等离子抛光是一种有前景的表面处理技术，尤其适用于多孔钛合金工件的3D打印。该技术可去除半熔融粉末和烧蚀氧化层，从而有效降低表面粗糙度，提高表面质量。
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方法文章
等离子抛光作为一种新型抛光方法用于降低3D打印多孔钛合金的表面粗糙度
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
采用3D打印技术制备的具有模拟骨小梁结构的多孔钛合金植入物具有广阔的应用前景。然而，由于在制造过程中部分粉末会附着在工件表面，直接打印件的表面粗糙度相对较高。同时，由于多孔结构的内部孔隙无法通过传统的机械抛光方式进行处理，因此需要寻找一种替代方法。作为一种表面处理技术，等离子抛光技术特别适用于形状复杂、难以进行机械抛光的零件，能够有效去除附着在3D打印多孔钛合金工件表面的颗粒和细微飞溅残留物，从而降低表面粗糙度。首先，使用钛合金粉末通过金属3D打印机打印出模拟骨小梁结构的多孔结构；打印完成后，进行热处理、支撑结构去除及超声清洗。随后进行等离子抛光处理，具体步骤包括：加入pH值设定为5.7的抛光电解液，将设备预热至101.6 °C，将工件固定在抛光夹具上，并设定电压（313 V）、电流（59 A）和抛光时间（3 min）。抛光完成后，采用共聚焦显微镜对多孔钛合金工件表面进行分析并测量表面粗糙度，同时使用扫描电子显微镜表征多孔钛表面的形貌。结果表明，整个多孔钛合金工件的表面粗糙度由Ra（平均粗糙度）= 126.9 µm降低至Ra = 56.28 µm，骨小梁结构区域的表面粗糙度由Ra = 42.61 µm降低至Ra = 26.25 µm。同时，半熔融粉末和烧蚀氧化层被有效去除，表面质量显著提升。
引言
钛及钛合金材料因其良好的生物相容性、耐腐蚀性和机械强度，已被广泛用作牙科和骨科植入材料1,2,3然而，由于传统加工方法制备的致密钛合金具有较高的弹性模量，这些板材不适合用于骨修复，因为长期与骨表面紧密接触可能导致应力屏蔽和骨脆化4,5 因此，为了将钛合金植入物的弹性模量降低至与骨组织相匹配的水平，应在其结构中采用模拟骨小梁的多孔微结构。6,7许多支架材料已应用于骨科领域，以提高细胞存活率、黏附性、增殖与归巢能力、成骨分化、血管生成、宿主整合及承重性能4,8,9传统的多孔金属结构制备方法包括结构模板法、缺陷形成法、压缩或超临界二氧化碳法、电沉积技术10,11等。尽管这些制造技术具有高度传统性，但与3D打印相比，它们有....
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方案
1. 钛合金工件的打印与制备
- 使用 SLM 打印技术制备多孔钛合金工件。将 STL 格式文件导入金属打印机，加入 Ti-6Al-4V 粉末，安装成形基板，设置刮刀，将激光光斑尺寸设为 70 µm，层厚设为 30 µm（图 1）。
- 采用化学成分如表 1所示、粉末粒径为 15–53 µm 的 23 级 Ti-6Al-4V 粉末。
- 基于泰森多边形各向异性，通过参数化建模设计模拟小梁骨结构的多孔钛合金，孔径尺寸为 400–600 µm，小梁直径为 100–300 µm，孔隙率为 70%31。
- 确保多孔钛合金工件呈医用腰椎 Cage 形状32。对多孔结构与腰椎 Cage 进行布尔运算，获得具有多孔结构的工件。
2. 热处理
- 选区激光熔融（SLM）打印过程中产生的高温梯度会导致工件内部产生残余应力。通过热处理消除工件内部的残余应力，以保持工件的韧性、塑性、抗拉强度及其他物理性能。
- 打印完成后，使用中速走丝电火花线切割机将多孔钛合金工件从打印基板上分离。将钛板安装到中速走丝电火花线切割机上，使钛板....
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结果
表面形貌
图3展示了多孔钛合金工件在等离子抛光前后表面形貌的扫描电镜（SEM）结果。在30倍和100倍放大下，我们观察到等离子抛光前的多孔钛合金工件表面显得较为粗糙（图3A、B）。当放大至500倍时，发现多孔钛合金表面存在大量半熔融颗粒和烧蚀氧化层（图3C）。然而，经过等离子抛光后，多孔钛合金表面的大部分半熔融颗粒和烧蚀氧化层已被去除（图3F）。同时，孔隙尺寸和骨小梁直径与设计一致，未受到损伤（图3D、E）。这表明等离子抛光能够改善3D打印多孔钛合金工件的表面质量，且不会破坏原有的设计孔结构。
表面粗糙度测量
使用快速旋转共聚焦显微镜对多.......
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讨论
表面粗糙度用于描述工件表面在较小间距范围内微观几何形状的起伏和不平整程度。已有大量先前研究报道了使用不同方法对金属表面进行抛光的工艺，如机械抛光、化学抛光、电化学抛光等22,33,34,35。尽管众多研究已表明这些传统机械抛光技术具有良好的抛光效果，但对于3D打印多孔钛合金而言，降低其表面粗糙度的抛光方法尤为关键。等离子抛光能够在无污染的情况下高效处理具有复杂形状的工件。因此，表面粗糙度可用于衡量3D打印多孔钛合金的表面质量。金属骨科植入物的表面粗糙度不仅可优化植入物与骨组织之间的相互作用，同时还能最小化植入物与细菌之间的相互作用36。金属多孔支架可为细胞和血管的长入提供空间，而成骨细胞似乎更倾向于较粗糙的表面37。本实验中，3D打印多孔钛合金经等离子抛光后表面粗糙度维持在26.65 µm.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我要感谢我的导师黄文华，为本实验提供了支持条件和指导。本研究由广东医科大学学科建设项目（4SG22260G）、广东省高等教育机构青年创新人才项目（2021KQNCX023）、国家自然科学基金（82205301）以及福田区医疗卫生科研项目（FTWS2022051）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 共聚焦显微镜：Smartproof-5 | ZEISS | 4702000198 | |
| ConfoMap ST 8.0 | ZEISS | 4702000198 | |
| 电火花加工机：MV1200S | 三菱电机自动化（中国）有限公司 | 92U3038 | |
| 热处理炉：HSQ1-644 | 江苏华苏工业炉制造有限公司 | HSD20190812403 | |
| 金属3D打印机：Renishaw AM400 | 雷尼绍股份有限公司 | 1HGW89 | |
| 中速走丝线切割机：HQ-400EZ | 苏州韩企数控设备有限公司 | W40ES20005 | |
| 永磁变频螺杆空气压缩机 M7-Y75AZ | KUNJI MACHINERY(SHANGHAI) MANUFACTURING CO.,LTD. | 19055065 | |
| 制冷式压缩空气干燥机 SY-230FG | 上海泰凌压缩机有限公司 | S190826698 | |
| 扫描电子显微镜（SEM）：JSM-IT100 | 日本电子（北京）有限公司 | MP1030004260426 | |
| 钛合金粉末 | 雷尼绍股份有限公司 | H-5800-1086-01-A | |
| 超声波清洗机：AK-030S | 深圳市宇杰清洗设备有限公司 | 30820004 | |
| ZEN core v3.0 | ZEISS | 4702000198 |
参考文献
- Puleo, D. A., Nanci, A. Understanding and controlling bone-implant interface. Biomaterials. 20 (23-24), 2311-2321 (1999).
- Schuler, M., Trentin, D., Textor, M., Tosatti, S. G. P. Biomedical interfaces: titanium surface technology for implants and cell carriers. Nanomedicine<....
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