激光抛光3D打印金属部件比以往任何时候都好

Skoltech和MEPhI的研究人员设计了一种激光抛光技术，可有效去除使用3D打印机制造的形状复杂的金属部件的表面粗糙度和亚表面孔隙。光学和激光技术中描述了这种新方法，特别适用于医疗植入物的表面处理。该论文表明，它优于以前可用的技术，当粗糙度或孔隙度成为问题时，这些技术往往效果很好，但不是两者兼而有之。

“3D打印机可以生产形状非常复杂的金属部件，但表面最终会变得粗糙，并且在表面以下约十分之一毫米处存在不受欢迎的孔隙，”该研究的第一作者、Skoltech材料中心博士。学生丹尼尔·帕诺夫评论道。“我们的团队已经调整了传统的激光抛光工艺，现在它可以将钢的表面粗糙度和亚表面孔隙率降低约10倍;而且没有理由不使用钛或钴铬合金——其他用于医疗植入物的常用材料。”

这很了不起，因为没有其他修整技术可以同时以令人满意的方式解决这两个问题。例如，传统的激光抛光可以很好地处理表面粗糙度，但它并不能真正帮助处理不需要的孔隙，因为它不能将金属熔化得足够深，无法到达埋在表面以下约0.1毫米的孔隙。其他基于冲击的技术使用粒子或激光脉冲反复“敲击”表面，从而去除毛孔，但在降低表面粗糙度方面取得了适度的效果——事实上，其中一些甚至会增加表面粗糙度。

“该方法背后的想法很简单：我们不是像传统的激光抛光那样使用激光以‘最佳’功率在表面上完成几次通过，而是在其中一次通过时提高功率，熔化较厚的一层金属，”帕诺夫解释道。“最佳功率被称为是有原因的，因此这种调整确实会在粗糙度方面牺牲一些表面质量。但是当你考虑摆脱讨厌的地下缺陷的回报时，这个百分之几的小权衡确实是微不足道的。”

使用3D打印机由不锈钢制成的杠铃形部件，并使用Skoltech和MEPhI开发的技术对其中间部分进行激光抛光。这些样品用于金属疲劳测试。学分：丹尼尔·帕诺夫/Skoltech。

唯一的选择是机器处理，即机械去除材料顶部的0.2毫米，消除孔隙并留下光滑的表面。然而，这实际上违背了3D打印的目的，因为如果形状足够简单，可以加工，那么一开始可能就不会使用3D打印机。

“我们还研究了我们的精加工技术如何影响金属疲劳，”Panov补充道。“除了表面粗糙度和次表面孔隙率外，这种特性对于医疗植入物也很重要，因为它们会受到反复的机械应力。事实证明，不仅粗糙度和孔隙率降低了大约90%，而且由此产生的材料还提高了疲劳性能。”

虽然在这项研究中，研究人员使用钢进行研究，但他们表示，他们的技术可以转移到由医疗植入物中常用的另外两种金属制成的3D打印部件：钛和钴铬合金。这就是团队目前正在做的事情。

“地下孔隙是暴露于循环载荷后材料开始劣化的薄弱环节，因此将它们去除至关重要，”Panov说。“此外，例如，如果你看一个人造膝关节，你会注意到它的形状很复杂，它的一些表面会反复摩擦——因此需要极度抛光——但对于其他人来说，一些粗糙度可能“在与生物组织的整合方面是有益的。激光抛光具有实现这种选择性的精度。”

该研究的首席研究员、Skoltech材料技术中心的IgorShishkovsky副教授评论说：“让我们的技术变得有趣的是，您可以使用它来创建具有人工微图案的结构化表面。这可能是众所周知的效果例如增强表面的吸油性能、润湿条件和微雕刻以应对更具挑战性的任务：手术前的植入物表面结构、识别标签放置以及在表面上形成用于功能设备诊断的衍射网格等。”

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