Name: plasma polishing as a new polishing option to reduce the surface roughness of porous titanium alloy for 3d printing
Uploaded: 2023-04-28T12:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing at JoVE.com

Vorrei ringraziare il mio supervisore, Wenhua Huang, per aver fornito condizioni di supporto e guida per questo esperimento. Questa ricerca è stata finanziata dal progetto di costruzione della disciplina della Guangdong Medical University (4SG22260G), dal progetto Young Innovative Talents degli istituti di istruzione superiore del Guangdong (2021KQNCX023), dalla National Natural Science Foundation of China (82205301) e dal Futian Healthcare Research Project (FTWS2022051).

1. Stampa e preparazione di un pezzo in lega di titanio
<ol><li>Preparare un pezzo in lega di titanio porosa utilizzando la tecnica di stampa SLM. Importare file in formato STL nella stampante per metalli, aggiungere polvere Ti-6Al-4V, installare il substrato di costruzione, impostare la spazzola del tergicristallo, impostare la dimensione dello spot laser a 70 μm e impostare lo spessore dello strato su 30 μm (Figura 1).</li>
	<li>Polvere Ti-6Al-4V di grado 23 con compos...

<ol>
	<li>Puleo, D. A., Nanci, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+controlling+bone-implant+interface.">Understanding and controlling bone-implant interface.</a> Biomaterials. 20 (23-24), 2311-2321 (1999).</li><li>Schuler, M., Trentin, D., Textor, M., Tosatti, S. G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomedical+interfaces:+titanium+surface+technology+for+implants+and+cell+carriers.">Biomedical interfaces: titanium surface technology for implants and cell carriers.</a> Nanomedicine. 1 (4), 449-463 (2006).</li><li>Li, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionally+graded+Ti-6Al-4V+meshes+with+high+strength+and+energy+absorption.">Functionally graded Ti-6Al-4V meshes with high strength and energy absorption.</a> Advanced Engineering Materials. 18 (1), 34-38 (2016).</li><li>Roseti, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaffolds+for+bone+tissue+engineering:+state+of+the+art+and+new+perspectives.">Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 78, 1246-1262 (2017).</li><li>Takizawa, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Titanium+fiber+plates+for+bone+tissue+repair.">Titanium fiber plates for bone tissue repair.</a> Advanced Materials. 30 (4), (2018).</li><li>Jung, H. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+strategy+for+mechanically+tunable+and+bioactive+metal+implants.">Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants.</a> Biomaterials. 37, 49-61 (2015).</li><li>Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Song, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+mechanically+tunable+and+bioactive+metal+scaffolds+for+biomedical+applications.">Fabrication of mechanically tunable and bioactive metal scaffolds for biomedical applications.</a> Journal of Visualized Experiments. (106), e53279 (2015).</li><li>Lee, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+HF/HNO3-treatment+on+the+porous+structure+and+cell+penetrability+of+titanium+(Ti)+scaffold.">Effect of HF/HNO3-treatment on the porous structure and cell penetrability of titanium (Ti) scaffold.</a> Materials &amp; Design. 145, 65-73 (2018).</li><li>Lee, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionally+assembled+metal+platform+as+lego-like+module+system+for+enhanced+mechanical+tunability+and+biomolecules+delivery.">Functionally assembled metal platform as lego-like module system for enhanced mechanical tunability and biomolecules delivery.</a> Materials &amp; Design. 207, 109840 (2021).</li><li>Jang, T. S., Kim, D., Han, G., Yoon, C. B., Jung, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Powder+based+additive+manufacturing+for+biomedical+application+of+titanium+and+its+alloys:+a+review.">Powder based additive manufacturing for biomedical application of titanium and its alloys: a review.</a> Biomedical Engineering Letters. 10 (4), 505-516 (2020).</li><li>Xu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Honeycomb-like+porous+3D+nickel+electrodeposition+for+stable+Li+and+Na+metal+anodes.">Honeycomb-like porous 3D nickel electrodeposition for stable Li and Na metal anodes.</a> Energy Storage Materials. 12, 69-78 (2018).</li><li>Kostev&#353;ek, N., Ro&#382;man, K. &. #. 3. 8. 1. ;., Pe&#269;ko, D., Pihlar, B., Kobe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+study+of+the+electrochemical+deposition+kinetics+of+iron-palladium+alloys+on+a+flat+electrode+and+in+a+porous+alumina+template.">A comparative study of the electrochemical deposition kinetics of iron-palladium alloys on a flat electrode and in a porous alumina template.</a> Electrochimica Acta. 125, 320-329 (2014).</li><li>Tan, K., Tian, M. B., Cai, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+bromide+ions+and+polyethylene+glycol+on+morphological+control+of+electrodeposited+copper+foam.">Effect of bromide ions and polyethylene glycol on morphological control of electrodeposited copper foam.</a> Thin Solid Films. 518 (18), 5159-5163 (2010).</li><li>Kumar, K. P. A., Pumera, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D-printing+to+mitigate+COVID-19+pandemic.">3D-printing to mitigate COVID-19 pandemic.</a> Advanced Functional Materials. 31 (22), 2100450 (2021).</li><li>Palmara, G., Frascella, F., Roppolo, I., Chiappone, A., Chiad&#242;, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+3D+printing:+Approaches+and+bioapplications.">Functional 3D printing: Approaches and bioapplications.</a> Biosensors &amp; Bioelectronics. 175, 112849 (2021).</li><li>Tan, X. P., Tan, Y. J., Chow, C. S. L., Tor, S. B., Yeong, W. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metallic+powder-bed+based+3D+printing+of+cellular+scaffolds+for+orthopaedic+implants:+A+state-of-the-art+review+on+manufacturing,+topological+design,+mechanical+properties+and+biocompatibility.">Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 76, 1328-1343 (2017).</li><li>Wysocki, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+chemical+polishing+of+titanium+scaffolds+on+their+mechanical+strength+and+in-vitro+cell+response.">The influence of chemical polishing of titanium scaffolds on their mechanical strength and in-vitro cell response.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 95, 428-439 (2019).</li><li>Hasan, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preventing+peri-implantitis:+the+quest+for+a+next+generation+of+titanium+dental+implants.">Preventing peri-implantitis: the quest for a next generation of titanium dental implants.</a> ACS Biomaterials Science &amp; Engineering. 8 (11), 4697-4737 (2022).</li><li>Bernhardt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+conditioning+of+additively+manufactured+titanium+implants+and+its+influence+on+materials+properties+and+in+vitro+biocompatibility.">Surface conditioning of additively manufactured titanium implants and its influence on materials properties and in vitro biocompatibility.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 119, 111631 (2021).</li><li>Nestler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+electrolytic+polishing+-+an+overview+of+applied+technologies+and+current+challenges+to+extend+the+polishable+material+range.">Plasma electrolytic polishing - an overview of applied technologies and current challenges to extend the polishable material range.</a> Procedia CIRP. 42, 503-507 (2016).</li><li>Zeidler, H., Boettger-Hiller, F., Edelmann, J., Schubert, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+finish+machining+of+medical+parts+using+plasma+electrolytic+polishing.">Surface finish machining of medical parts using plasma electrolytic polishing.</a> Procedia CIRP. 49, 83-87 (2016).</li><li>Huang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principle,+process,+and+application+of+metal+plasma+electrolytic+polishing:+a+review.">Principle, process, and application of metal plasma electrolytic polishing: a review.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 114, 1893-1912 (2021).</li><li>Belkin, P. N., Kusmanov, S. A., Parfenov, E. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+and+technological+opportunity+of+plasma+electrolytic+polishing+of+metals+and+alloys+surfaces.">Mechanism and technological opportunity of plasma electrolytic polishing of metals and alloys surfaces.</a> Applied Surface Science Advances. 1, 100016 (2020).</li><li>Li, X., Binnemans, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxidative+dissolution+of+metals+in+organic+solvents.">Oxidative dissolution of metals in organic solvents.</a> Chemical Reviews. 121 (8), 4506-4530 (2021).</li><li>Aliakseyeu, Y. G., Korolyov, A. Y., Niss, V. S., Parshuto, A. E., Budnitskiy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ES.+Electrolyte-plasma+polishing+of+titanium+and+niobium+alloys.">ES. Electrolyte-plasma polishing of titanium and niobium alloys.</a> Science &amp; Technique. 17 (3), 211-219 (2018).</li><li>Smyslova, M. K., Tamindarov, D. R., Plotnikov, N. V., Modina, I. M., Semenova, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+electrolytic-plasma+polishing+of+Ti-6Al-4V+alloy+with+ultrafine-grained+structure+produced+by+severe+plastic+deformation.">Surface electrolytic-plasma polishing of Ti-6Al-4V alloy with ultrafine-grained structure produced by severe plastic deformation.</a> IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 461 (1), 012079 (2018).</li><li>Yerokhin, A. L., Nie, X., Leyland, A., Matthews, A., Dowey, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+electrolysis+for+surface+engineering.">Plasma electrolysis for surface engineering.</a> Surface &amp; Coatings Technology. 122 (2-3), 73-93 (1999).</li><li>Walsh, F. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+electrolytic+oxidation+(PEO)+for+production+of+anodised+coatings+on+lightweight+metal+(Al,+Mg,+Ti)+alloys.">Plasma electrolytic oxidation (PEO) for production of anodised coatings on lightweight metal (Al, Mg, Ti) alloys.</a> Transactions of the IMF. 87 (3), 122-135 (2009).</li><li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+titanium+surface+modification+strategies+for+osseointegration+enhancement.">Characterization of titanium surface modification strategies for osseointegration enhancement.</a> Metals. 11 (4), 618 (2021).</li><li>Lee, M. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-topographical+control+of+Ti-Nb-Zr+alloy+surfaces+for+enhanced+osteoblastic+response.">Nano-topographical control of Ti-Nb-Zr alloy surfaces for enhanced osteoblastic response.</a> Nanomaterials. 11 (6), 1507 (2021).</li><li>Barba, D., Alabort, E., Reed, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+bone:+Design+by+additive+manufacturing.">Synthetic bone: Design by additive manufacturing.</a> Acta Biomaterialia. 97, 637-656 (2019).</li><li>He, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+anterior+and+traverse+cage+can+provide+optimal+biomechanical+performance+for+both+traditional+and+percutaneous+endoscopic+transforaminal+lumbar+interbody+fusion.">The anterior and traverse cage can provide optimal biomechanical performance for both traditional and percutaneous endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion.</a> Computers in Biology and Medicine. 131, 104291 (2021).</li><li>Zhan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confined+chemical+etching+for+electrochemical+machining+with+nanoscale+accuracy.">Confined chemical etching for electrochemical machining with nanoscale accuracy.</a> Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2596-2604 (2016).</li><li>Kwon, S. J., Lawson, N. C., McLaren, E. E., Nejat, A. H., Burgess, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+mechanical+properties+of+translucent+zirconia+and+lithium+disilicate.">Comparison of the mechanical properties of translucent zirconia and lithium disilicate.</a> The Journal of Prosthetic Dentistry. 120 (1), 132-137 (2018).</li><li>Li, F., Li, S., Tong, H., Xu, H., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+chemical+polishing+in+TEM+sample+preparation+of+zirconium+alloys.">The application of chemical polishing in TEM sample preparation of zirconium alloys.</a> Materials. 13 (5), 1036 (2020).</li><li>Wu, Y., Zitelli, J. P., TenHuisen, K. S., Yu, X., Libera, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differential+response+of+Staphylococci+and+osteoblasts+to+varying+titanium+surface+roughness.">Differential response of Staphylococci and osteoblasts to varying titanium surface roughness.</a> Biomaterials. 32 (4), 951-960 (2011).</li><li>Kunzler, T. P., Drobek, T., Schuler, M., Spencer, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Systematic+study+of+osteoblast+and+fibroblast+response+to+roughness+by+means+of+surface-morphology+gradients.">Systematic study of osteoblast and fibroblast response to roughness by means of surface-morphology gradients.</a> Biomaterials. 28 (13), 2175-2182 (2007).</li></ol>

La rugosità superficiale viene utilizzata per descrivere la quantità di ondulazione e irregolarità delle forme microgeometriche sulle superfici del pezzo in lavorazione all'interno di un intervallo di spaziatura ridotto. Numerosi studi precedenti hanno riportato come lucidare le superfici metalliche utilizzando diverse procedure, come la lucidatura meccanica, la lucidatura chimica, la lucidatura elettrochimica e altro 22,33,34,35.<...

I materiali in titanio e lega di titanio sono stati ampiamente utilizzati come materiali implantari dentali e ortopedici a causa della loro buona biocompatibilità, resistenza alla corrosione e resistenza meccanica 1,2,3. Tuttavia, a causa dell'elevato modulo elastico della lega di titanio compatta prodotta con metodi di lavorazione tradizionali, queste piastre non sono adatte per la riparazione ossea, poiché la stretta vicinanza alla superficie ossea per lunghi periodi può comportare schermatura da stress e infragilimento osseo 4,5 . Pertanto, la microstruttura porosa delle trabecole ossee simulate deve essere utilizzata negli impianti in lega di titanio al fine di ridurre il suo modulo elastico al livello corrispondente all'osso 6,7. Molti scaffold sono stati utilizzati nel campo dell'ortopedia per migliorare la vitalità cellulare, l'attaccamento, la proliferazione e l'homing, la differenziazione osteogenica, l'angiogenesi, l'integrazione dell'ospite e il carico 4,8,9. I metodi di fabbricazione tradizionali di strutture metalliche porose includono il metodo del modello strutturale, il metodo di formazione dei difetti, il metodo di compressione o anidride carbonica supercritica, la tecnica di elettrodeposizione10,11, ecc. Sebbene queste tecniche di produzione siano altamente tradizionali, occasionalmente sprecano materie prime e hanno costi preparatori sostanziali rispetto alla stampa 3D12,13. La stampa 3D è una tecnologia che utilizza polvere metallica o plastica e altri materiali adesivi per costruire oggetti 3D solidi da modelli CAD (Computer Aided Design) tramite la deposizione di strati sovrastanti14,15 . La stampa 3D mostra un grande potenziale nella personalizzazione diretta di scaffold cellulari metallici per impianti ortopedici e apre nuove possibilità per la produzione di progetti complessi personalizzabili con pori altamente interconnessi. Tra questi, la fusione laser selettiva (SLM) è una delle tecnologie di stampa e produzione 3D più rappresentative per strutture implantari porose in titanio16 .
Il processo SLM utilizza la polvere di lega di titanio come materia prima, essenzialmente la fusione della polvere e la formazione della struttura. Pertanto, un gran numero di polveri semi-fuse e strati di ossido ablativo spesso aderiscono alla superficie degli impianti in lega di titanio, il che porta ad un'elevata rugosità superficiale17. La scarsa qualità superficiale degli impianti ortopedici porosi in titanio porta a infiammazione, diminuzione delle prestazioni di affaticamento e persino nuovi rischi biologici18 . Poiché i pori interni delle strutture porose non possono essere lucidati con la lucidatura meccanica convenzionale, è necessario trovare un metodo alternativo. La lucidatura al plasma è un nuovo metodo di lucidatura verde per pezzi metallici in grado di lucidare efficacemente pezzi con forme complesse senza inquinamento19 . Ha un grande potenziale di sviluppo nel campo della post-elaborazione degli impianti in lega di titanio.
Come tecnologia di superficie, la tecnologia di lucidatura al plasma è particolarmente adatta per pezzi metallici con forme complesse che non sono facili da lucidare meccanicamente. L'obiettivo generale di questa opzione di lucidatura è quello di ottenere una superficie porosa in lega di titanio con bassa rugosità. La tecnologia può rimuovere efficacemente particelle e residui di spruzzi fini attaccati alla superficie di impianti ortopedici porosi in titanio fabbricati mediante stampa 3D e ridurre la rugosità superficiale20. Il principio della lucidatura al plasma è un processo di reazione composito basato su una combinazione di rimozione chimica e fisica indotta dalla corrente21; L'intero circuito forma un cortocircuito transitorio, formando uno strato che circonda il plasma di vapore sulla superficie del pezzo20. Questo processo sfonda lo strato di gas per formare un canale di scarico, influenzando la superficie del pezzo. La maggiore corrente influisce sulla parte convessa della superficie del pezzo, portando alla rimozione più rapida della polvere semi-fusa e dello strato di ossido bruciato. La concavità e la convessità cambiano costantemente e la superficie ruvida viene gradualmente levigata, migliorando la rugosità superficiale del pezzo per raggiungere lo scopo della lucidatura.
Allo stesso tempo, questa tecnologia è una tecnologia di lavorazione verde, che non causa inquinamento per l'ambiente e presenta grandi vantaggi rispetto ad altri metodi di lucidatura. Le tecniche di lucidatura meccanica convenzionali includono principalmente la lucidatura meccanica, la lucidatura chimica e la lucidatura elettrochimica22. La lucidatura meccanica è il processo di lucidatura convenzionale più utilizzato; Ha gli svantaggi di bassa efficienza di lucidatura, maggiore domanda di lavoro manuale e incapacità di lucidare parti con geometrie complesse. Il potenziale di infortunio dei dipendenti e la probabilità di superare le tolleranze dovute a fattori umani sono frequenti inconvenienti della lucidatura meccanica23. A differenza della lucidatura chimica, che si basa sull'utilizzo di una soluzione chimica per rimuovere parti del materiale di un pezzo, la lucidatura elettrochimica utilizza una corrente elettrica e una soluzione chimica per ottenere lo stesso risultato. Sfortunatamente, entrambi questi processi producono gas e liquidi pericolosi come sottoprodotti di utilizzo, la cui composizione dipende dalla forza del reagente chimico acido o alcalino utilizzato. Di conseguenza, non solo i lavoratori presenti sono considerati a rischio a causa dell'esposizione, ma esiste anche il potenziale di gravi danni all'ambiente24. Aliakseyeu et al.25 hanno proposto di utilizzare la lucidatura al plasma per lucidare pezzi in lega di titanio con una semplice composizione elettrolitica. Hanno scoperto che, dopo la lucidatura del campione di titanio, i graffi superficiali vengono rimossi e la lucentezza superficiale è significativamente migliorata. Smyslova et al.26 hanno deliberato sulle prospettive di applicare la tecnologia di lucidatura al plasma per trattare le superfici degli impianti medici.
In teoria, la tecnologia di lucidatura al plasma può essere utilizzata per lucidare la struttura di qualsiasi parte metallica. È stato ampiamente applicato per il rivestimento, nelle industrie di finitura dei metalli e nell'elettronica 3C, tra gli altri22,27,28. Tuttavia, il presente studio presenta alcune limitazioni. Prima di tutto, il manoscritto si concentra solo sulla qualità superficiale e sulla rugosità superficiale della stampa 3D in lega di titanio porosa prima e dopo la lucidatura al plasma; Le restanti modifiche non sono coinvolte. In secondo luogo, non abbiamo misurato e registrato i risultati dopo il trattamento termico. Jinyoung Kim et al.29 hanno confrontato le strategie di modifica della superficie del titanio per il miglioramento dell'osteointegrazione. Un altro studio mostra che la tecnica TIPS (target-ion induced plasma sputtering) può conferire eccellenti funzioni biologiche alla superficie dei bio-impianti metallici30. Al fine di indagare ulteriormente l'efficacia della lucidatura e la sicurezza della lega di titanio porosa per la stampa 3D, il prossimo passo sarà quello di studiare ulteriormente le altre proprietà della parte SLM, come le prestazioni a fatica e la differenziazione osteogenica. Tali questioni devono essere ulteriormente perfezionate. Questo lavoro differisce dai precedenti studi di lucidatura al plasma in quanto si concentra sulla stampa 3D di lega di titanio porosa piuttosto che sulla lega di titanio compatta. Di conseguenza, diversi processi di produzione dovrebbero adottare parametri di lucidatura diversi. Lo scopo di questo manoscritto è quello di introdurre in dettaglio lo schema di lucidatura al plasma della lega di titanio porosa di stampa 3D, in modo da ridurre la rugosità superficiale dei pezzi.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Confocal microscope: Smartproof-5</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>4702000198</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ConfoMap ST 8.0</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>4702000198</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical discharge machining (EDM) machine: MV1200S</td>
			<td>Mitsubishi Electric Automation (China) Ltd.</td>
			<td>92U3038</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heat treatment furnace: HSQ1-644</td>
			<td>Jiangsu Huasu Industrial Furnace Manufacturing CO., LTD.</td>
			<td>HSD20190812403</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal 3D printer: Renishaw AM400</td>
			<td>Renishaw plc</td>
			<td>1HGW89</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Middle speed wire-cut machine: HQ-400EZ</td>
			<td>Suzhou Hanqi CNC Equipment CO., LTD.</td>
			<td>W40ES20005</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permanent magnet frequency conversion screw air compressor M7-Y75AZ</td>
			<td>KUNJI MACHINERY(SHANGHAI) MANUFACTURING CO.,LTD.&#160;</td>
			<td>19055065</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigeration compressed air dryer SY-230FG</td>
			<td>Shanghai TaiLin Compressor Co., Ltd.</td>
			<td>S190826698</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope (SEM): JSM-IT100</td>
			<td>JEOL (BEIJING) CO., LTD.</td>
			<td>MP1030004260426</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium alloy powder</td>
			<td>Renishaw plc</td>
			<td>H-5800-1086-01-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaning machine: AK-030S</td>
			<td>Shenzhen Yujie Cleaning Equipment Co., Ltd</td>
			<td>30820004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ZEN core v3.0</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>4702000198</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

plasma polishing as a new polishing option to reduce the surface roughness of porous titanium alloy for 3d printing

Gli impianti porosi in lega di titanio con osso trabecolare simulato fabbricato con la tecnologia di stampa 3D hanno ampie prospettive. Tuttavia, a causa del fatto che parte della polvere aderisce alla superficie del pezzo durante il processo di produzione, la rugosità superficiale nei pezzi di stampa diretta è relativamente elevata. Allo stesso tempo, poiché i pori interni della struttura porosa non possono essere lucidati con la lucidatura meccanica convenzionale, è necessario trovare un metodo alternativo. Come tecnologia di superficie, la tecnologia di lucidatura al plasma è particolarmente adatta per parti con forme complesse che sono difficili da lucidare meccanicamente. Può rimuovere efficacemente particelle e residui di spruzzi fini attaccati alla superficie dei pezzi in lega di titanio porosi stampati in 3D. Pertanto, può ridurre la rugosità superficiale. In primo luogo, la polvere di lega di titanio viene utilizzata per stampare la struttura porosa dell'osso trabecolare simulato con una stampante 3D in metallo. Dopo la stampa, viene eseguito il trattamento termico, la rimozione della struttura di supporto e la pulizia ad ultrasuoni. Quindi, viene eseguita la lucidatura al plasma, consistente nell'aggiunta di un elettrolita lucidante con pH impostato su 5,7, preriscaldamento della macchina a 101,6 °C, fissaggio del pezzo sul dispositivo di lucidatura e impostazione della tensione (313 V), della corrente (59 A) e del tempo di lucidatura (3 min). Dopo la lucidatura, la superficie del pezzo poroso in lega di titanio viene analizzata da un microscopio confocale e viene misurata la rugosità della superficie. La microscopia elettronica a scansione viene utilizzata per caratterizzare le condizioni superficiali del titanio poroso. I risultati mostrano che la rugosità superficiale dell'intero pezzo poroso in lega di titanio è cambiata da Ra (rugosità media) = 126,9 μm a Ra = 56,28 μm e la rugosità superficiale della struttura trabecolare è cambiata da Ra = 42,61 μm a Ra = 26,25 μm. Nel frattempo, le polveri semi-fuse e gli strati di ossido ablativo vengono rimossi e la qualità della superficie viene migliorata.

Morfologia superficiale La figura 3 mostra il risultato SEM della morfologia superficiale del pezzo poroso in lega di titanio prima e dopo la lucidatura al plasma. Abbiamo osservato che con un ingrandimento 30x e 100x, la superficie del pezzo poroso in lega di titanio prima della lucidatura al plasma sembra essere più ruvida (Figura 3A, B). Quando ingrandito a 500x, abbiamo scoperto che una grande quantità di polveri semi-f...

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Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing

La lucidatura al plasma è una tecnologia di lavorazione superficiale promettente, particolarmente adatta per la stampa 3D di pezzi porosi in lega di titanio. Può rimuovere polveri semi-fuse e strati di ossido ablativo, riducendo così efficacemente la rugosità superficiale e migliorando la qualità della superficie.

La lucidatura al plasma come nuova opzione di lucidatura per ridurre la rugosità superficiale della lega di titanio porosa per la stampa 3D

Porous titanium alloy implants with simulated trabecular bone fabricated by 3D printing technology have broad prospects. However, due to the fact that ...

Poiché l'impulso interno delle strutture porose non può essere lucidato dall'inquinamento meccanico convenzionale, è necessario trovare un metodo alternativo. L'inquinamento da plasma è un metodo di lavorazione ecologico che è particolarmente efficace per pezzi mentali con forme complesse. Per iniziare, posizionare i pezzi in lega di titanio separati nel cestello di titanio senza che i diversi pezzi si tocchino.Inserire il cestello in titanio nel forno di trattamento termico a temperatura ambiente e chiudere la porta del forno. Aprire la valvola del gas per rimuovere l'aria e mantenere il grado appropriato di vuoto. Per impostare prima il processo di trattamento termico, riscaldare il forno a 800 gradi Celsius per 1,5 ore, quindi mantenere la temperatura per due ore prima del raffreddamento.Dopo il trattamento termico, raffreddare il forno a temperatura ambiente e riempire il forno con aria. Una volta che il forno ritorna alla pressione atmosferica come si vede sul pannello, estrarre il pezzo poroso in lega di titanio. Per visualizzare le superfici del pezzo utilizzando un microscopio confocale, posizionare orizzontalmente il pezzo sulla piattaforma di stoccaggio.Misurare la rugosità media aritmetica della superficie o il parametro RA. Seleziona l'ingrandimento 2,5x e scegli ampio per la modalità live. Per osservare la situazione generale, fai clic su Intensità automatica e vai all'ingrandimento 5x.Fate clic su Intensità automatica (Auto Intensize) e impostate la modalità live su Comp. Selezionare l'area di interesse, fare clic su Imposta prima nel punto più basso e imposta per ultima nel punto più alto, quindi impostare l'acquisizione su normale. Dopo circa cinque minuti, importare i risultati in un nuovo documento nel software ConfoMap ST8.La RA è facile da ottenere nella tabella dei parametri in ConfoMap ST. Osservare le condizioni generali del pezzo con uno specchio a cinque volte. Quindi, passare a uno specchio ad alta potenza e focalizzare il campo visivo su un trabecolare. Quantificare l'effetto di lucidatura al plasma mediante RA del pezzo prima della lucidatura al plasma.Per la lucidatura al plasma, utilizzare una soluzione di solfato di ammonio al 4% con pH compreso tra 5,7 e 6,1 come elettrolita. Posizionare la superficie del pezzo poroso in lega di titanio da lucidare orizzontalmente e fissarla sul fissaggio. Quindi, inserire il dispositivo nella lucidatrice al plasma.Impostare la corrente di lucidatura su 59 coppie di ampere, la tensione su 313 volt e la temperatura dell'elettrolita di lucidatura su 101,6 gradi Celsius e condurre la lucidatura al plasma in base a questi parametri. Dopo aver eseguito la lucidatura al plasma per 90 secondi, estrarre il dispositivo dalla lucidatrice al plasma. Quindi, modificare leggermente la posizione del punto di serraggio in cui il pezzo è fissato al dispositivo.Non vi si è verificata alcuna reazione elettrochimica in quanto non era in contatto con la soluzione lucidante. Eseguire nuovamente la lucidatura al plasma per 90 secondi e estrarre il dispositivo dalla lucidatrice al plasma. Rimuovere il pezzo dal dispositivo e metterlo nella macchina di pulizia ad ultrasuoni con acqua deionizzata.Impostare la temperatura dell'acqua a 30 gradi Celsius e pulire il pezzo per due minuti. Dopo due minuti, estrarre il pezzo e soffiare il liquido residuo con aria ad alta pressione. Dopo il completamento della lucidatura al plasma, visualizzare le superfici utilizzando la microscopia elettronica a scansione e la microscopia confocale nello stesso modo dimostrato in precedenza.Le immagini al microscopio elettronico a scansione hanno rivelato la differenza nelle morfologie superficiali del pezzo poroso in lega di titanio prima e dopo la lucidatura al plasma. Con un ingrandimento di 30x e 100x, la superficie prima della lucidatura al plasma appariva più ruvida. Quando ingrandite a 500x, le polveri semi-fuse e gli strati di ossido ablativo osservati sulla superficie della lega prima della lucidatura al plasma sono stati per lo più trovati assenti dopo la lucidatura.È interessante notare che le dimensioni porose e i diametri trabecolari erano coerenti con il design anche dopo la lucidatura. L'intero pezzo in lega di titanio poroso è stato ripreso utilizzando il microscopio confocale rotativo veloce. La rugosità superficiale in entrambi i casi era elevata prima della lucidatura al plasma.La rugosità superficiale delle strutture porose come rivelato dalla RA, significativamente ridotta dopo la lucidatura. Questa tecnologia ha spiegato che i pezzi porosi in lega di titanio possono ridurre la rugosità superficiale attraverso la tecnologia dell'inquinamento al plasma. Ulteriori studi possono essere condotti per determinare i parametri ottimali.

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