¿Cuál es el papel del pulido químico en la impresión 3D de metales?

一, La idea principal detrás del pulido químico es disolver y reconstruir selectivamente la superficie.
La interacción de oxidación-reducción entre reactivos químicos (como soluciones ácidas o alcalinas) y la superficie del metal hace que la capa superficial se disuelva de forma regulada durante el pulido químico. Sus partes principales son:
Las protuberancias microscópicas se disuelven más fácilmente: cuando la superficie es desigual (como cuando hay marcas de superposición del baño de soldadura o partículas de polvo sin derretir), el fenómeno de "la protrusión se disuelve preferentemente" ocurre porque hay más área expuesta y una velocidad de reacción química más rápida.
Nivelación mediante tensión superficial: cuando los iones metálicos se disuelven, van hacia lugares cóncavos debido a la tensión superficial. Esto crea una superficie lisa y uniforme una vez que se endurece. Por ejemplo, el pulido químico puede reducir la rugosidad de la superficie (Ra) de la aleación de titanio impresa en 3D de 6 a 12 μm a 0,2 a 1 μm, lo que está dentro de los criterios de biocompatibilidad necesarios para los implantes médicos.
Eliminación de la capa defectuosa: el pulido químico puede eliminar con precisión las partículas de polvo no derretidas que están adheridas a la superficie (aproximadamente 70 μm de espesor), lo que evita daños en el subsuelo que pueden ocurrir con el pulido mecánico estándar. Investigadores de Singapur han creado una nueva forma de pulir acero inoxidable 316L que utiliza pulsos de alto-voltaje y pulido electroquímico tradicional para hacer la superficie menos rugosa. El nuevo método mantiene las propiedades de absorción de energía-de la estructura reticular original.
2. El objetivo principal del pulido químico es mejorar la superficie y hacerla más útil.
1. Mejorar la calidad de la superficie: sorteando límites geométricos y puliendo estructuras complejas
Cuando se trata de pulir, puede resultar difícil trabajar con las complicadas formas geométricas de la impresión 3D de metal, como celosías, canales internos y estructuras porosas. El pulido químico, que no requiere contacto, es ahora la mejor forma de tratar este tipo de estructuras:
Pulido de canales internos: Los reactivos químicos pueden ingresar a canales internos que tienen solo unos pocos micrómetros de ancho para eliminar las rebabas creadas por la superposición del baño de fusión. Por ejemplo, después del pulido químico, el canal de flujo interno de la boquilla de combustible de un motor de avión reduce la resistencia al flujo en un 15% y hace que el motor utilice menos combustible.
Optimización de la estructura porosa: el pulido químico puede eliminar las capas esféricas sueltas en la superficie de los poros de los implantes médicos, como las copas de cadera y los dispositivos de fusión intersomática. Esto facilita que las células óseas se adhieran a los implantes. Los estudios indican que la rugosidad de la superficie de la aleación de titanio porosa pulida disminuye en un 90%, mientras que la tasa de integración ósea aumenta en un 40%.
El pulido químico puede funcionar en piezas de cualquier forma, por lo que también puede funcionar en superficies de forma libre-. Por ejemplo, el pulido químico hizo que la complicada superficie aerodinámica de las palas de turbina impresas en 3D fuera más suave entre 10 μm y 1 μm y aumentó su rendimiento aerodinámico en un 8%.
2. Mejorar el rendimiento mecánico: eliminar defectos y prolongar la vida útil de la fatiga
Las grietas por fatiga en objetos metálicos impresos en 3D comienzan con defectos en la superficie. El pulido químico mejora las características mecánicas de las siguientes maneras:
Reducir la tensión residual: el pulido químico puede reducir parcialmente la tensión residual causada por la impresión al disolver regiones diminutas. Por ejemplo, el pulido químico puede extender la vida útil de fatiga de ciclos bajos de las aleaciones de alta temperatura-a base de níquel impresas en 3D de 5000 ciclos a 12000 ciclos.
Eliminación de la causa de las grietas: las marcas superpuestas de las partículas de polvo sin derretir y el charco fundido son lugares comunes donde comienzan las grietas. El pulido químico puede solucionar estos problemas y elevar el umbral de crecimiento de grietas por fatiga en un 30%.
Densificación de la superficie: la capa superficial se vuelve más densa después del pulido químico debido al proceso de disolución y luego solidificación nuevamente. Por ejemplo, después del pulido químico, la porosidad de una aleación de cromo cobalto impresa en 3D- cae del 0,8 % al 0,02 % y su resistencia a la corrosión aumenta cinco veces.
3. Optimización de la biocompatibilidad: cumple con estrictos estándares médicos
Los implantes médicos deben tener una superficie muy lisa y ser biocompatibles. El pulido químico satisface las necesidades del campo médico de las siguientes maneras:
Las superficies rugosas pueden convertirse fácilmente en escondites para las bacterias, así que asegúrese de mantenerlas limpias. El pulido químico puede suavizar las superficies hasta un nivel sub-micrónico, lo que reduce en gran medida el riesgo de infección. Después del pulido químico, la adhesión de Staphylococcus aureus a implantes de rodilla hechos de aleación de titanio impresa en 3D-disminuyó en un 90%, por ejemplo.
Controle la liberación de iones: cuando pule algo mecánicamente, puede agregar contaminantes que causan la liberación excesiva de iones peligrosos (como iones de níquel). El pulido químico limpia la superficie utilizando únicamente reacciones químicas, lo que garantiza que la liberación de iones cumpla con el requisito de biocompatibilidad ISO 10993.
Promoción de la regeneración de tejidos: las superficies lisas pueden ayudar a que las células se peguen y reduzcan las reacciones inmunológicas. Los estudios indican que la tasa de crecimiento de los osteoblastos en la superficie de una aleación de titanio porosa impresa en 3D pulida químicamente se duplica.
3, Usos del pulido químico en la industria: desde probar prototipos hasta fabricar productos finales
1. Aeroespacial: hacer las cosas más confiables en condiciones difíciles
Las palas de los motores de aeronaves, las cámaras de combustión y otras piezas deben poder soportar temperaturas, presiones y condiciones corrosivas extremas. El pulido químico hace que las piezas duren más al mejorar el estado de la superficie.
Palas de turbina: el pulido químico puede eliminar las marcas dejadas por el charco fundido en la superficie de las palas y ralentizar el proceso de oxidación a alta-temperatura. Después del pulido químico, las palas de la turbina del motor LEAP de GE Aviation, por ejemplo, pueden soportar temperaturas 50 grados más altas y durar un 20% más.
El pulido químico puede eliminar las microgrietas en el interior del revestimiento de la cámara de combustión, lo que lo hace más capaz de soportar el estrés térmico. Una prueba de ciclo térmico de 1000 grados demostró que la tasa de propagación de grietas de los revestimientos de aleación a base de níquel-pulido es un 60% menor.
2. Implantes médicos: haciéndolos únicos y útiles
El pulido químico es la parte más importante del pos-procesamiento de la impresión médica 3D. Soporta todo el proceso, desde personalizar los diseños hasta hacerlos funcionar:
Los implantes ortopédicos, como las copas de cadera y los dispositivos de fusión intersomática, están hechos para adaptarse al cuerpo del paciente y necesitan un pulido químico para lograr el equilibrio adecuado entre suavidad y rendimiento de integración ósea. El dispositivo de fusión intersomática de aleación de titanio impreso en 3D DePuy Synthes de Johnson&Johnson, por ejemplo, tiene una rugosidad superficial de 0,8 μm después del pulido químico y una tasa de éxito clínico de más del 95%.
Stent cardiovascular: el pulido químico puede eliminar las rebabas de la superficie del stent y reducir la posibilidad de trombosis. Después del pulido químico, la rugosidad de la superficie del stent de aleación de níquel-titanio impreso en 3D de Boston Scientific disminuyó de 5 μm a 0,5 μm, y la tasa de endotelización aumentó en un 30%.
3. Equipos industriales: reducir los costes de mantenimiento y hacer que todo funcione mejor
El pulido químico mejora el estado de las superficies, lo que reduce la fricción y el uso de energía de los equipos industriales.
Fabricación de moldes: después del pulido químico, la rugosidad de la superficie de los moldes de inyección impresos en 3D pasa de 8 μm a 0,5 μm, la fuerza necesaria para retirar el molde disminuye en un 40% y el molde dura tres veces más.
El pulido químico puede eliminar las rebabas en el canal de flujo del cuerpo de la válvula y facilitar el flujo de los fluidos. Por ejemplo, después del pulido químico, el cuerpo de válvula hidráulica impreso en 3D-de Caterpillar reduce la pérdida de presión en un 15 % y aumenta la eficiencia del sistema en un 8 %.