Qual é o papel do polimento químico na impressão 3D de metal?

一, A ideia principal por trás do polimento químico é dissolver e reconstruir seletivamente a superfície.
A interação de oxidação-redução entre reagentes químicos (como soluções ácidas ou alcalinas) e a superfície do metal faz com que a camada superficial se dissolva de maneira regulada durante o polimento químico. Suas principais partes são:
As saliências microscópicas se dissolvem mais facilmente: quando a superfície é irregular (como quando há marcas de sobreposição da poça de fusão ou partículas de pó não derretidas), o fenômeno de "protrusão se dissolve preferencialmente" ocorre porque há mais área exposta e uma taxa de reação química mais rápida.
Nivelamento via tensão superficial: Quando os íons metálicos se dissolvem, eles vão para locais côncavos por causa da tensão superficial. Isso cria uma superfície lisa e uniforme quando endurece. Por exemplo, o polimento químico pode reduzir a rugosidade superficial (Ra) da liga de titânio impressa em 3D de 6–12 μm para 0,2–1 μm, o que está dentro dos critérios de biocompatibilidade necessários para implantes médicos.
Remoção da camada de falha: O polimento químico pode remover com precisão partículas de pó não derretidas que estão presas à superfície (aproximadamente 70 μm de espessura), o que evita danos subterrâneos que podem ocorrer com o polimento mecânico padrão. Pesquisadores de Cingapura criaram uma nova maneira de polir o aço inoxidável 316L que usa pulsos de alta-tensão e polimento eletroquímico tradicional para tornar a superfície menos áspera. O novo método mantém as propriedades de absorção-de energia da estrutura de rede original.
2, O objetivo principal do polimento químico é melhorar a superfície e torná-la mais útil.
1. Melhorar a qualidade da superfície: contornar limites geométricos e polir estruturas complexas
Quando se trata de polimento, as complicadas formas geométricas da impressão 3D de metal, como treliças, canais internos e estruturas porosas, podem ser difíceis de trabalhar. O polimento químico, que dispensa contato, é hoje a melhor forma de lidar com este tipo de estrutura:
Polimento de canais internos: Os reagentes químicos podem entrar em canais internos com apenas alguns micrômetros de largura para eliminar rebarbas criadas pela sobreposição da poça de fusão. Por exemplo, após o polimento químico, o canal de fluxo interno do bocal de combustível num motor de avião reduz a resistência ao fluxo em 15% e faz com que o motor utilize menos combustível.
Otimizando a estrutura porosa: O polimento químico pode eliminar camadas esféricas soltas na superfície dos poros de implantes médicos, como copos de quadril e dispositivos de fusão intercorporais. Isso torna mais fácil para as células ósseas aderirem aos implantes. Estudos indicam que a rugosidade superficial da liga de titânio porosa polida diminui em 90%, enquanto a taxa de integração óssea aumenta em 40%.
O polimento químico pode funcionar em qualquer formato de peça, portanto também pode funcionar em superfícies-de formato livre. Por exemplo, o polimento químico tornou a complicada superfície aerodinâmica das pás da turbina impressas em 3D mais lisa em 10 μm a 1 μm e aumentou seu desempenho aerodinâmico em 8%.
2. Melhorar o desempenho mecânico: livrar-se de falhas e aumentar a vida útil da fadiga
Rachaduras por fadiga em objetos metálicos impressos em 3D começam com falhas superficiais. O polimento químico melhora as características mecânicas das seguintes maneiras:
redução da tensão residual: O polimento químico pode reduzir parcialmente a tensão residual causada pela impressão, dissolvendo pequenas regiões. Por exemplo, o polimento químico pode estender a vida útil de fadiga de baixo ciclo de ligas de alta temperatura-à base de níquel impressas em 3D-de 5.000 ciclos para 12.000 ciclos.
Eliminando a causa das rachaduras: As marcas sobrepostas de partículas de pó não derretidas e da poça derretida são locais comuns onde as rachaduras começam. O polimento químico pode resolver esses problemas e aumentar o limite de crescimento de trincas por fadiga em 30%.
Densificação da superfície: A camada superficial torna-se mais densa após o polimento químico devido ao processo de dissolução e solidificação novamente. Por exemplo, após o polimento químico, a porosidade de uma liga de cromo-cobalto impressa-em 3D cai de 0,8% para 0,02%, e sua resistência à corrosão aumenta cinco vezes.
3. Otimização da biocompatibilidade: cumpre padrões médicos rigorosos
Os implantes médicos precisam ter uma superfície muito lisa e ser biocompatíveis. O polimento químico atende às necessidades da área médica das seguintes maneiras:
Superfícies ásperas podem facilmente se tornar esconderijos de bactérias, portanto, certifique-se de mantê-las limpas. O polimento químico pode tornar as superfícies mais lisas até o nível sub{1}}mícron, o que reduz bastante o risco de infecção. Após o polimento químico, a fixação de Staphylococcus aureus em implantes de joelho feitos de liga de titânio-impressa em 3D diminuiu 90%, por exemplo.
Controle a liberação de íons: Quando você lustra qualquer coisa mecanicamente, pode adicionar contaminantes que fazem com que íons perigosos (como íons de níquel) sejam liberados em excesso. O polimento químico limpa a superfície usando apenas reações químicas, o que garante que a liberação de íons atenda ao requisito de biocompatibilidade ISO 10993.
Promover a regeneração dos tecidos: Superfícies lisas podem ajudar as células a se unirem e diminuir as reações imunológicas. Estudos indicam que a taxa de crescimento de osteoblastos na superfície da liga porosa de titânio impressa em 3D quimicamente polida é duplicada.
3, Usos do polimento químico na indústria: desde o teste de protótipos até a fabricação de produtos finais
1. Aeroespacial: Tornando as coisas mais confiáveis ​​em condições adversas
As pás dos motores de aeronaves, as câmaras de combustão e outras peças devem ser capazes de suportar temperaturas, pressões e condições corrosivas extremas. O polimento químico faz com que as peças durem mais, melhorando a condição da superfície.
Pás da turbina: o polimento químico pode eliminar as marcas deixadas pela poça de fusão na superfície das pás e retardar o processo de oxidação em alta-temperatura. Após o polimento químico, as pás da turbina do motor LEAP da GE Aviation, por exemplo, podem suportar temperaturas 50 graus mais altas e durar 20% mais.
O polimento químico pode eliminar microfissuras no interior do revestimento da câmara de combustão, o que o torna mais capaz de lidar com o estresse térmico. Um teste de ciclagem térmica de 1.000 graus mostrou que a taxa de propagação de trincas nos revestimentos de liga à base de níquel-polido é 60% menor.
2. Implantes médicos: tornando-os únicos e úteis
O polimento químico é a parte mais importante do pós{1}}processamento da impressão 3D médica. Ele dá suporte a todo o processo, desde a personalização dos designs até sua execução:
Os implantes ortopédicos, como copos de quadril e dispositivos de fusão intersomática, são feitos para se ajustarem ao corpo do paciente e precisam de polimento químico para obter o equilíbrio certo entre suavidade e desempenho de integração óssea. O dispositivo de fusão intercorporal de liga de titânio impresso em 3D DePuy Synthes da Johnson&Johnson, por exemplo, tem uma rugosidade superficial de 0,8 μm após o polimento químico e uma taxa de sucesso clínico de mais de 95%.
Stent cardiovascular: O polimento químico pode eliminar rebarbas na superfície do stent e diminuir a chance de trombose. Após o polimento químico, a rugosidade da superfície do stent de liga de níquel-titânio impresso em 3D da Boston Scientific caiu de 5 μm para 0,5 μm, e a taxa de endotelização aumentou 30%.
3. Equipamentos industriais: reduza os custos de manutenção e faça as coisas funcionarem melhor
O polimento químico melhora o estado das superfícies, o que diminui o atrito e o consumo de energia dos equipamentos industriais.
Fabricação de moldes: Após o polimento químico, a rugosidade da superfície dos moldes de injeção impressos em 3D passa de 8 μm para 0,5 μm, a força necessária para remover o molde diminui 40% e o molde dura três vezes mais.
O polimento químico pode eliminar rebarbas no canal de fluxo do corpo da válvula e facilitar o fluxo de fluidos. Por exemplo, após o polimento químico, o corpo da válvula hidráulica-impresso em 3D da Caterpillar reduz a perda de pressão em 15% e aumenta a eficiência do sistema em 8%.