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Medicine

3 डी प्रिंटिंग के लिए झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह खुरदरापन को कम करने के लिए एक नए पॉलिशिंग विकल्प के रूप में प्लाज्मा पॉलिशिंग

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

प्लाज्मा पॉलिशिंग एक आशाजनक सतह प्रसंस्करण तकनीक है, विशेष रूप से छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस के 3 डी प्रिंटिंग के लिए उपयुक्त है। यह अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतों को हटा सकता है, जिससे सतह खुरदरापन को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है और सतह की गुणवत्ता में सुधार हो सकता है।

Abstract

3 डी प्रिंटिंग तकनीक द्वारा निर्मित नकली त्रिकोणीय हड्डी के साथ छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण में व्यापक संभावनाएं हैं। हालांकि, इस तथ्य के कारण कि कुछ पाउडर विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान वर्कपीस की सतह का पालन करते हैं, प्रत्यक्ष मुद्रण टुकड़ों में सतह खुरदरापन अपेक्षाकृत अधिक है। इसी समय, चूंकि छिद्रपूर्ण संरचना के आंतरिक छिद्रों को पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग द्वारा पॉलिश नहीं किया जा सकता है, इसलिए एक वैकल्पिक विधि खोजने की आवश्यकता है। एक सतह प्रौद्योगिकी के रूप में, प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक विशेष रूप से जटिल आकार वाले भागों के लिए उपयुक्त है जो यांत्रिक रूप से पॉलिश करना मुश्किल है। यह 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह से जुड़े कणों और बारीक स्प्लैश अवशेषों को प्रभावी ढंग से हटा सकता है। इसलिए, यह सतह खुरदरापन को कम कर सकता है। सबसे पहले, टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर का उपयोग धातु 3 डी प्रिंटर के साथ नकली त्रिकोणीय हड्डी की छिद्रपूर्ण संरचना को प्रिंट करने के लिए किया जाता है। मुद्रण के बाद, गर्मी उपचार, सहायक संरचना को हटाने, और अल्ट्रासोनिक सफाई की जाती है। फिर, प्लाज्मा पॉलिशिंग की जाती है, जिसमें 5.7 पर पीएच सेट के साथ एक पॉलिशिंग इलेक्ट्रोलाइट जोड़ना, मशीन को 101.6 डिग्री सेल्सियस पर प्रीहीट करना, पॉलिशिंग फिक्स्चर पर वर्कपीस को ठीक करना और वोल्टेज (313 वी), करंट (59 ए), और पॉलिशिंग टाइम (3 मिनट) सेट करना शामिल है। पॉलिश करने के बाद, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह का विश्लेषण एक कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप द्वारा किया जाता है, और सतह खुरदरापन मापा जाता है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम की सतह की स्थिति को चिह्नित करने के लिए किया जाता है। परिणाम बताते हैं कि पूरे छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह खुरदरापन आरए (औसत खुरदरापन) = 126.9 μm से Ra = 56.28 μm में बदल गया, और ट्रैब्युलर संरचना की सतह खुरदरापन Ra = 42.61 μm से Ra = 26.25 μm में बदल गया। इस बीच, अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतों को हटा दिया जाता है, और सतह की गुणवत्ता में सुधार होता है।

Introduction

टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री का व्यापक रूप से दंत चिकित्सा और आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है क्योंकि उनकी अच्छी जैव-रासायनिकता, संक्षारण प्रतिरोध और यांत्रिक शक्ति 1,2,3 है। हालांकि, पारंपरिक प्रसंस्करण विधियों द्वारा उत्पादित कॉम्पैक्ट टाइटेनियम मिश्र धातु के उच्च लोचदार मापांक के कारण, ये प्लेटें हड्डी की मरम्मत के लिए उपयुक्त नहीं हैं, क्योंकि लंबे समय तक हड्डी की सतह के करीब निकटता के परिणामस्वरूप तनाव परिरक्षण और हड्डी भंगुरता 4,5 हो सकती है। इसलिए, सिमुलेटेड हड्डी ट्रेबेक्यूले के छिद्रपूर्ण माइक्रोस्ट्रक्चर का उपयोग टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण में किया जाना चाहिए ताकि हड्डी 6,7 से मेल खाने वाले स्तर तक इसके लोचदार मापांक को कम किया जा सके। कोशिका व्यवहार्यता, लगाव, प्रसार और होमिंग, ओस्टोजेनिक भेदभाव, एंजियोजेनेसिस, मेजबान एकीकरण और वजन वहन 4,8,9 में सुधार के लिए आर्थोपेडिक्स के क्षेत्र में कई मचानों का उपयोग किया गया है। छिद्रपूर्ण धातु संरचनाओं के पारंपरिक निर्माण विधियों में संरचनात्मक टेम्पलेट विधि, दोष गठन विधि, संपीड़न या सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड विधि, इलेक्ट्रो-जमाव तकनीक10,11 आदि शामिल हैं। यद्यपि ये उत्पादन तकनीकें अत्यधिक पारंपरिक हैं, वे कभी-कभी कच्चे माल को बर्बाद कर देते हैं और 3 डी प्रिंटिंग12,13 की तुलना में पर्याप्त प्रारंभिक लागत होती है। 3 डी प्रिंटिंग एक ऐसी तकनीक है जो धातु या प्लास्टिक पाउडर और अन्य चिपकने वाली सामग्री का उपयोग कंप्यूटर एडेड डिज़ाइन (सीएडी) मॉडल से ठोस 3 डी वस्तुओं के निर्माण के लिए करती है। 3 डी प्रिंटिंग आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के लिए धातु सेलुलर मचानों को सीधे अनुकूलित करने में बड़ी क्षमता दिखाती है और अत्यधिक परस्पर जुड़े छिद्रों के साथ अनुकूलन योग्य जटिल डिजाइनों के निर्माण के लिए नई संभावनाएं खोलती है। उनमें से, चयनात्मक लेजर पिघलने (एसएलएम) छिद्रपूर्ण टाइटेनियमप्रत्यारोपण संरचनाओं के लिए सबसे अधिक प्रतिनिधि 3 डी प्रिंटिंग और विनिर्माण प्रौद्योगिकियों में से एक है।

एसएलएम प्रक्रिया कच्चे माल के रूप में टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर का उपयोग करती है, अनिवार्य रूप से पाउडर पिघलने और संरचना बनाने के लिए। इसलिए, बड़ी संख्या में अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतें अक्सर टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण की सतह का पालन करती हैं, जिससे उच्च सतह खुरदरापन17 होता है। छिद्रपूर्ण टाइटेनियम आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की खराब सतह की गुणवत्ता सूजन, थकान प्रदर्शन में कमी और यहां तक कि नएजैविक जोखिमों की ओर ले जाती है। चूंकि छिद्रपूर्ण संरचनाओं के आंतरिक छिद्रों को पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग द्वारा पॉलिश नहीं किया जा सकता है, इसलिए एक वैकल्पिक विधि खोजने की आवश्यकता है। प्लाज्मा पॉलिशिंग धातु की वर्कपीस के लिए एक नई हरी पॉलिशिंग विधि हैजो प्रदूषण के बिना जटिल आकार के साथ वर्कपीस को कुशलतापूर्वक पॉलिश कर सकती है। इसमें टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपण पोस्ट-प्रोसेसिंग के क्षेत्र में बड़ी विकास क्षमता है।

सतह प्रौद्योगिकी के एक प्रकार के रूप में, प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक जटिल आकृतियों के साथ धातु के वर्कपीस के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है जिन्हें यांत्रिक रूप से पॉलिश करना आसान नहीं है। इस पॉलिशिंग विकल्प का समग्र लक्ष्य कम खुरदरापन के साथ एक छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह प्राप्त करना है। यह तकनीक 3 डी प्रिंटिंग द्वारा निर्मित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह से जुड़े कणों और बारीक स्प्लैश अवशेषों को प्रभावी ढंग से हटा सकती है और सतह के खुरदरापनको कम कर सकती है। प्लाज्मा पॉलिशिंग का सिद्धांत वर्तमान-प्रेरित रासायनिक और भौतिक निष्कासन21 के संयोजन पर आधारित एक समग्र प्रतिक्रिया प्रक्रिया है; पूरा सर्किट एक क्षणिक शॉर्ट सर्किट बनाता है, जिससे वर्कपीससतह 20 पर वाष्प प्लाज्मा-आसपास की परत बनती है। यह प्रक्रिया गैस परत के माध्यम से एक निर्वहन चैनल बनाने के लिए टूट जाती है, जिससे वर्कपीस की सतह प्रभावित होती है। उच्च धारा वर्कपीस सतह के उत्तल भाग को प्रभावित करती है, जिससे अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और जली हुई ऑक्साइड परत तेजी से हट जाती है। शंकु और उत्तलता लगातार बदल रही है, और खुरदरी सतह धीरे-धीरे चिकनी हो जाती है, जिससे पॉलिशिंग के उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए वर्कपीस की सतह खुरदरापन में सुधार होता है।

इसी समय, यह तकनीक एक हरी प्रसंस्करण तकनीक है, जिससे पर्यावरण को कोई प्रदूषण नहीं होता है, और अन्य पॉलिशिंग विधियों की तुलना में इसके बहुत फायदे हैं। पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग तकनीकों में मुख्य रूप से यांत्रिक पॉलिशिंग, रासायनिक पॉलिशिंग और इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंगशामिल हैं। यांत्रिक पॉलिशिंग सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली पारंपरिक पॉलिशिंग प्रक्रिया है; इसमें कम पॉलिशिंग दक्षता, मैनुअल श्रम की उच्च मांग और जटिल ज्यामिति के साथ भागों को चमकाने में असमर्थता के नुकसान हैं। कर्मचारी की चोट की संभावना और मानव कारकों के कारण सहिष्णुता से अधिक की संभावना यांत्रिक पॉलिशिंगकी लगातार कमियां हैं। रासायनिक पॉलिशिंग के विपरीत, जो वर्कपीस की सामग्री के कुछ हिस्सों को हटाने के लिए रासायनिक समाधान का उपयोग करने पर आधारित है, इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंग एक ही परिणाम प्राप्त करने के लिए एक विद्युत प्रवाह और रासायनिक समाधान का उपयोग करता है। दुर्भाग्य से, ये दोनों प्रक्रियाएं उपयोग के उप-उत्पादों के रूप में खतरनाक गैसों और तरल पदार्थों का उत्पादन करती हैं, जिनकी संरचना एसिड या क्षारीय रासायनिक अभिकर्मक की ताकत पर निर्भर होती है। नतीजतन, न केवल उपस्थित श्रमिकों को जोखिम के कारण जोखिम में माना जाता है,बल्कि पर्यावरण को गंभीर नुकसान की भी संभावना है। 25 ने सरल इलेक्ट्रोलाइट संरचना के साथ टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को चमकाने के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। उन्होंने पाया कि, टाइटेनियम नमूना चमकाने के बाद सतह की खरोंच हटा दी जाती है और सतह चमक में काफी सुधार होता है। स्मिस्लोवा एट अल .26 ने चिकित्सा प्रत्यारोपण की सतहों के इलाज के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक को लागू करने की संभावनाओं पर विचार-विमर्श किया।

सैद्धांतिक रूप से, प्लाज्मा पॉलिशिंग तकनीक का उपयोग किसी भी धातु भाग की संरचना को चमकाने के लिए किया जा सकता है। यह व्यापक रूप से कोटिंग के लिए, धातु परिष्करण उद्योगों में, और 3 सी इलेक्ट्रॉनिक्स में, दूसरों के बीच22,27,28 के बीच लागू किया गया है। हालांकि, वर्तमान अध्ययन की कुछ सीमाएं हैं। सबसे पहले, पांडुलिपि केवल प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले और बाद में 3 डी प्रिंटिंग झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह की गुणवत्ता और सतह खुरदरापन पर केंद्रित है; शेष परिवर्तन शामिल नहीं हैं। दूसरे, हमने गर्मी उपचार के बाद परिणामों को मापा और रिकॉर्ड नहीं किया। जिनयंग किम एट अल .29 ने ओसेओइंटीग्रेशन वृद्धि के लिए टाइटेनियम सतह संशोधन रणनीतियों की तुलना की। एक अन्य अध्ययन से पता चलता है कि लक्ष्य-आयन प्रेरित प्लाज्मा स्पटरिंग (टीआईपीएस) तकनीक धातु जैव-प्रत्यारोपणकी सतह को उत्कृष्ट जैविक कार्य प्रदान कर सकती है। 3 डी प्रिंटिंग के लिए छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की पॉलिशिंग प्रभावकारिता और सुरक्षा की जांच करने के लिए, अगला कदम एसएलएम भाग के अन्य गुणों, जैसे थकान प्रदर्शन और ओस्टोजेनिक भेदभाव का आगे अध्ययन करना होगा। इन मुद्दों को और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता है। यह काम पहले के प्लाज्मा पॉलिशिंग अध्ययनों से अलग है जिसमें यह कॉम्पैक्ट टाइटेनियम मिश्र धातु के बजाय 3 डी प्रिंटिंग झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु पर केंद्रित है। नतीजतन, विभिन्न विनिर्माण प्रक्रियाओं को अलग-अलग पॉलिशिंग मापदंडों को अपनाना चाहिए। इस पांडुलिपि का उद्देश्य 3 डी प्रिंटिंग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की प्लाज्मा पॉलिशिंग योजना को विस्तार से पेश करना है, ताकि वर्कपीस की सतह खुरदरापन को कम किया जा सके।

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Protocol

1. टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस का मुद्रण और तैयारी

  1. एसएलएम प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु से बना एक वर्कपीस तैयार करें। धातु प्रिंटर में एसटीएल प्रारूप फ़ाइलों को आयात करें, टीआई -6एएल -4 वी पाउडर जोड़ें, बिल्ड सब्सट्रेट स्थापित करें, वाइपर ब्लेड सेट करें, लेजर स्पॉट आकार को 70 μm पर सेट करें, और परत की मोटाई 30 μm पर सेट करें (चित्रा 1)।
  2. ग्रेड 23 टीआई -6 एएल -4 वी पाउडर रासायनिक संरचना के साथ जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है और 15-53 μm का पाउडर कण आकार।
  3. पैरामीट्रिक मॉडलिंग का उपयोग करके टायसन बहुभुज अनिसोट्रॉपी के आधार पर सिम्युलेटेड ट्रैब्युलर हड्डी के साथ झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु संरचना डिजाइन करें, जिसमें 400-600 μm का एपर्चर आकार, 100-300 μm का छोटा बीम व्यास और 70% 31 की सरंध्रता है।
  4. सुनिश्चित करें कि छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस मेडिकल लंबर पिंजरे32 के आकार में है। छिद्रपूर्ण संरचना और काठ के पिंजरे के लिए, छिद्रपूर्ण वर्कपीस संरचना प्राप्त करने के लिए बूलियन ऑपरेशन का उपयोग करें।

2. गर्मी उपचार

  1. एसएलएम प्रिंटिंग के दौरान एक उच्च तापमान ढाल वर्कपीस में अवशिष्ट तनाव पैदा करेगा। वर्कपीस के अंदर अवशिष्ट तनाव को खत्म करने और वर्कपीस की क्रूरता, प्लास्टिसिटी, तन्यता ताकत और अन्य भौतिक गुणों को बनाए रखने के लिए गर्मी उपचार का उपयोग करें।
  2. मध्यम गति के तार काटने वाली मशीन का उपयोग करके मुद्रण के बाद मुद्रण सब्सट्रेट से झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को अलग करें। मध्यम गति के तार काटने वाली मशीन पर टाइटेनियम प्लेट स्थापित करें, ताकि प्लेट को जमीन के लंबवत बनाया जा सके, और यह सुनिश्चित किया जा सके कि तार सिर्फ समर्थन सतह से संपर्क करता है। फिर, प्रिंटिंग सब्सट्रेट से झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को अलग करने के लिए समर्थन और टाइटेनियम प्लेट के साथ काट लें।
  3. छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को अल्ट्रासोनिक सफाई मशीन में 15 मिनट के लिए विआयनीकृत पानी के साथ रखें और तापमान 30 डिग्री सेल्सियस पर नियंत्रित हो। अल्ट्रासोनिक आवृत्ति 40,000 हर्ट्ज पर रखें। अल्ट्रासोनिक सफाई का उद्देश्य छिद्रपूर्ण संरचना में शेष टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर को हटाना है।
  4. छिद्रपूर्ण संरचना से अवशिष्ट टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर और विआयनीकृत पानी को हटाने के लिए उपरोक्त अल्ट्रासोनिक सफाई प्रक्रिया को चार बार दोहराएं। उसके बाद, अवशिष्ट पाउडर और तरल को दूर करने के लिए 20 सेकंड के लिए छिद्रपूर्ण संरचना पर उच्च दबाव वाली हवा का लक्ष्य रखें। उच्च दबाव वाली हवा का दबाव 0.71 एमपीए है, जो एक एयर कंप्रेसर और एयर ड्रायर द्वारा उत्पन्न होता है।
  5. टाइटेनियम टोकरी को कमरे के तापमान पर गर्मी उपचार भट्टी में रखें। टाइटेनियम टोकरी सब्सट्रेट से अलग टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस से लैस है। अलग-अलग वर्कपीस को एक-दूसरे को छूने से रोकें और भट्ठी का दरवाजा बंद कर दें।
  6. गैस वाल्व खोलें, हवा को बाहर निकालें, और वैक्यूम डिग्री को 3.9 x 10-3 पीए पर रखें।
  7. गर्मी उपचार प्रक्रिया सेट करें। सबसे पहले, भट्ठी को 1.5 घंटे के लिए 800 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें, 2 घंटे के लिए तापमान बनाए रखें, और फिर भट्ठी के अंदर वर्कपीस को ठंडा करें। यह प्रक्रिया सुनिश्चित करती है कि वैक्यूम दबाव अपरिवर्तित रहता है।
  8. गर्मी उपचार के बाद, भट्ठी को कमरे के तापमान पर ठंडा करें और भट्ठी को हवा से भरें। वायुमंडलीय दबाव में लौटने के बाद, जैसा कि पैनल पर देखा गया है, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को बाहर निकालें।

3. समर्थन हटाना

  1. गर्मी उपचार के बाद, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस में कोई आंतरिक अवशिष्ट तनाव नहीं होता है, इसलिए समर्थन को हटाते समय वर्कपीस की सतह दरार और / या फ्रैक्चर नहीं होगी।
  2. वर्नियर कैलिपर का उपयोग करके समर्थन मोटाई को मापें, कम गति वाले वायर-कटिंग इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज मशीनिंग (ईडीएम) मशीन पर वर्कपीस को ठीक करें, और सुनिश्चित करें कि तांबे का तार सिर्फ समर्थन सतह से संपर्क करता है।
  3. काटने की गहराई को समर्थन मोटाई के बराबर सेट करें। यह अपरिहार्य है कि तार-काटने वाली ईडीएम मशीन द्वारा समर्थन को हटाने से एक एब्लेशन ऑक्साइड परत बन जाएगी। समर्थन को हटाते समय, सुनिश्चित करें कि वर्कपीस की सतह पर जलने को कम करने के लिए वर्कपीस को विआयनीकृत पानी में डुबोया गया है।
  4. समर्थन को हटाते समय एक उचित समर्थन डिजाइन सटीकता सुनिश्चित करता है। यदि अभी भी कुछ समर्थन अवशेष हैं, तो वर्कपीस को सैंडपेपर के साथ पॉलिश करें।

4. अल्ट्रासोनिक सफाई

  1. चूंकि वर्कपीस को समर्थन हटाने के दौरान विआयनीकृत पानी में डुबोया जाता है, इसलिए अन्य अशुद्धियों को हटाने के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले अल्ट्रासोनिक सफाई करें।
  2. छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को विआयनीकृत पानी के साथ अल्ट्रासोनिक सफाई मशीन में डालें, पानी का तापमान 30 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें, और इसे 5 मिनट के लिए साफ करें। 5 मिनट के बाद, वर्कपीस को बाहर निकालें और उच्च दबाव वाली हवा के साथ अवशिष्ट तरल को बाहर निकालें।

5. पहला लक्षण वर्णन

  1. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम): अल्ट्रासोनिक सफाई के बाद और प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले 15 और 20 केवी त्वरित वोल्टेज पर एसईएम के साथ सतहों की छवि बनाएं।
  2. 30x, 100x, और 500x दृश्य फ़ील्ड पर छवियाँ लें। छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस के सामान्य सतह आकृति विज्ञान, कण आसंजन और छिद्र आकार का निरीक्षण करें, और गुणात्मक रूप से प्लाज्मा पॉलिशिंग प्रभाव का मूल्यांकन करें।
  3. कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप: एक कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके सतहों की छवि बनाएं।
  4. वर्कपीस को स्टोरेज प्लेटफॉर्म पर क्षैतिज रूप से रखें। सतह अंकगणितीय औसत खुरदरापन (आरए) पैरामीटर को मापें। ZEN कोर v3.0 और ConfoMap ST 8.0 सॉफ्टवेयर का उपयोग करें।
    1. 2.5x आवर्धन का चयन करें, लाइव मोड के लिए वाइड चुनें, स्वत: तीव्रता क्लिक करें, और फिर समग्र स्थिति का निरीक्षण करने के लिए 5x आवर्धन पर जाएँ. स्वत: तीव्रता क्लिक करें और लाइव मोड को कॉम्प पर सेट करें. रुचि के क्षेत्र का चयन करें, निम्नतम बिंदु पर पहले सेट करें और उच्चतम बिंदु पर अंतिम सेट करें पर क्लिक करें, और फिर अधिग्रहण को सामान्य पर सेट करें।
    2. लगभग 5 मिनट के बाद, परिणामों को ConfoMap ST 8.0 में एक नए दस्तावेज़ में आयात करें। ConfoMap ST में पैरामीटर तालिका में आरए प्राप्त करना आसान है।
  5. पांच गुना दर्पण के साथ वर्कपीस की समग्र स्थिति का निरीक्षण करें, फिर एक उच्च-शक्ति दर्पण पर स्विच करें और एक ट्रैब्युला पर दृष्टि के क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित करें। प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस के आरए का वर्णन करके मात्रात्मक रूप से प्लाज्मा पॉलिशिंग प्रभाव का मूल्यांकन करें।

6. प्लाज्मा पॉलिशिंग

  1. इसके लिए, एनोड20 के रूप में जुड़े इलेक्ट्रोलाइट में वर्कपीस को डुबोने के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक सेल का उपयोग करें। इलेक्ट्रोलाइट के रूप में 4% अमोनियम सल्फेट समाधान [(एनएच 4)2एसओ4], पीएच 5.7-6.1 के बीच उपयोग करें। प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले पॉलिशिंग इलेक्ट्रोलाइट को 80 डिग्री सेल्सियस तक प्रीहीट करें।
  2. पॉलिशिंग करंट को 59 ए, वोल्टेज को 313 वी और पॉलिशिंग इलेक्ट्रोलाइट तापमान को 101.6 डिग्री सेल्सियस (चित्रा 2 ए) पर सेट करें। इन मापदंडों के अनुसार प्लाज्मा पॉलिशिंग का संचालन करें।
  3. छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह को क्षैतिज रूप से पॉलिश करने के लिए रखें और इसे फिक्स्चर पर ठीक करें, और फिर फिक्स्चर को प्लाज्मा पॉलिशिंग मशीन (चित्रा 2 बी) में डालें। 90 सेकंड के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग का संचालन करें, और फिर प्लाज्मा पॉलिशिंग मशीन से फिक्स्चर लें।
  4. चूंकि झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस क्लैंपिंग बिंदु के माध्यम से फिक्स्चर पर तय किया जाता है, इसलिए क्लैंपिंग पॉइंट पॉलिशिंग समाधान के संपर्क में नहीं होता है, और इसी इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया क्लैंपिंग बिंदु पर नहीं होती है। इसलिए, फिक्स्चर निकाले जाने के बाद क्लैंपिंग पॉइंट की स्थिति को थोड़ा बदल दें।
  5. 90 सेकंड के लिए फिर से प्लाज्मा पॉलिशिंग का संचालन करें और प्लाज्मा पॉलिशिंग मशीन से फिक्स्चर लें। छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को फिक्स्चर से हटा दें और फिर इसे विआयनीकृत पानी के साथ अल्ट्रासोनिक सफाई मशीन में डाल दें।
  6. पानी का तापमान 30 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें और 2 मिनट के लिए वर्कपीस को साफ करें। 2 मिनट के बाद, वर्कपीस को बाहर निकालें और उच्च दबाव वाली हवा के साथ अवशिष्ट तरल को बाहर निकालें।

7. दूसरा लक्षण वर्णन

  1. प्लाज्मा पॉलिशिंग के पूरा होने के बाद, एसईएम और कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके सतहों को उसी तरह से चित्रित करें जैसे चरण 5 में। उपरोक्त दो शूटिंग परिणामों की तुलना करके 3 डी प्रिंटिंग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह खुरदरापन और सतह की गुणवत्ता पर प्लाज्मा पॉलिशिंग के प्रभाव का आकलन करें।

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Representative Results

सतह आकृति विज्ञान
चित्रा 3 प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले और बाद में छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह आकृति विज्ञान के एसईएम परिणाम को दर्शाता है। हमने देखा कि 30x और 100x आवर्धन पर, प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह खुरदरी प्रतीत होती है (चित्रा 3 ए, बी)। जब 500x तक बढ़ाया गया, तो हमने पाया कि छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु (चित्रा 3 सी) की सतह पर बड़ी मात्रा में अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतें देखी जा सकती हैं। हालांकि, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह पर अधिकांश अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतों को प्लाज्मा पॉलिशिंग (चित्रा 3 एफ) के बाद हटा दिया गया था। उसी समय, छिद्र आकार और त्रिकोणीय व्यास डिजाइन के अनुरूप थे, जो क्षतिग्रस्त नहीं था (चित्रा 3 डी, ई)। इससे पता चलता है कि प्लाज्मा पॉलिशिंग 3 डी प्रिंटिंग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह की गुणवत्ता में सुधार कर सकती है और मूल डिजाइन छिद्र संरचना को नुकसान नहीं पहुंचाती है।

सतह खुरदरापन माप।
छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस के पूरे और हिस्से को तेजी से रोटरी कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके चित्रित किया गया था, जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है, और सतह खुरदरापन मापा गया था। सतह खुरदरापन अधिक है, चाहे वह छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की पूरी सतह हो या प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले एक छिद्रपूर्ण संरचना बनाने वाली एक छोटी बीम हो (चित्रा 4 ए, बी)। छिद्रपूर्ण संरचना की सतह खुरदरापन काफी कम हो जाता है; समग्र सतह का आरए 56.28 μm (चित्रा 4 C) है, जबकि छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस के हिस्से का Ra 26.65 μm (चित्रा 4 D) है।

Figure 1
चित्र 1: एसएलएम धातु 3 डी मुद्रण। एसएलएम प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग किया जाता है और 23 टीआई -6 एएल -4 वी पाउडर को छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस तैयार करने के लिए वर्गीकृत किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: प्लाज्मा पॉलिशिंग मशीन और पॉलिशिंग फिक्स्चर। (ए) प्लाज्मा पॉलिशिंग मशीन सेटिंग पैरामीटर: पॉलिशिंग करंट को 59 ए के रूप में सेट किया जाता है, वोल्टेज को 313 वी के रूप में सेट किया जाता है, और पॉलिशिंग इलेक्ट्रोलाइट तापमान को 101.6 डिग्री सेल्सियस के रूप में सेट किया जाता है। (बी) पॉलिशिंग फिक्स्चर। पॉलिश किए जाने वाले छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह को क्षैतिज रूप से रखा जाता है और फिक्स्चर पर तय किया जाता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि फिक्स्चर पॉलिशिंग इलेक्ट्रोलाइट में डूबा हुआ है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: एसईएम का उपयोग करके 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की छवियां। प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले, (ए) 30x पर, पूरी छिद्रपूर्ण संरचना देखी जा सकती है। (बी) 100x पर, छिद्र संरचना देखी जा सकती है। प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की सतह खुरदरी प्रतीत होती है। (सी) 500x पर, त्रिकोणीय संरचना की सतह पर बड़ी मात्रा में अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतें देखी जा सकती हैं। प्लाज्मा पॉलिशिंग के बाद, (डी) 30x पर, पूरी छिद्रपूर्ण संरचना देखी जा सकती है। (E) 100x पर, छिद्र संरचना देखी जा सकती है। छिद्र आकार और त्रिकोणीय व्यास डिजाइन के अनुरूप थे, जो क्षतिग्रस्त नहीं हुआ था। (एफ) 500x पर, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह पर अधिकांश अर्ध-पिघला हुआ पाउडर और एब्लेटिव ऑक्साइड परतों को हटा दिया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: एक कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस की छवियां। छवि छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह आकृति विज्ञान को दिखाती है, जिसमें समन्वय अक्ष लंबाई का प्रतिनिधित्व करता है। प्लाज्मा पॉलिशिंग के बाद, छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह एक चमकदार धातु उपस्थिति प्रदर्शित करती है। (A) प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले पूरे छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को चित्रित किया गया था, Ra = 126.9 μm. (B) छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस का एक हिस्सा प्लाज्मा पॉलिशिंग से पहले चित्रित किया गया था, Ra = 42.61 μm. (C) प्लाज्मा पॉलिशिंग के बाद पूरे छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को चित्रित किया गया था, Ra = 56.28 μm. प्लाज्मा पॉलिशिंग द्वारा समग्र सतह खुरदरापन को कम किया जा सकता है। (डी) छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस का एक हिस्सा प्लाज्मा पॉलिशिंग के बाद चित्रित किया गया था, आरए = 26.65 μm। प्लाज्मा पॉलिशिंग द्वारा ट्रेब्युलर संरचना की सतह खुरदरापन को कम किया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

भूत द्रव्यमान(%)
टाइटेनियम तराजू
एल्युमिनियम 5.50 से 6.50
वैनेडियम 3.50 से 4.50
लोहा < 0.25
आक्सीजन < 0.13
कार्बन < 0.08
नाइट्रोजन < 0.05
हाइड्रोजन < 0.012
शेष < 0.10 प्रत्येक, 0.40 कुल

तालिका 1: टीआई -6 एएल -4 वी मिश्र धातु पाउडर की रासायनिक संरचना।

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Discussion

सतह खुरदरापन का उपयोग एक छोटी रिक्ति सीमा के भीतर वर्कपीस सतहों पर सूक्ष्म ज्यामितीय आकृतियों की लहर और असमानता की मात्रा का वर्णन करने के लिए किया जाता है। पिछले कई अध्ययनों ने बताया है कि विभिन्न प्रक्रियाओं का उपयोग करके धातु की सतहों को कैसे पॉलिश किया जाए, जैसे कि यांत्रिक पॉलिशिंग, रासायनिक पॉलिशिंग, इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंग, और अधिक 22,33,34,35। यद्यपि कई अध्ययनों ने इन पारंपरिक यांत्रिक पॉलिशिंग तकनीकों के आधार पर संभावित पॉलिशिंग प्रभाव दिखाए हैं, सतह खुरदरापन को कम करने के लिए 3 डी प्रिंटिंग झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु के लिए पॉलिशिंग विधि महत्वपूर्ण है। प्लाज्मा पॉलिशिंग प्रदूषण के बिना जटिल आकार के साथ वर्कपीस को कुशलतापूर्वक पॉलिश कर सकती है। इसलिए, सतह खुरदरापन 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह की गुणवत्ता को माप सकता है। धात्विक आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह खुरदरापन न केवल प्रत्यारोपण-हड्डी की बातचीत को अनुकूलित कर सकता है, बल्कि एक साथ प्रत्यारोपण-बैक्टीरियाइंटरैक्शन को कम कर सकता है। धात्विक सेलुलर मचान कोशिकाओं और रक्त वाहिकाओं को बढ़ने के लिए एक जगह प्रदान कर सकते हैं, जबकि ओस्टियोब्लास्ट खुरदरी सतहों को पसंद करतेहैं। इस प्रयोग में, प्लाज्मा पॉलिशिंग के बाद 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह खुरदरापन 26.65 μm पर बनाए रखा जाता है, जो कोशिकाओं और रक्त वाहिकाओं के विकास को बढ़ावा देने की बुनियादी आवश्यकताओं को पूरा करता है।

गर्मी उपचार से पहले अल्ट्रासोनिक सफाई करना आवश्यक है, ताकि छिद्रपूर्ण संरचना को पिघला हुआ टाइटेनियम पाउडर द्वारा अवरुद्ध होने से रोका जा सके। झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को सफाई के लिए 15 मिनट के लिए विआयनीकृत पानी के साथ अल्ट्रासोनिक मशीन में डाल दिया जाता है। अवशिष्ट टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर को सफाई के बाद उच्च दबाव वाली हवा के साथ उड़ा दिया जाता है, और अल्ट्रासोनिक सफाई और अवशिष्ट पाउडर को उड़ाने को तीन बार दोहराया जाता है। दूसरे शब्दों में, अवशिष्ट टाइटेनियम मिश्र धातु पाउडर को हटाने के लिए अल्ट्रासोनिक सफाई के 1 घंटे और उच्च दबाव वाली हवा के चार उदाहरण किए जाते हैं।

प्लाज्मा पॉलिशिंग के दौरान, वर्कपीस को धीरे-धीरे फिक्स्चर पर तय किया जाना चाहिए ताकि छिद्रपूर्ण संरचना के ट्रैबेकुला को नुकसान से बचाया जा सके, क्योंकि फ्राइकेंट पॉलिशिंग के बाद पॉलिशिंग फिक्स्चर का थोड़ा सा तेज हो जाता है। फिक्स्चर को प्लाज्मा पॉलिशिंग मशीन से बाहर निकाला जाता है, क्लैंपिंग पॉइंट की स्थिति को 90 सेकंड के लिए पॉलिश करने के बाद थोड़ा बदल दिया जाता है, और फिर शेष 90 सेकंड के लिए प्लाज्मा पॉलिशिंग आयोजित की जाती है। यदि क्लैंपिंग बिंदु की स्थिति को बदले बिना प्लाज्मा पॉलिशिंग एक समय में 180 सेकंड तक चलती है, तो क्लैंपिंग बिंदु के चारों ओर पॉलिशिंग सफल होगी, लेकिन छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु के फिक्स्चर द्वारा कवर किया गया क्लैंपिंग बिंदु एक बिना पॉलिश की सतह स्थिति पेश करेगा।

हालांकि, इस पॉलिशिंग तकनीक की कुछ सीमाएं भी हैं, जैसे कि उच्च ऊर्जा की खपत। स्नान आकार सीमा के कारण, प्लाज्मा पॉलिशिंग उपकरण बड़े भागों को संसाधित नहीं कर सकते हैं। इस तकनीक का आगे भी अध्ययन किया जा सकता है। प्रयोग के लिए आवश्यक समय और व्यय को कम करते हुए अनुमानित वर्कपीस सुधार प्राप्त करने के इरादे से, इष्टतम प्रक्रिया पैरामीटर मूल्यों की सटीक भविष्यवाणी करने के लिए अधिक मॉडलिंग और सिमुलेशन अध्ययनों का उपयोग करने की सिफारिश की जाती है। हम छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस22 के प्लाज्मा पॉलिशिंग के लिए इष्टतम मापदंडों को निर्धारित करने के लिए आगे के अध्ययन कर सकते हैं।

सूक्ष्म दृष्टिकोण से, प्लाज्मा पॉलिशिंग एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें धातु की सतह को गर्मी से पिघलाया जाता है जो उच्च गति इलेक्ट्रॉन प्रभाव से उत्पन्न होता है। यह हरे रंग के विनिर्माण और सटीक मशीनिंग के क्षेत्र में एक नई विकास प्रवृत्ति है और 3 डी मुद्रित छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु के लिए बहुत उपयुक्त है। अंत में, 3 डी प्रिंटिंग छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु वर्कपीस को चमकाने के लिए यह प्रोटोकॉल सतह खुरदरापन को कम करने और सतह की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए एक नया विकल्प होगा।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

मैं इस प्रयोग के लिए समर्थन की स्थिति और मार्गदर्शन प्रदान करने के लिए अपने पर्यवेक्षक, वेनहुआ हुआंग को धन्यवाद देना चाहता हूं। इस शोध को गुआंग्डोंग मेडिकल यूनिवर्सिटी (4एसजी 22260 जी), गुआंग्डोंग उच्च शिक्षा संस्थानों की युवा अभिनव प्रतिभा परियोजना (2021 केक्यूएनसीएक्स 023), चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (82205301), और फुटियन हेल्थकेयर रिसर्च प्रोजेक्ट (FTWS2022051) की अनुशासन निर्माण परियोजना द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

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

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3 डी प्रिंटिंग के लिए झरझरा टाइटेनियम मिश्र धातु की सतह खुरदरापन को कम करने के लिए एक नए पॉलिशिंग विकल्प के रूप में प्लाज्मा पॉलिशिंग
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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).

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