Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

تلميع البلازما كخيار تلميع جديد لتقليل خشونة سطح سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D

Published: April 28, 2023 doi: 10.3791/65108
Automatic Translation
*1,2, *3, *4, 4,5, 4, 6, 1, 1,2,4
1Orthopedic Center, Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, 2The School of Basic Medical Sciences, Guangdong Medical University, 3The School of Basic Medical Sciences, Fujian Medical University, 4Guangdong Engineering Research Center for Translation of Medical 3D Printing Application, Guangdong Provincial Key Laboratory of Digital Medicine and Biomechanics, National Key Discipline of Human Anatomy, School of Basic Medical Sciences, Southern Medical University, 5Integrated Hospital of Traditional Chinese Medicine, Southern Medical University, 6Shenzhen Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine (Futian)
* These authors contributed equally

Summary

تلميع البلازما هو تقنية معالجة سطحية واعدة ، ومناسبة بشكل خاص للطباعة 3D لقطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية. يمكنه إزالة المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث ، وبالتالي تقليل خشونة السطح بشكل فعال وتحسين جودة السطح.

Abstract

غرسات سبائك التيتانيوم المسامية مع محاكاة العظام التربيقية المصنعة بواسطة تقنية الطباعة 3D لها آفاق واسعة. ومع ذلك ، نظرا لحقيقة أن بعض المسحوق يلتصق بسطح قطعة العمل أثناء عملية التصنيع ، فإن خشونة السطح في قطع الطباعة المباشرة عالية نسبيا. في الوقت نفسه ، نظرا لأنه لا يمكن تلميع المسام الداخلية للهيكل المسامي عن طريق التلميع الميكانيكي التقليدي ، يجب إيجاد طريقة بديلة. كتقنية سطحية ، فإن تقنية تلميع البلازما مناسبة بشكل خاص للأجزاء ذات الأشكال المعقدة التي يصعب تلميعها ميكانيكيا. يمكن أن تزيل بشكل فعال الجسيمات وبقايا الرذاذ الدقيقة المرفقة بسطح قطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة 3D. لذلك ، يمكن أن تقلل من خشونة السطح. أولا ، يتم استخدام مسحوق سبائك التيتانيوم لطباعة البنية المسامية للعظم التربيقي المحاكي باستخدام طابعة 3D معدنية. بعد الطباعة ، تتم المعالجة الحرارية وإزالة الهيكل الداعم والتنظيف بالموجات فوق الصوتية. بعد ذلك ، يتم إجراء تلميع البلازما ، والذي يتكون من إضافة إلكتروليت تلميع مع ضبط الأس الهيدروجيني على 5.7 ، وتسخين الماكينة مسبقا إلى 101.6 درجة مئوية ، وتثبيت قطعة العمل على تركيبات التلميع ، وضبط الجهد (313 فولت) ، والتيار (59 أمبير) ، ووقت التلميع (3 دقائق). بعد التلميع ، يتم تحليل سطح قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم بواسطة مجهر متحد البؤر ، ويتم قياس خشونة السطح. يستخدم المجهر الإلكتروني الماسح لتوصيف حالة سطح التيتانيوم المسامي. أظهرت النتائج أن خشونة سطح قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية بأكملها تغيرت من Ra (متوسط الخشونة) = 126.9 ميكرومتر إلى Ra = 56.28 ميكرومتر ، وتغيرت خشونة سطح الهيكل التربيقي من Ra = 42.61 ميكرومتر إلى Ra = 26.25 ميكرومتر. وفي الوقت نفسه ، تتم إزالة المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث ، وتحسين جودة السطح.

Introduction

تم استخدام مواد التيتانيوم وسبائك التيتانيوم على نطاق واسع كمواد لزراعة الأسنان والعظام بسبب توافقها الحيوي الجيد ومقاومتها للتآكل وقوتها الميكانيكية1،2،3. ومع ذلك ، نظرا لمعامل المرونة العالي لسبائك التيتانيوم المدمجة التي تنتجها طرق المعالجة التقليدية ، فإن هذه الألواح ليست مناسبة لإصلاح العظام ، لأن القرب من سطح العظام لفترات طويلة يمكن أن يؤدي إلى حماية الإجهاد وتقصف العظام 4,5 . لذلك ، يجب استخدام البنية المجهرية المسامية لمحاكاة الترابيق العظمي في غرسات سبائك التيتانيوم من أجل تقليل معامل المرونة إلى المستوى المطابق للعظم 6,7. تم استخدام العديد من السقالات في مجال جراحة العظام لتحسين صلاحية الخلية ، والتعلق ، والانتشار والتوجيه ، والتمايز العظمي ، وتكوين الأوعية ، وتكامل المضيف ، وتحملالوزن 4،8،9. تشمل طرق التصنيع التقليدية للهياكل المعدنية المسامية طريقة القالب الهيكلي ، وطريقة تشكيل العيوب ، وطريقة الضغط أو ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ، وتقنية الترسيب الكهربائي10،11 ، إلخ. على الرغم من أن تقنيات الإنتاج هذه تقليدية للغاية ، إلا أنها تبدد أحيانا المواد الخام ولها تكاليف تحضيرية كبيرة عند مقارنتها بالطباعة ثلاثية الأبعاد12,13. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية تستخدم مسحوقا معدنيا أو بلاستيكيا ومواد لاصقة أخرى لبناء كائنات ثلاثية الأبعاد صلبة من نماذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) عبر ترسيب الطبقات العلوية14,15. تظهر الطباعة ثلاثية الأبعاد إمكانات كبيرة في التخصيص المباشر للسقالات الخلوية المعدنية لزراعة العظام وتفتح إمكانيات جديدة لتصنيع تصميمات معقدة قابلة للتخصيص مع مسام مترابطة للغاية. من بينها ، يعد الذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) أحد أكثر تقنيات الطباعة والتصنيع ثلاثية الأبعاد تمثيلا لهياكل زرع التيتانيوم المسامية16.

تستخدم عملية SLM مسحوق سبائك التيتانيوم كمادة خام ، وهي في الأساس ذوبان المسحوق وتشكيل الهيكل. لذلك ، غالبا ما يلتصق عدد كبير من المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث بسطح غرسات سبائك التيتانيوم ، مما يؤدي إلى خشونة سطح عالية17. تؤدي الجودة الرديئة لسطح غرسات العظام التيتانيوم المسامية إلى الالتهاب ، وانخفاض أداء التعب ، وحتى المخاطر البيولوجية الجديدة18 . نظرا لأنه لا يمكن تلميع المسام الداخلية للهياكل المسامية عن طريق التلميع الميكانيكي التقليدي ، يجب إيجاد طريقة بديلة. تلميع البلازما هو طريقة تلميع خضراء جديدة لقطع العمل المعدنية التي يمكنها تلميع قطع العمل بكفاءة بأشكال معقدة دون تلوث19 . لديها إمكانات تطوير كبيرة في مجال المعالجة اللاحقة لزراعة سبائك التيتانيوم.

كنوع من تكنولوجيا السطح ، تعد تقنية تلميع البلازما مناسبة بشكل خاص لقطع العمل المعدنية ذات الأشكال المعقدة التي ليس من السهل صقلها ميكانيكيا. الهدف العام من خيار التلميع هذا هو الحصول على سطح مسامي من سبائك التيتانيوم مع خشونة منخفضة. يمكن لهذه التقنية أن تزيل بشكل فعال الجسيمات وبقايا الرذاذ الدقيقة المرتبطة بسطح غرسات العظام التيتانيوم المسامية المصنعة بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد وتقليل خشونة السطح20. مبدأ تلميع البلازما هو عملية تفاعل مركب تعتمد على مزيج من الإزالة الكيميائية والفيزيائية التي يسببها التيار21 ؛ تشكل الدائرة بأكملها دائرة قصر عابرة ، وتشكل طبقة محيطة ببلازما البخار على سطح قطعة العمل20. تخترق هذه العملية طبقة الغاز لتشكيل قناة تفريغ ، مما يؤثر على سطح قطعة العمل. يؤثر التيار العالي على الجزء المحدب من سطح قطعة العمل ، مما يؤدي إلى إزالة أسرع للمسحوق شبه المنصهر وطبقة الأكسيد المحترق. يتغير التقعر والتحدب باستمرار ، ويصبح السطح الخشن ناعما تدريجيا ، مما يحسن خشونة سطح قطعة العمل لتحقيق الغرض من التلميع.

في الوقت نفسه ، هذه التكنولوجيا هي تقنية معالجة خضراء ، لا تسبب أي تلوث للبيئة ، ولها مزايا كبيرة مقارنة بطرق التلميع الأخرى. تشمل تقنيات التلميع الميكانيكية التقليدية بشكل أساسي التلميع الميكانيكي والتلميع الكيميائي والتلميع الكهروكيميائي22. التلميع الميكانيكي هو عملية التلميع التقليدية الأكثر استخداما. لها عيوب كفاءة التلميع المنخفضة ، وارتفاع الطلب على العمل اليدوي ، وعدم القدرة على تلميع الأجزاء ذات الأشكال الهندسية المعقدة. احتمال إصابة الموظف واحتمال تجاوز التفاوتات بسبب العوامل البشرية هي عيوب متكررة للتلميع الميكانيكي23. على عكس التلميع الكيميائي ، الذي يعتمد على استخدام محلول كيميائي لإزالة أجزاء من مادة قطعة العمل ، يستخدم التلميع الكهروكيميائي تيارا كهربائيا ومحلولا كيميائيا للحصول على نفس النتيجة. لسوء الحظ ، تنتج هاتان العمليتان غازات وسوائل خطرة كمنتجات ثانوية للاستخدام ، يعتمد تكوينها على قوة الكاشف الكيميائي الحمضي أو القلوي المستخدم. ونتيجة لذلك ، لا يعتبر العمال الحاضرون معرضين للخطر بسبب التعرض فحسب ، بل هناك أيضا احتمال حدوث أضرار جسيمة بالبيئة24. اقترح Aliakseyeu et al.25 استخدام تلميع البلازما لتلميع قطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم بتركيبة إلكتروليت بسيطة. وجدوا أنه بعد تلميع عينة التيتانيوم تتم إزالة الخدوش السطحية وتحسين لمعان السطح بشكل كبير. ناقش Smyslova et al.26 آفاق تطبيق تقنية تلميع البلازما لعلاج أسطح الغرسات الطبية.

من الناحية النظرية ، يمكن استخدام تقنية تلميع البلازما لتلميع هيكل أي جزء معدني. تم تطبيقه على نطاق واسع للطلاء ، في صناعات تشطيب المعادن ، وفي إلكترونيات 3C ، من بين أمور أخرى22،27،28. ومع ذلك ، فإن الدراسة الحالية لديها بعض القيود. بادئ ذي بدء ، تركز المخطوطة فقط على جودة السطح وخشونة السطح لسبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D قبل وبعد تلميع البلازما. التغييرات المتبقية غير متضمنة. ثانيا ، لم نقم بقياس وتسجيل النتائج بعد المعالجة الحرارية. قارن Jinyoung Kim et al.29 استراتيجيات تعديل سطح التيتانيوم لتعزيز التكامل العظمي. تظهر دراسة أخرى أن تقنية رش البلازما المستحثة بالأيونات المستهدفة (TIPS) يمكن أن تنقل وظائف بيولوجية ممتازة إلى سطح الغرسات الحيوية المعدنية30. من أجل مزيد من التحقيق في فعالية تلميع وسلامة سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D ، ستكون الخطوة التالية هي مواصلة دراسة الخصائص الأخرى لجزء SLM ، مثل أداء التعب والتمايز العظمي. وتحتاج هذه المسائل إلى مزيد من الصقل. يختلف هذا العمل عن دراسات تلميع البلازما السابقة من حيث أنه يركز على طباعة سبائك التيتانيوم المسامية 3D بدلا من سبائك التيتانيوم المدمجة. نتيجة لذلك ، يجب أن تتبنى عمليات التصنيع المختلفة معايير تلميع مختلفة. الغرض من هذه المخطوطة هو تقديم مخطط تلميع البلازما لطباعة سبائك التيتانيوم المسامية 3D بالتفصيل ، وذلك لتقليل خشونة سطح قطع العمل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. طباعة وإعداد قطعة عمل من سبائك التيتانيوم

  1. قم بإعداد قطعة عمل مصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية باستخدام تقنية طباعة SLM. قم باستيراد ملفات تنسيق STL إلى الطابعة المعدنية ، وأضف مسحوق Ti-6Al-4V ، وقم بتثبيت ركيزة البناء ، وقم بإعداد شفرة المساحات ، واضبط حجم بقعة الليزر على 70 ميكرومتر ، واضبط سمك الطبقة على 30 ميكرومتر (الشكل 1).
  2. مسحوق الصف 23 Ti-6Al-4V مع التركيب الكيميائي كما هو موضح في الجدول 1 وحجم جسيمات مسحوق من 15-53 ميكرومتر.
  3. صمم هيكل سبائك التيتانيوم المسامي مع محاكاة عظم تربيقي على أساس تباين مضلع تايسون باستخدام النمذجة البارامترية ، بحجم فتحة 400-600 ميكرومتر ، وقطر شعاع صغير من 100-300 ميكرومتر ، ومسامية 70٪ 31 .
  4. تأكد من أن قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم على شكل القفص القطني الطبي32. بالنسبة للهيكل المسامي والقفص القطني ، استخدم العمليات المنطقية للحصول على هيكل قطعة العمل المسامية.

2. المعالجة الحرارية

  1. سيؤدي تدرج درجة الحرارة العالية أثناء طباعة SLM إلى إجهاد متبقي في قطعة العمل. استخدم المعالجة الحرارية للتخلص من الإجهاد المتبقي داخل قطعة العمل والحفاظ على المتانة واللدونة وقوة الشد والخصائص الفيزيائية الأخرى لقطعة العمل.
  2. افصل قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم عن ركيزة الطباعة بعد الطباعة باستخدام آلة قطع الأسلاك متوسطة السرعة. قم بتثبيت لوحة التيتانيوم على آلة قطع الأسلاك متوسطة السرعة ، من أجل جعل اللوحة عمودية على الأرض ، وتأكد من أن السلك يتصل فقط بسطح الدعم. بعد ذلك ، قم بقص الدعامة ولوحة التيتانيوم لفصل قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم عن ركيزة الطباعة.
  3. ضع قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم في آلة التنظيف بالموجات فوق الصوتية بالماء منزوع الأيونات لمدة 15 دقيقة ويتم التحكم في درجة الحرارة عند 30 درجة مئوية. حافظ على التردد فوق الصوتي عند 40000 هرتز. يهدف التنظيف بالموجات فوق الصوتية إلى إزالة مسحوق سبائك التيتانيوم المتبقي في الهيكل المسامي.
  4. كرر إجراء التنظيف بالموجات فوق الصوتية المذكور أعلاه أربع مرات لإزالة مسحوق سبائك التيتانيوم المتبقي والماء منزوع الأيونات من الهيكل المسامي. بعد ذلك ، وجه الهواء عالي الضغط إلى الهيكل المسامي لمدة 20 ثانية لتفجير المسحوق المتبقي والسائل. يبلغ ضغط الهواء عالي الضغط 0.71 ميجا باسكال ، والذي يتم إنشاؤه بواسطة ضاغط الهواء ومجفف الهواء.
  5. ضع سلة التيتانيوم في فرن المعالجة الحرارية في درجة حرارة الغرفة. سلة التيتانيوم مجهزة بقطع عمل من سبائك التيتانيوم مفصولة عن الركيزة. حافظ على قطع العمل المختلفة من ملامسة بعضها البعض وأغلق باب الفرن.
  6. افتح صمام الغاز ، وأخرج الهواء ، وحافظ على درجة الفراغ عند 3.9 × 10-3 باسكال.
  7. اضبط عملية المعالجة الحرارية. أولا ، قم بتسخين الفرن إلى 800 درجة مئوية لمدة 1.5 ساعة ، والحفاظ على درجة الحرارة لمدة 2 ساعة ، ثم قم بتبريد قطعة العمل داخل الفرن. تضمن هذه العملية بقاء ضغط الفراغ دون تغيير.
  8. بعد المعالجة الحرارية ، قم بتبريد الفرن إلى درجة حرارة الغرفة واملأ الفرن بالهواء. بعد العودة إلى الضغط الجوي ، كما هو موضح على اللوحة ، أخرج قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم.

3. إزالة الدعم

  1. بعد المعالجة الحرارية ، لا تحتوي قطع العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم على إجهاد داخلي متبقي ، وبالتالي فإن سطح قطعة العمل لن يتشقق و / أو ينكسر عند إزالة الدعم.
  2. قم بقياس سمك الدعم باستخدام الفرجار الورني ، وقم بتثبيت قطعة العمل على آلة تصنيع التفريغ الكهربائي لقطع الأسلاك منخفضة السرعة (EDM) ، وتأكد من أن السلك النحاسي يلامس سطح الدعم فقط.
  3. اضبط عمق القطع مساويا لسمك الدعم. من المحتم أن تؤدي إزالة الدعم بواسطة آلة EDM لقطع الأسلاك إلى تكوين طبقة أكسيد الاستئصال. عند إزالة الدعامة ، تأكد من غمر قطعة العمل في الماء منزوع الأيونات لتقليل الحروق على سطح قطعة العمل.
  4. يضمن تصميم الدعم المعقول الدقة عند إزالة الدعم. إذا كان لا يزال هناك بعض بقايا الدعم ، فقم بتلميع قطعة العمل بورق الصنفرة.

4. التنظيف بالموجات فوق الصوتية

  1. نظرا لأن قطعة العمل مغمورة في الماء منزوع الأيونات أثناء إزالة الدعم ، فقم بإجراء التنظيف بالموجات فوق الصوتية قبل تلميع البلازما لإزالة الشوائب الأخرى.
  2. ضع قطعة عمل سبائك التيتانيوم المسامية في آلة التنظيف بالموجات فوق الصوتية بالماء منزوع الأيونات ، واضبط درجة حرارة الماء على 30 درجة مئوية ، وقم بتنظيفه لمدة 5 دقائق. بعد 5 دقائق ، أخرج قطعة العمل ونفخ السائل المتبقي بهواء عالي الضغط.

5. التوصيف الأول

  1. المجهر الإلكتروني الماسح (SEM): صور الأسطح باستخدام SEM بجهد متسارع 15 و 20 كيلو فولت ، بعد التنظيف بالموجات فوق الصوتية وقبل تلميع البلازما.
  2. التقط صورا بحقول مرئية 30x و 100x و 500x. راقب مورفولوجيا السطح العامة ، والتصاق الجسيمات ، وحجم المسام لقطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم ، وقم بتقييم تأثير تلميع البلازما نوعيا.
  3. مجهر متحد البؤر: صور الأسطح باستخدام مجهر متحد البؤر.
  4. ضع قطعة العمل على منصة التخزين أفقيا. قم بقياس معلمة متوسط خشونة حساب السطح (Ra). استخدم برنامج ZEN core v3.0 و ConfoMap ST 8.0.
    1. حدد تكبير 2.5x ، واختر عريض للوضع المباشر ، وانقر فوق كثافة تلقائية ، ثم انتقل إلى تكبير 5x لمراقبة الموقف العام. انقر فوق الكثافة التلقائية واضبط الوضع المباشر على Comp. حدد منطقة الاهتمام، وانقر فوق تعيين أولا عند أدنى نقطة وتعيين الأخير عند أعلى نقطة، ثم قم بتعيين الاستحواذ إلى عادي.
    2. بعد حوالي 5 دقائق ، قم باستيراد النتائج إلى مستند جديد في ConfoMap ST 8.0. من السهل الحصول على Ra في جدول المعلمات في ConfoMap ST.
  5. راقب الحالة العامة لقطعة العمل باستخدام مرآة خماسية ، ثم انتقل إلى مرآة عالية الطاقة وركز مجال الرؤية على الترابيق. قم بتقييم تأثير تلميع البلازما كميا من خلال وصف Ra لقطعة عمل سبائك التيتانيوم المسامية قبل تلميع البلازما.

6. تلميع البلازما

  1. لهذا ، استخدم خلية إلكتروليتية لغمر قطعة العمل في المنحل بالكهرباء متصل كأنود20. استخدم محلول كبريتات الأمونيوم 4٪ [(NH 4)2SO4] ، درجة الحموضة بين 5.7-6.1 ، كإلكتروليت. سخن إلكتروليت التلميع إلى 80 درجة مئوية قبل تلميع البلازما.
  2. اضبط تيار التلميع على 59 أمبير ، والجهد على 313 فولت ، ودرجة حرارة تلميع المنحل بالكهرباء على 101.6 درجة مئوية (الشكل 2 أ). إجراء تلميع البلازما وفقا لهذه المعايير.
  3. ضع سطح قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم ليتم صقلها أفقيا وثبتها على التركيب ، ثم ضع التركيبات في آلة تلميع البلازما (الشكل 2 ب). قم بإجراء تلميع البلازما لمدة 90 ثانية ، ثم أخرج التركيبات من آلة تلميع البلازما.
  4. نظرا لأن قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم مثبتة على التركيب من خلال نقطة التثبيت ، فإن نقطة التثبيت ليست على اتصال بمحلول التلميع ، ولا يحدث التفاعل الكهروكيميائي المقابل عند نقطة التثبيت. لذلك ، قم بتغيير موضع نقطة التثبيت قليلا بعد إخراج المباراة.
  5. قم بإجراء تلميع البلازما مرة أخرى لمدة 90 ثانية وأخرج التركيبات من آلة تلميع البلازما. قم بإزالة قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم من التركيب ثم ضعها في آلة التنظيف بالموجات فوق الصوتية بالماء منزوع الأيونات.
  6. اضبط درجة حرارة الماء على 30 درجة مئوية ونظف قطعة العمل لمدة 2 دقيقة. بعد 2 دقيقة ، أخرج قطعة العمل وفجر السائل المتبقي بهواء عالي الضغط.

7. التوصيف الثاني

  1. بعد الانتهاء من تلميع البلازما ، قم بتصوير الأسطح باستخدام SEM ومجهر متحد البؤر بنفس الطريقة كما في الخطوة 5. تقييم تأثير تلميع البلازما على خشونة السطح وجودة السطح من سبائك التيتانيوم المسامية الطباعة 3D من خلال مقارنة نتيجتي اطلاق النار المذكورة أعلاه.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

مورفولوجيا السطح
يوضح الشكل 3 نتيجة SEM لمورفولوجيا السطح لقطعة عمل سبائك التيتانيوم المسامية قبل وبعد تلميع البلازما. لاحظنا أنه عند التكبير 30x و 100x ، يبدو أن سطح قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم قبل تلميع البلازما أكثر خشونة (الشكل 3A ، B). عند تكبيرها إلى 500x ، وجدنا أنه يمكن ملاحظة كمية كبيرة من المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث على سطح سبيكة التيتانيوم المسامية (الشكل 3C). ومع ذلك ، تمت إزالة معظم المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث على سطح سبائك التيتانيوم المسامية بعد تلميع البلازما (الشكل 3F). في الوقت نفسه ، كان حجم المسام والقطر التربيقي متسقين مع التصميم ، الذي لم يتضرر (الشكل 3D ، E). هذا يدل على أن تلميع البلازما يمكن أن يحسن جودة سطح قطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D ولا يضر بهيكل مسام التصميم الأصلي.

قياس خشونة السطح
تم تصوير قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم بالكامل وجزء منها باستخدام المجهر البؤري الدوار السريع ، كما هو موضح في الشكل 4 ، وتم قياس خشونة السطح. خشونة السطح عالية ، سواء كان السطح الكامل لسبائك التيتانيوم المسامية أو شعاعا صغيرا يشكل بنية مسامية ، قبل تلميع البلازما (الشكل 4 أ ، ب). يتم تقليل خشونة سطح البنية المسامية بشكل كبير ؛ Ra للسطح الكلي هو 56.28 ميكرومتر (الشكل 4C) ، في حين أن Ra لجزء من قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم هو 26.65 ميكرومتر (الشكل 4D).

Figure 1
الشكل 1: طباعة 3D معدنية SLM. يتم استخدام تقنية طباعة SLM ويتم تصنيف مسحوق 23 Ti-6Al-4V لإعداد قطعة عمل مسامية من سبائك التيتانيوم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: آلة تلميع البلازما وتركيبات التلميع. (أ) معلمات إعداد آلة تلميع البلازما: يتم ضبط تيار التلميع على 59 أمبير ، ويتم ضبط الجهد على 313 فولت ، ويتم ضبط درجة حرارة تلميع المنحل بالكهرباء على 101.6 °C ، بعد التسخين المسبق لإلكتروليت التلميع. (ب) تركيبات التلميع. يتم وضع سطح قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم المراد صقلها أفقيا وتثبيتها على التركيب ، مما يضمن غمر التركيبات في إلكتروليت التلميع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: صور قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام SEM. قبل تلميع البلازما ، (A) عند 30x ، يمكن ملاحظة البنية المسامية بأكملها. (ب) عند 100x، يمكن ملاحظة تركيب المسام. يبدو أن سطح قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم قبل تلميع البلازما أكثر خشونة. (ج) عند 500x، يمكن ملاحظة كمية كبيرة من المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث على سطح التركيب التربيقي. بعد تلميع البلازما ، (D) عند 30x ، يمكن ملاحظة الهيكل المسامي بأكمله. (ه) عند 100x، يمكن ملاحظة بنية المسام. كان حجم المسام والقطر التربيقي متسقين مع التصميم الذي لم يتضرر. (F) عند 500x ، تمت إزالة معظم المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث على سطح سبيكة التيتانيوم المسامية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: صور قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مجهر متحد البؤر. توضح الصورة مورفولوجيا سطح سبيكة التيتانيوم المسامية ، حيث يمثل محور الإحداثيات الطول. بعد تلميع البلازما ، يظهر سطح سبائك التيتانيوم المسامية مظهرا معدنيا لامعا. (أ) تم تصوير قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية بالكامل قبل تلميع البلازما ، Ra = 126.9 ميكرومتر. (ب) تم تصوير جزء من قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم قبل تلميع البلازما ، Ra = 42.61 ميكرومتر. (ج) تم تصوير قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية بالكامل بعد تلميع البلازما ، Ra = 56.28 ميكرومتر. يمكن تقليل خشونة السطح الكلية عن طريق تلميع البلازما. (د) تم تصوير جزء من قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم بعد تلميع البلازما ، Ra = 26.65 ميكرومتر. يمكن تقليل خشونة سطح الهيكل التربيقي عن طريق تلميع البلازما. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

عنصر الكتلة (٪)
تيتانيوم توازن
الومينيوم 5.50 إلى 6.50
فاناديوم 3.50 إلى 4.50
حديد < 0.25
أكسجين < 0.13
كربون < 0.08
نيتروجين < 0.05
هيدروجين < 0.012
المتبقيه < 0.10 لكل منهما، المجموع 0.40

الجدول 1: التركيب الكيميائي لمسحوق سبائك Ti-6Al-4V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تستخدم خشونة السطح لوصف مقدار التموج وعدم التساوي للأشكال الهندسية الدقيقة على أسطح قطع العمل ضمن نطاق تباعد صغير. أبلغ عدد من الدراسات السابقة عن كيفية تلميع الأسطح المعدنية باستخدام إجراءات مختلفة ، مثل التلميع الميكانيكي ، والتلميع الكيميائي ، والتلميع الكهروكيميائي ، والمزيد22،33،34،35. على الرغم من أن العديد من الدراسات أظهرت تأثيرات تلميع محتملة بناء على تقنيات التلميع الميكانيكية التقليدية هذه ، إلا أن طريقة التلميع لطباعة سبائك التيتانيوم المسامية 3D أمر بالغ الأهمية من أجل تقليل خشونة السطح. يمكن لتلميع البلازما تلميع قطع العمل بكفاءة بأشكال معقدة دون تلوث. لذلك ، يمكن أن تقيس خشونة السطح جودة سطح سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة 3D. لا يمكن لخشونة سطح غرسات العظام المعدنية تحسين تفاعلات عظم الزرع فحسب ، بل تقلل في نفس الوقت من تفاعلات الزرع والبكتيريا36. يمكن أن توفر السقالات الخلوية المعدنية مكانا لنمو الخلايا والأوعية الدموية ، بينما يبدو أن بانيات العظم تفضل الأسطح الأكثر خشونة37. في هذه التجربة ، يتم الحفاظ على خشونة سطح سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة 3D عند 26.65 ميكرومتر بعد تلميع البلازما ، والتي تلبي المتطلبات الأساسية لتعزيز نمو الخلايا والأوعية الدموية.

من الضروري إجراء التنظيف بالموجات فوق الصوتية قبل المعالجة الحرارية ، وذلك لمنع انسداد البنية المسامية بواسطة مسحوق التيتانيوم المنصهر. يتم وضع قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية في آلة الموجات فوق الصوتية بالماء منزوع الأيونات لمدة 15 دقيقة للتنظيف. يتم تفجير مسحوق سبائك التيتانيوم المتبقي بهواء عالي الضغط بعد التنظيف ، ويتكرر التنظيف بالموجات فوق الصوتية ونفخ المسحوق المتبقي ثلاث مرات أخرى. بمعنى آخر ، يتم إجراء 1 ساعة من التنظيف بالموجات فوق الصوتية وأربع حالات من نفخ الهواء عالي الضغط لإزالة مسحوق سبائك التيتانيوم المتبقي.

أثناء تلميع البلازما ، يجب تثبيت قطعة العمل برفق على التركيب لحماية ترابيقولا الهيكل المسامي من التلف ، حيث يصبح القليل من تركيبات التلميع أكثر حدة بعد التلميع الفروقنت. يتم إخراج التركيب من آلة تلميع البلازما ، ويتم تغيير موضع نقطة التثبيت قليلا بعد التلميع لمدة 90 ثانية ، ثم يتم إجراء تلميع البلازما لمدة 90 ثانية المتبقية. إذا استمر تلميع البلازما لمدة 180 ثانية في وقت واحد دون تغيير موضع نقطة التثبيت ، فسيكون التلميع حول نقطة التثبيت ناجحا ، لكن نقطة التثبيت المغطاة بتركيبات سبائك التيتانيوم المسامية ستقدم حالة سطح غير مصقولة.

ومع ذلك ، فإن تقنية التلميع هذه لها أيضا بعض القيود ، مثل الاستهلاك العالي للطاقة. نظرا لقيود حجم الحمام ، لا يمكن لمعدات تلميع البلازما معالجة الأجزاء الكبيرة. يمكن أيضا دراسة هذه التكنولوجيا. يوصى باستخدام المزيد من دراسات النمذجة والمحاكاة للتنبؤ بدقة بقيم معلمات العملية المثلى ، بهدف تحقيق تحسينات متوقعة في قطعة العمل مع تقليل الوقت والنفقات اللازمة للتجريب. يمكننا إجراء مزيد من الدراسات لتحديد المعلمات المثلى لتلميع البلازما لقطع العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم22.

من منظور مجهري ، فإن تلميع البلازما هو عملية يتم فيها صهر سطح المعدن بالحرارة الناتجة عن تأثير الإلكترون عالي السرعة. إنه اتجاه تطوير جديد في مجال التصنيع الأخضر والآلات الدقيقة وهو مناسب جدا لسبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة 3D. في الختام ، سيكون هذا البروتوكول لتلميع قطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D خيارا جديدا لتقليل خشونة السطح وتحسين جودة السطح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

أود أن أشكر مشرفي ، Wenhua Huang ، على توفير شروط الدعم والتوجيه لهذه التجربة. تم تمويل هذا البحث من قبل مشروع بناء الانضباط بجامعة قوانغدونغ الطبية (4SG22260G) ، ومشروع المواهب المبتكرة الشابة لمؤسسات التعليم العالي في قوانغدونغ (2021KQNCX023) ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (82205301) ، ومشروع أبحاث فوتيان للرعاية الصحية (FTWS2022051).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

الطب ، العدد 194 ، تلميع البلازما ، خشونة السطح ، جودة السطح ، الطباعة 3D ، سبائك التيتانيوم المسامية
تلميع البلازما كخيار تلميع جديد لتقليل خشونة سطح سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, Z., Luo, L., Lin, D., Deng, Y., … More

Lin, Z., Luo, L., Lin, D., Deng, Y., Yang, Y., Huang, X., Wu, T., Huang, W. Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing. J. Vis. Exp. (194), e65108, doi:10.3791/65108 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter