ما هو دور التلميع الكيميائي في طباعة المعادن ثلاثية الأبعاد؟

أول, الفكرة الرئيسية وراء التلميع الكيميائي هي إذابة السطح وإعادة بنائه بشكل انتقائي.
يؤدي تفاعل اختزال الأكسدة- بين الكواشف الكيميائية (مثل المحاليل الحمضية أو القلوية) والسطح المعدني إلى ذوبان الطبقة السطحية بطريقة منظمة أثناء التلميع الكيميائي. أجزائه الرئيسية هي:
النتوءات المجهرية تذوب بسهولة أكبر: عندما يكون السطح غير مستوٍ (كما هو الحال عند وجود علامات تداخل حوض اللحام أو وجود جزيئات مسحوق غير منصهرة)، تحدث ظاهرة "النتوء التفضيلي" بسبب وجود مساحة مكشوفة أكبر ومعدل تفاعل كيميائي أسرع.
التسوية عن طريق التوتر السطحي: عندما تذوب أيونات المعادن فإنها تتجه نحو الأماكن المقعرة بسبب التوتر السطحي. وهذا يخلق سطحًا أملسًا ومتساويًا بمجرد أن يتصلب. على سبيل المثال، يمكن للتلميع الكيميائي أن يقلل من خشونة السطح (Ra) لسبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد من 6-12 ميكرومتر إلى 0.2-1 ميكرومتر، وهو ما يقع ضمن معايير التوافق الحيوي اللازمة للغرسات الطبية.
إزالة طبقة الصدع: يمكن للتلميع الكيميائي أن يزيل بدقة جزيئات المسحوق غير الذائبة الملتصقة بالسطح (بسمك 70 ميكرومتر تقريبًا)، مما يمنع الضرر تحت السطح الذي يمكن أن يحدث مع التلميع الميكانيكي القياسي. ابتكر باحثون سنغافوريون طريقة جديدة لتلميع الفولاذ المقاوم للصدأ 316L الذي يستخدم نبضات الجهد العالي- والتلميع الكهروكيميائي التقليدي لجعل السطح أقل خشونة. تحافظ الطريقة الجديدة على خصائص امتصاص الطاقة- للبنية الشبكية الأصلية.
2، الغرض الرئيسي من التلميع الكيميائي هو تحسين السطح وجعله أكثر فائدة.
1. تحسين جودة السطح: تجاوز الحدود الهندسية وصقل الهياكل المعقدة
عندما يتعلق الأمر بالتلميع، قد يكون من الصعب التعامل مع الأشكال الهندسية المعقدة للطباعة ثلاثية الأبعاد، مثل الشبكات والقنوات الداخلية والهياكل المسامية. يعد التلميع الكيميائي، الذي لا يتطلب تلامسًا، أفضل طريقة للتعامل مع هذه الأنواع من الهياكل:
تلميع القنوات الداخلية: يمكن أن تدخل الكواشف الكيميائية في قنوات داخلية يبلغ عرضها بضعة ميكرومترات فقط للتخلص من النتوءات الناتجة عن تداخل حوض الذوبان. على سبيل المثال، بعد التلميع الكيميائي، فإن قناة التدفق الداخلية لفوهة الوقود في محرك الطائرة تقلل من مقاومة التدفق بنسبة 15% وتجعل المحرك يستخدم وقودًا أقل.
تحسين البنية المسامية: يمكن للتلميع الكيميائي التخلص من الطبقات الكروية السائبة الموجودة على سطح مسام الغرسات الطبية مثل أكواب الورك وأجهزة الدمج بين الأجسام. وهذا يجعل من السهل على الخلايا العظمية أن تلتصق بالزرعات. تشير الدراسات إلى أن خشونة سطح سبائك التيتانيوم المسامية المصقولة تقل بنسبة 90%، في حين يتم تعزيز معدل تكامل العظام بنسبة 40%.
قد يعمل التلميع الكيميائي على أي شكل من أشكال الأجزاء، وبالتالي يمكن أن يعمل على الأسطح ذات الأشكال الحرة أيضًا. على سبيل المثال، أدى التلميع الكيميائي إلى جعل السطح الديناميكي الهوائي المعقد لشفرات التوربينات المطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر سلاسة بمقدار 10 ميكرومتر إلى 1 ميكرومتر وعزز أدائها الديناميكي الهوائي بنسبة 8%.
2. تحسين الأداء الميكانيكي: التخلص من العيوب وزيادة عمر التعب
تبدأ شقوق التعب في الأجسام المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بعيوب سطحية. يعمل التلميع الكيميائي على تحسين الخصائص الميكانيكية بالطرق التالية:
تقليل الإجهاد المتبقي: يمكن للتلميع الكيميائي أن يقلل جزئيًا من الإجهاد المتبقي الناتج عن الطباعة عن طريق إذابة مناطق صغيرة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التلميع الكيميائي إلى إطالة عمر الكلال المنخفض للدورة لسبائك النيكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد - ذات درجة الحرارة العالية- من 5000 دورة إلى 12000 دورة.
القضاء على سبب الشقوق: العلامات المتداخلة لجزيئات المسحوق غير الذائبة والمسبح المنصهر هي أماكن شائعة تبدأ فيها الشقوق. يمكن للتلميع الكيميائي إصلاح هذه المشكلات ورفع عتبة نمو تشققات التعب بنسبة 30%.
تكثيف السطح: تصبح الطبقة السطحية أكثر كثافة بعد الصقل الكيميائي بسبب عملية الذوبان ثم التصلب مرة أخرى. على سبيل المثال، بعد التلميع الكيميائي، تنخفض مسامية -سبائك الكروم والكوبالت المطبوعة ثلاثية الأبعاد من 0.8% إلى 0.02%، وتزداد مقاومتها للتآكل بمقدار خمس مرات.
3. تحسين التوافق الحيوي: يفي بالمعايير الطبية الصارمة
يجب أن تتمتع الغرسات الطبية بسطح أملس جدًا وأن تكون متوافقة حيويًا. يخدم التلميع الكيميائي احتياجات المجال الطبي بالطرق التالية:
يمكن أن تصبح الأسطح الخشنة أماكن لاختباء البكتيريا، لذا تأكد من إبقائها نظيفة. يمكن للتلميع الكيميائي أن يجعل الأسطح أكثر نعومة حتى مستوى أقل من-الميكرون، مما يقلل بشكل كبير من خطر الإصابة بالعدوى. بعد التلميع الكيميائي، انخفض ارتباط المكورات العنقودية الذهبية بزراعة الركبة المصنوعة من سبائك التيتانيوم - المطبوعة ثلاثية الأبعاد بنسبة 90%، على سبيل المثال.
التحكم في إطلاق الأيونات: عندما تقوم بتلميع أي شيء ميكانيكيًا، يمكن أن تضيف ملوثات تسبب إطلاق الكثير من الأيونات الخطيرة (مثل أيونات النيكل). يقوم التلميع الكيميائي بتنظيف السطح باستخدام التفاعلات الكيميائية فقط، مما يضمن أن إطلاق الأيونات يلبي متطلبات التوافق الحيوي ISO 10993.
تعزيز تجديد الأنسجة: يمكن للأسطح الملساء أن تساعد الخلايا على الالتصاق ببعضها البعض وتقليل التفاعلات المناعية. تشير الدراسات إلى أن معدل نمو الخلايا العظمية على سطح سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة ثلاثية الأبعاد المصقولة كيميائيًا قد تضاعف.
3، استخدامات التلميع الكيميائي في الصناعة: من اختبار النماذج الأولية إلى تصنيع المنتجات النهائية
1. الفضاء الجوي: جعل الأشياء أكثر موثوقية في الظروف القاسية
يجب أن تكون شفرات محركات الطائرات وغرف الاحتراق والأجزاء الأخرى قادرة على التعامل مع درجات الحرارة القصوى والضغوط وظروف التآكل. التلميع الكيميائي يجعل الأجزاء تدوم لفترة أطول من خلال تحسين حالة السطح.
شفرات التوربينات: يمكن أن يؤدي التلميع الكيميائي إلى التخلص من العلامات التي يتركها المجمع المنصهر على سطح الشفرات ويبطئ عملية الأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة. بعد التلميع الكيميائي، يمكن للشفرات التوربينية لمحرك LEAP الخاص بشركة GE Aviation، على سبيل المثال، التعامل مع درجات حرارة أعلى بمقدار 50 درجة وتستمر لفترة أطول بنسبة 20%.
يمكن للتلميع الكيميائي التخلص من الشقوق الصغيرة الموجودة داخل بطانة غرفة الاحتراق، مما يجعلها أكثر قدرة على التعامل مع الضغط الحراري. أظهر اختبار التدوير الحراري بمقدار 1000 درجة أن معدل انتشار التشققات في بطانات سبائك النيكل المصقولة-يقل بنسبة 60%.
2. الغرسات الطبية: مما يجعلها فريدة ومفيدة
يعد التلميع الكيميائي الجزء الأكثر أهمية في مرحلة ما بعد المعالجة- للطباعة الطبية ثلاثية الأبعاد. وهو يدعم العملية برمتها، بدءًا من تخصيص التصميمات وحتى تشغيلها:
يتم تصنيع غرسات العظام، مثل أكواب الورك وأجهزة الدمج بين الأجسام، لتناسب جسم المريض وتحتاج إلى تلميع كيميائي للحصول على التوازن الصحيح بين النعومة والأداء التكاملي للعظام. على سبيل المثال، يتمتع جهاز DePuy Synthes من جونسون آند جونسون المطبوع ثلاثي الأبعاد لدمج سبائك التيتانيوم بين الأجسام بخشونة سطحية تبلغ 0.8 ميكرومتر بعد التلميع الكيميائي ومعدل نجاح سريري يزيد عن 95%.
دعامة القلب والأوعية الدموية: يمكن للتلميع الكيميائي التخلص من النتوءات الموجودة على سطح الدعامة وتقليل فرصة الإصابة بتجلط الدم. بعد التلميع الكيميائي، انخفضت خشونة سطح الدعامات المصنوعة من سبائك النيكل والتيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد من 5 ميكرومتر إلى 0.5 ميكرومتر، وارتفع معدل البطانة بنسبة 30%.
3. المعدات الصناعية: خفض تكاليف الصيانة وجعل الأمور تعمل بشكل أفضل
يعمل التلميع الكيميائي على تحسين حالة الأسطح، مما يقلل من الاحتكاك واستخدام الطاقة في المعدات الصناعية.
صنع القوالب: بعد التلميع الكيميائي، تتراوح خشونة السطح لقوالب الحقن المطبوعة ثلاثية الأبعاد من 8 ميكرومتر إلى 0.5 ميكرومتر، وتنخفض القوة اللازمة لإزالة القالب بنسبة 40%، ويدوم القالب ثلاث مرات أطول.
يمكن للتلميع الكيميائي التخلص من النتوءات الموجودة في قناة التدفق لجسم الصمام وتسهيل تدفق السوائل من خلالها. على سبيل المثال، بعد التلميع الكيميائي، يعمل جسم الصمام الهيدروليكي المطبوع ثلاثي الأبعاد من Caterpillar على تقليل فقدان الضغط بنسبة 15% وتعزيز كفاءة النظام بنسبة 8%.