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

この実験のサポート条件とガイダンスを提供してくれた上司のWenhua Huangに感謝します。この研究は、広東医科大学の規律建設プロジェクト(4SG22260G)、広東省高等教育機関の若い革新的な才能プロジェクト(2021KQNCX023)、中国国家自然科学財団(82205301)、福田ヘルスケア研究プロジェクト(FTWS2022051)によって資金提供されました。

1.チタン合金ワークピースの印刷と準備
<ol><li>SLM印刷技術を使用して多孔質チタン合金製のワークピースを準備します。STL形式のファイルを金属プリンターにインポートし、Ti-6Al-4V粉末を追加し、ビルド基板を取り付け、ワイパーブレードをセットアップし、レーザースポットサイズを70μmに設定し、層の厚さを30μmに設定します(図1)。</li>
	<li>表1</st...

<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>

表面粗さは、小さな間隔範囲内のワークピース表面の微細幾何学的形状のうねりと不均一性の量を表すために使用されます。以前の多くの研究では、機械研磨、化学研磨、電気化学研磨など、さまざまな手順を使用して金属表面を研磨する方法が報告されています22,33,34,35。これらの従来の機械?...

チタンおよびチタン合金材料は、それらの優れた生体適合性、耐食性、および機械的強度のために、歯科および整形外科用インプラント材料として広く使用されてきた1,2,3。しかしながら、従来の加工方法によって製造されたコンパクトチタン合金の高い弾性率のために、これらのプレートは、長期間骨表面に近接すると応力遮蔽および骨脆化を引き起こす可能性があるため、骨修復には適していない4,5。したがって、模擬骨梁の多孔質微細構造は、その弾性率を骨6,7に一致するレベルまで低下させるために、チタン合金インプラントに使用する必要があります。整形外科の分野では、細胞の生存率、付着、増殖およびホーミング、骨形成分化、血管新生、宿主統合、および体重負荷を改善するために、多くの足場が使用されてきました4,8,9。多孔質金属構造の伝統的な製造方法には、構造テンプレート法、欠陥形成法、圧縮または超臨界二酸化炭素法、電着技術10,11などが含まれる。これらの製造技術は非常に伝統的ですが、3D印刷と比較すると、原材料を浪費することがあり、かなりの準備コストがかかります12,13。3D印刷は、金属またはプラスチック粉末および他の接着材料を使用して、その上にある層の堆積を介してコンピュータ支援設計(CAD)モデルから固体3Dオブジェクトを構築する技術である14、15。3D印刷は、整形外科インプラント用の金属細胞足場を直接カスタマイズする大きな可能性を示しており、高度に相互接続された細孔を備えたカスタマイズ可能な複雑なデザインを製造するための新しい可能性を開きます。その中で、選択的レーザー溶融(SLM)は、多孔質チタンインプラント構造の最も代表的な3D印刷および製造技術の1つです16。
SLMプロセスは、チタン合金粉末を原料として使用し、本質的に粉末溶融して構造を形成します。したがって、多数の半溶融粉末およびアブレーション酸化物層がチタン合金インプラントの表面に付着することが多く、表面粗さが高くなります17。多孔質チタン整形外科用インプラントの表面品質が悪いと、炎症、疲労性能の低下、さらには新しい生物学的リスクにつながります18 。多孔質構造の内部細孔は、従来の機械研磨では研磨できないため、別の方法を見つける必要があります。プラズマ研磨は、複雑な形状のワークピースを汚染することなく効率的に研磨できる金属ワークの新しいグリーン研磨方法です19 。チタン合金インプラントの後処理の分野で大きな開発の可能性を秘めています。
表面技術の一種として、プラズマ研磨技術は、機械的に研磨が容易ではない複雑な形状の金属ワークピースに特に適しています。この研磨オプションの全体的な目標は、低粗さの多孔質チタン合金表面を得ることです。この技術は、3D印刷によって製造された多孔質チタン整形外科インプラントの表面に付着した粒子や細かい飛沫残留物を効果的に除去し、表面粗さを減らすことができます20。プラズマ研磨の原理は、電流誘起化学的除去と物理的除去の組み合わせに基づく複合反応プロセスです21。回路全体が過渡短絡を形成し、被加工物表面20上に蒸気プラズマ周囲層を形成する。このプロセスは、ガス層を突破して排出チャネルを形成し、ワークピースの表面に影響を与えます。より高い電流はワークピース表面の凸部に影響を与え、半溶融粉末と焼けた酸化物層のより速い除去につながります。凹面と凸面は絶えず変化しており、粗い表面は徐々に滑らかになり、ワークの表面粗さを改善して研磨の目的を達成します。
同時に、この技術は環境に汚染を引き起こさないグリーン加工技術であり、他の研磨方法と比較して大きな利点があります。従来の機械研磨技術には、主に機械研磨、化学研磨、および電気化学研磨22が含まれる。機械的研磨は、最も広く使用されている従来の研磨プロセスです。研磨効率が低く、手作業の需要が高く、複雑な形状の部品を研磨できないという欠点があります。従業員の怪我の可能性と人的要因による公差を超える可能性は、機械研磨の頻繁な欠点です23。化学研磨は、化学溶液を利用してワークピースの材料の一部を除去することに基づいていますが、電気化学研磨は電流と薬液を利用して同じ結果を得ます。残念ながら、これらのプロセスは両方とも、使用の副産物として危険なガスおよび液体を生成し、その組成は使用される酸またはアルカリ化学試薬の強度に依存する。その結果、その場にいる労働者は曝露による危険にさらされていると見なされるだけでなく、環境に深刻な損傷を与える可能性もあります24。Aliakseyeuら25 は、単純な電解質組成でチタン合金ワークピースを研磨するためにプラズマ研磨を利用することを提案しました。彼らは、チタンサンプルを研磨した後、表面の傷が取り除かれ、表面の光沢が大幅に改善されることを発見しました。Smyslovaら26 は、医療用インプラントの表面を治療するためにプラズマ研磨技術を適用する見通しについて審議しました。
理論的には、プラズマ研磨技術を利用して、あらゆる金属部品の構造を研磨できます。コーティング、金属仕上げ産業、3Cエレクトロニクスなどに広く適用されています22,27,28。ただし、本研究にはいくつかの制限があります。まず第一に、原稿はプラズマ研磨前後の3D印刷多孔質チタン合金の表面品質と表面粗さにのみ焦点を当てています。残りの変更は含まれません。第二に、熱処理後の結果を測定して記録しませんでした。Jinyoung Kimら29は、オッセオインテグレーション強化のためのチタン表面改質戦略を比較した。別の研究は、標的イオン誘起プラズマスパッタリング(TIPS)技術が、金属バイオインプラント30の表面に優れた生物学的機能を付与することができることを示している。3D印刷用の多孔質チタン合金の研磨効果と安全性をさらに調査するために、次のステップは、疲労性能や骨形成分化など、SLM部品の他の特性をさらに研究することです。これらの問題はさらに洗練する必要があります。この研究は、コンパクトなチタン合金ではなく3D印刷多孔質チタン合金に焦点を当てているという点で、以前のプラズマ研磨研究とは異なります。その結果、製造プロセスごとに異なる研磨パラメータを採用する必要があります。この原稿の目的は、ワークピースの表面粗さを減らすために、3D印刷多孔質チタン合金のプラズマ研磨スキームを詳細に紹介することです。

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

3D印刷技術によって製造された模擬骨梁を備えた多孔質チタン合金インプラントは、幅広い展望を持っています。ただし、製造プロセス中にワークピースの表面に粉末が付着するため、直接印刷片の表面粗さは比較的高くなります。同時に、多孔質構造の内部細孔は従来の機械研磨では研磨できないため、別の方法を見つける必要があります。表面技術として、プラズマ研磨技術は、機械的に研磨することが困難な複雑な形状の部品に特に適しています。3Dプリントされた多孔質チタン合金ワークピースの表面に付着した粒子や細かい飛沫の残留物を効果的に除去できます。したがって、表面粗さを低減できる。まず、チタン合金粉末を使用して、シミュレートされた小柱骨の多孔質構造を金属3Dプリンターで印刷します。印刷後、熱処理、支持構造の除去、および超音波洗浄が行われる。次に、pHを5.7に設定した研磨電解液を添加し、機械を101.6°Cに予熱し、ワークを研磨治具に固定し、電圧(313 V)、電流(59 A)、研磨時間(3分)を設定するプラズマ研磨を行います。研磨後、多孔チタン合金ワークの表面を共焦点顕微鏡で分析し、表面粗さを測定する。走査型電子顕微鏡は、多孔質チタンの表面状態を特徴付けるために使用されます。その結果、多孔質チタン合金ワーク全体の表面粗さはRa(平均粗さ)=126.9μmからRa=56.28μmに変化し、小柱構造の表面粗さはRa=42.61μmからRa=26.25μmに変化した。一方、半溶融粉末とアブレーション酸化物層が除去され、表面品質が向上します。

表面形態 図3 は、プラズマ研磨前後の多孔質チタン合金加工品の表面形態のSEM結果を示す。30倍と100倍の倍率では、プラズマ研磨前の多孔質チタン合金ワークの表面が粗く見えることがわかりました(図3A、B)。500倍に拡大すると、多孔質チタン合金の表面に大量の半溶融粉末とアブレーション酸化物層が観察されること?...

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

プラズマ研磨は有望な表面処理技術であり、特に多孔質チタン合金ワークピースの3D印刷に適しています。半溶融粉末やアブレーション酸化物層を除去できるため、表面粗さを効果的に低減し、表面品質を向上させることができます。

3D印刷用の多孔質チタン合金の表面粗さを低減するための新しい研磨オプションとしてのプラズマ研磨

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

多孔質構造の内部パルスは、従来の機械的汚染では研磨できないため、別の方法を見つける必要があります。プラズマ汚染は環境にやさしい処理方法であり、複雑な形状のメンタルワークピースに特に効果的です。まず、分離したチタン合金のワークピースを、異なるワークピースが互いに接触することなくチタンバスケットに入れます。チタンバスケットを室温の熱処理炉に入れ、炉のドアを閉じます。ガスバルブを開いて空気を取り除き、適切な真空度を維持します。最初に熱処理プロセスを設定するには、炉を摂氏800度に1.5時間加熱し、次に温度を2時間維持してから冷却します。熱処理後、炉を室温まで冷却し、炉内に空気を充填する。パネルに見られるように炉が大気圧に戻ったら、多孔質チタン合金ワークピースを取り出します。共焦点顕微鏡を使用してワークピースの表面を画像化するには、ワークピースを保管プラットフォームに水平に置きます。表面の算術平均粗さまたはRAパラメータを測定します。2.5倍の倍率を選択し、ライブモードにはワイドを選択します。全体的な状況を観察するには、[自動強度]をクリックして5倍の倍率に移動します。「自動強度」をクリックし、ライブモードを「コンポジション」に設定します。対象領域を選択し、「最初に最低点に設定」をクリックし、「最後に最高点に設定」をクリックして、取り込みを標準に設定します。約5分後、結果をConfoMap ST8ソフトウェアの新しいドキュメントにインポートします。RAは、ConfoMap STのパラメータテーブルで簡単に取得できます。5倍ミラーでワークピースの全体的な状態を観察します。次に、高出力ミラーに切り替えて、視野を小柱に焦点を合わせます。プラズマ研磨前のワークのRAによるプラズマ研磨効果を定量化します。プラズマ研磨には、電解質としてpH5.7〜6.1の4%硫酸アンモニウム溶液を使用してください。研磨する多孔質チタン合金ワークピースの表面を水平に置き、固定具に固定します。次に、固定具をプラズマ研磨機に入れます。研磨電流を59アンペア、電圧を313ボルト、研磨電解液温度を摂氏101.6度に設定し、これらのパラメータに従ってプラズマ研磨を行います。プラズマ研磨を90秒間行った後、治具をプラズマ研磨機から取り出します。次に、ワークピースが固定具に固定されているクランプポイントの位置を少し変更します。研磨液と接触していなかったため、電気化学反応は発生しませんでした。再度プラズマ研磨を90秒間行い、治具をプラズマ研磨機から取り出します。固定具からワークピースを取り外し、脱イオン水で超音波洗浄機に入れます。水温を摂氏30度に設定し、ワークピースを2分間清掃します。2分後、ワークを取り出し、高圧空気で残留液を吹き飛ばします。プラズマ研磨が完了したら、前と同じように走査型電子顕微鏡と共焦点顕微鏡を使用して表面を画像化します。走査型電子顕微鏡像から、プラズマ研磨前後の多孔質チタン合金加工品の表面形態の違いが明らかになった。30倍と100倍の倍率では、プラズマ研磨前の表面は粗く見えました。500倍に拡大すると、プラズマ研磨前に合金表面に観察された半溶融粉末とアブレーション酸化物層は、研磨後にほとんど存在しないことがわかりました。興味深いことに、多孔質のサイズと小柱の直径は、研磨後も設計と一致していました。多孔質チタン合金加工物の全体および一部を、高速回転共焦点顕微鏡を用いて画像化した。いずれの場合も、プラズマ研磨前は表面粗さが高かった。RAによって明らかにされた多孔質構造の表面粗さは、研磨後に著しく減少する。この技術は、多孔質チタン合金ワークピースがプラズマ汚染技術によって表面粗さを減らすことができることを説明しました。最適なパラメータを決定するために、さらなる研究を行うことができます。

Research

JoVE Journal

Medicine

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