 800 °C vor, halten die Temperatur 2 h lang und kühlen dann das Werkstück im Inneren des Ofens ab. Dieses Verfahren stellt sicher, dass der Vakuumdruck unverändert bleibt.
8. Kühlen Sie den Ofen nach der Wärmebehandlung auf Raumtemperatur ab und füllen Sie den Ofen mit Luft. Nachdem Sie wieder den atmosphärischen Druck erreicht haben, wie auf der Platte zu sehen, nehmen Sie das poröse Werkstück aus Titanlegierung heraus.

3. Entfernen der Stütze

1. Nach der Wärmebehandlung weisen die porösen Werkstücke aus Titanlegierung keine inneren Eigenspannungen auf, sodass die Werkstückoberfläche beim Entfernen des Trägers nicht reißt und/oder bricht.
2. Messen Sie die Stützdicke mit einem Messschieber, fixieren Sie das Werkstück auf der Drahterodiermaschine (EDM) mit niedriger Geschwindigkeit und stellen Sie sicher, dass der Kupferdraht gerade die Auflagefläche berührt.
3. Stellen Sie die Schnitttiefe gleich der Stützdicke ein. Es ist unvermeidlich, dass beim Entfernen der Stütze durch die Drahterodiermaschine eine Abtragsoxidschicht entsteht. Achten Sie beim Entfernen der Stütze darauf, dass das Werkstück in deionisiertes Wasser getaucht wird, um Verbrennungen an der Werkstückoberfläche zu minimieren.
4. Ein vernünftiges Stützdesign sorgt für Genauigkeit beim Entfernen der Stütze. Wenn noch Stützreste vorhanden sind, polieren Sie das Werkstück mit Schleifpapier.

4. Ultraschall-Reinigung

1. Da das Werkstück beim Entfernen des Stützmaterials in deionisiertes Wasser getaucht wird, führen Sie vor dem Plasmapolieren eine Ultraschallreinigung durch, um andere Verunreinigungen zu entfernen.
2. Legen Sie das poröse Werkstück aus Titanlegierung in die Ultraschallreinigungsmaschine mit deionisiertem Wasser, stellen Sie die Wassertemperatur auf 30 °C ein und reinigen Sie es 5 Minuten lang. Nach 5 min das Werkstück herausnehmen und Restflüssigkeit mit Hochdruckluft ausblasen.

5. Erste Charakterisierung

1. Rasterelektronenmikroskop (REM): Abbildung der Oberflächen mit einem REM bei 15 und 20 kV Beschleunigungsspannung, nach der Ultraschallreinigung und vor dem Plasmapolieren.
2. Nehmen Sie Bilder mit 30-fachen, 100-fachen und 500-fachen Sichtfeldern auf. Beobachten Sie die allgemeine Oberflächenmorphologie, die Partikelhaftung und die Porengröße des Werkstücks aus poröser Titanlegierung und bewerten Sie den Plasmapoliereffekt qualitativ.
3. Konfokales Mikroskop: Bilden Sie die Oberflächen mit einem konfokalen Mikroskop ab.
4. Legen Sie das Werkstück waagerecht auf die Lagerplattform. Messen Sie den Parameter für die durchschnittliche Rauheit (Ra) der Oberflächenarithmetik. Verwenden Sie ZEN core v3.0 und die Software ConfoMap ST 8.0.
   1. Wählen Sie die 2,5-fache Vergrößerung, wählen Sie " Breit" für den Live-Modus, klicken Sie auf "Automatische Intensität", und wechseln Sie dann zur 5-fachen Vergrößerung, um die Gesamtsituation zu beobachten. Klicken Sie auf Automatische Intensität und stellen Sie den Live-Modus auf Comp ein. Wählen Sie den Interessenbereich aus, klicken Sie auf Zuerst am tiefsten Punkt festlegen und zuletzt am höchsten Punkt festlegen , und legen Sie dann die Erfassung auf Normal fest.
   2. Importieren Sie die Ergebnisse nach ca. 5 min in ein neues Dokument in ConfoMap ST 8.0. Der Ra ist in der Parametertabelle in ConfoMap ST leicht zu ermitteln.
5. Beobachten Sie den Gesamtzustand des Werkstücks mit einem Fünffachspiegel, schalten Sie dann auf einen Hochleistungsspiegel um und fokussieren Sie das Sichtfeld auf eine Trabekel. Bewerten Sie den Plasmapoliereffekt quantitativ, indem Sie das Ra des porösen Werkstücks aus Titanlegierung vor dem Plasmapolieren beschreiben.

6. Plasma-Polieren

1. Verwenden Sie dazu eine Elektrolysezelle, um das Werkstück in einen Elektrolyten einzutauchen, der als Anode²⁰ verbunden ist. Verwenden Sie als Elektrolyt eine 4%ige Ammoniumsulfatlösung [(_NH4)₂SO₄], pH-Wert zwischen 5,7-6,1. Den Polierelektrolyten vor dem Plasmapolieren auf 80 °C vorheizen.
2. Stellen Sie den Polierstrom auf 59 A, die Spannung auf 313 V und die Polierelektrolyttemperatur auf 101,6 °C ein (Abbildung 2A). Führen Sie das Plasmapolieren nach diesen Parametern durch.
3. Legen Sie die Oberfläche des zu polierenden Werkstücks aus poröser Titanlegierung horizontal auf, fixieren Sie es auf der Vorrichtung und setzen Sie die Vorrichtung dann in die Plasmapoliermaschine ein (Abbildung 2B). Führen Sie 90 Sekunden lang Plasmapolieren durch und nehmen Sie dann die Vorrichtung aus der Plasmapoliermaschine.
4. Da das poröse Werkstück aus Titanlegierung durch die Spannstelle auf der Vorrichtung fixiert ist, steht die Spannstelle nicht in Kontakt mit der Polierlösung, und die entsprechende elektrochemische Reaktion findet an der Spannstelle nicht statt. Ändern Sie daher die Position der Spannstelle nach dem Herausnehmen der Vorrichtung leicht.
5. Führen Sie das Plasmapolieren erneut für 90 s durch und nehmen Sie die Vorrichtung aus der Plasmapoliermaschine. Entfernen Sie das poröse Werkstück aus der Titanlegierung aus der Vorrichtung und legen Sie es dann in die Ultraschallreinigungsmaschine mit deionisiertem Wasser.
6. Stellen Sie die Wassertemperatur auf 30 °C ein und reinigen Sie das Werkstück für 2 min. Nach 2 min das Werkstück herausnehmen und die Restflüssigkeit mit Hochdruckluft ausblasen.

7. Zweite Charakterisierung

1. Nach Abschluss des Plasmapolierens werden die Oberflächen mit einem REM und einem konfokalen Mikroskop auf die gleiche Weise wie in Schritt 5 abgebildet. Bewerten Sie den Einfluss des Plasmapolierens auf die Oberflächenrauheit und Oberflächenqualität des 3D-Drucks von porösen Titanlegierungen, indem Sie die beiden oben genannten Aufnahmeergebnisse vergleichen.

Ergebnisse

Morphologie der Oberfläche
Abbildung 3 zeigt das REM-Ergebnis der Oberflächenmorphologie des Werkstücks aus poröser Titanlegierung vor und nach dem Plasmapolieren. Wir haben beobachtet, dass bei 30- und 100-facher Vergrößerung die Oberfläche des porösen Werkstücks aus Titanlegierung vor dem Plasmapolieren rauer zu sein scheint (Abbildung 3A,B). Bei einer Vergrößerung auf das 500-fache stellten wir fest, dass eine g...

Diskussion

Die Oberflächenrauheit wird verwendet, um das Ausmaß der Welligkeit und Unebenheit von mikrogeometrischen Formen auf Werkstückoberflächen innerhalb eines kleinen Abstandsbereichs zu beschreiben. In einer Reihe früherer Studien wurde berichtet, wie Metalloberflächen mit verschiedenen Verfahren poliert werden können, z. B. mechanisches Polieren, chemisches Polieren, elektrochemisches Polieren und mehr 22,33,34,35.

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Confocal microscope: Smartproof-5	ZEISS	4702000198
ConfoMap ST 8.0	ZEISS	4702000198
Electrical discharge machining (EDM) machine: MV1200S	Mitsubishi Electric Automation (China) Ltd.	92U3038
Heat treatment furnace: HSQ1-644	Jiangsu Huasu Industrial Furnace Manufacturing CO., LTD.	HSD20190812403
Metal 3D printer: Renishaw AM400	Renishaw plc	1HGW89
Middle speed wire-cut machine: HQ-400EZ	Suzhou Hanqi CNC Equipment CO., LTD.	W40ES20005
Permanent magnet frequency conversion screw air compressor M7-Y75AZ	KUNJI MACHINERY(SHANGHAI) MANUFACTURING CO.,LTD.	19055065
Refrigeration compressed air dryer SY-230FG	Shanghai TaiLin Compressor Co., Ltd.	S190826698
Scanning electron microscope (SEM): JSM-IT100	JEOL (BEIJING) CO., LTD.	MP1030004260426
Titanium alloy powder	Renishaw plc	H-5800-1086-01-A
Ultrasonic cleaning machine: AK-030S	Shenzhen Yujie Cleaning Equipment Co., Ltd	30820004
ZEN core v3.0	ZEISS	4702000198