Quel est le rôle du polissage chimique dans l’impression 3D métal ?

一, L'idée principale derrière le polissage chimique est de dissoudre et de reconstruire sélectivement la surface.
L'interaction d'oxydoréduction -réduction entre les réactifs chimiques (telles que les solutions acides ou alcalines) et la surface métallique provoque la dissolution régulée de la couche superficielle lors du polissage chimique. Ses principales parties sont :
Les saillies microscopiques se dissolvent plus facilement : lorsque la surface est inégale (comme lorsque des marques de chevauchement du bain de soudure ou des particules de poudre non fondues sont présentes), le phénomène de « saillie se dissout préférentiellement » se produit car il y a plus de zone exposée et une vitesse de réaction chimique plus rapide.
Nivellement via la tension superficielle : lorsque les ions métalliques se dissolvent, ils se dirigent vers des endroits concaves en raison de la tension superficielle. Cela crée une surface lisse et uniforme une fois durcie. Par exemple, le polissage chimique peut réduire la rugosité de surface (Ra) de l’alliage de titane imprimé en 3D de 6 à 12 μm à 0,2 à 1 μm, ce qui correspond aux critères de biocompatibilité requis pour les implants médicaux.
Suppression de la couche de défauts : le polissage chimique peut éliminer avec précision les particules de poudre non fondues collées à la surface (environ 70 μm d'épaisseur), ce qui évite les dommages souterrains qui peuvent survenir avec le polissage mécanique standard. Des chercheurs singapouriens ont créé une nouvelle façon de polir l'acier inoxydable 316L qui utilise des impulsions à haute tension et un polissage électrochimique traditionnel pour rendre la surface moins rugueuse. La nouvelle méthode conserve les propriétés d'absorption d'énergie - de la structure de réseau d'origine.
2. L’objectif principal du polissage chimique est d’améliorer la surface et de la rendre plus utile.
1. Améliorer la qualité de la surface : contourner les limites géométriques et polir les structures complexes
Lorsqu'il s'agit de polissage, les formes géométriques complexes de l'impression 3D métallique, telles que les réseaux, les canaux internes et les structures poreuses, peuvent être difficiles à travailler. Le polissage chimique, qui ne nécessite pas de contact, est désormais le meilleur moyen de traiter ce type de structures :
Polissage des canaux internes : les réactifs chimiques peuvent pénétrer dans des canaux internes de seulement quelques micromètres de large pour éliminer les bavures créées par le chevauchement du bain de fusion. Par exemple, après un polissage chimique, le canal d'écoulement interne de l'injecteur de carburant d'un moteur d'avion réduit la résistance à l'écoulement de 15 % et permet au moteur de consommer moins de carburant.
Optimisation de la structure poreuse : le polissage chimique peut éliminer les couches sphériques lâches sur la surface des pores des implants médicaux comme les cupules de hanche et les dispositifs de fusion intersomatique. Cela permet aux cellules osseuses d’adhérer plus facilement aux implants. Des études indiquent que la rugosité de la surface de l'alliage de titane poreux poli est diminuée de 90 %, tandis que le taux d'intégration osseuse est amélioré de 40 %.
Le polissage chimique peut fonctionner sur n'importe quelle forme de pièce, il peut donc également fonctionner sur des surfaces de forme libre. Par exemple, le polissage chimique a rendu la surface aérodynamique complexe des aubes de turbine imprimées en 3D plus lisse de 10 μm à 1 μm et a amélioré leurs performances aérodynamiques de 8 %.
2. Améliorer les performances mécaniques : éliminer les défauts et prolonger la durée de vie en fatigue
Les fissures de fatigue dans les objets métalliques imprimés en 3D commencent par des défauts de surface. Le polissage chimique améliore les caractéristiques mécaniques des manières suivantes :
réduction des contraintes résiduelles : le polissage chimique peut réduire partiellement les contraintes résiduelles provoquées par l'impression en dissolvant de minuscules régions. Par exemple, le polissage chimique peut prolonger la durée de vie en fatigue à faible cycle des alliages à haute température -à base de nickel imprimés en 3D de 5 000 cycles à 12 000 cycles.
Éliminer la cause des fissures : les marques superposées de particules de poudre non fondues et le bain de fusion sont des endroits courants où commencent les fissures. Le polissage chimique peut résoudre ces problèmes et augmenter le seuil de croissance des fissures de fatigue de 30 %.
Densification de surface : La couche de surface devient plus dense après le polissage chimique en raison du processus de dissolution puis de solidification à nouveau. Par exemple, suite à un polissage chimique, la porosité d'un alliage cobalt-chrome imprimé en 3D passe de 0,8 % à 0,02 % et sa résistance à la corrosion est multipliée par cinq.
3. Optimisation de la biocompatibilité : répond à des normes médicales strictes
Les implants médicaux doivent avoir une surface très lisse et être biocompatibles. Le polissage chimique répond aux besoins du domaine médical des manières suivantes :
Les surfaces rugueuses peuvent facilement devenir des cachettes pour les bactéries, alors assurez-vous de les garder propres. Le polissage chimique peut rendre les surfaces plus lisses jusqu'au niveau inférieur-micronique, ce qui réduit considérablement le risque d'infection. Après polissage chimique, la fixation de Staphylococcus aureus sur les implants de genou en alliage de titane imprimé en 3D-a diminué de 90 %, par exemple.
Contrôler la libération d'ions : lorsque vous polissez quelque chose mécaniquement, cela peut ajouter des contaminants qui provoquent une libération excessive d'ions dangereux (comme les ions nickel). Le polissage chimique nettoie la surface en utilisant uniquement des réactions chimiques, ce qui garantit que la libération d'ions répond aux exigences de biocompatibilité de la norme ISO 10993.
Favoriser la régénération des tissus : les surfaces lisses peuvent aider les cellules à se coller les unes aux autres et à réduire les réactions immunologiques. Des études indiquent que le taux de croissance des ostéoblastes à la surface d’un alliage de titane poreux imprimé en 3D, poli chimiquement, est doublé.
3, Utilisations du polissage chimique dans l'industrie : du test des prototypes à la fabrication des produits finaux
1. Aéronautique : Rendre les choses plus fiables dans des conditions difficiles
Les pales des moteurs d’avion, les chambres de combustion et d’autres pièces doivent être capables de résister à des températures, des pressions et des conditions corrosives extrêmes. Le polissage chimique prolonge la durée de vie des pièces en améliorant l’état de la surface.
Aubes de turbine : le polissage chimique peut éliminer les marques laissées par le bain de fusion sur la surface des aubes et ralentir le processus d'oxydation à haute -température. Après polissage chimique, les aubes de turbine du moteur LEAP de GE Aviation, par exemple, peuvent supporter des températures 50 degrés plus élevées et durer 20 % plus longtemps.
Le polissage chimique peut éliminer les microfissures à l’intérieur du revêtement de la chambre de combustion, ce qui le rend plus à même de résister aux contraintes thermiques. Un test de cyclage thermique à 1 000 degrés a montré que le taux de propagation des fissures des revêtements en alliage à base de nickel-poli est 60 % inférieur.
2. Implants médicaux : les rendre uniques et utiles
Le polissage chimique est la partie la plus importante du post-traitement-de l'impression 3D médicale. Il prend en charge l'ensemble du processus, de la personnalisation des conceptions à leur fonctionnement :
Les implants orthopédiques, tels que les cupules de hanche et les dispositifs de fusion intersomatique, sont conçus pour s'adapter au corps du patient et nécessitent un polissage chimique pour obtenir le bon équilibre entre douceur et performance d'intégration osseuse. Le dispositif de fusion intersomatique en alliage de titane imprimé en 3D DePuy Synthes de Johnson&Johnson, par exemple, présente une rugosité de surface de 0,8 µm après polissage chimique et un taux de réussite clinique de plus de 95 %.
Stent cardiovasculaire : le polissage chimique peut éliminer les bavures à la surface du stent et réduire le risque de thrombose. Après polissage chimique, la rugosité de la surface du stent en alliage de nickel-titane imprimé en 3D de Boston Scientific est passée de 5 μm à 0,5 μm, et le taux d'endothélialisation a augmenté de 30 %.
3. Équipements industriels : réduire les coûts de maintenance et améliorer le fonctionnement
Le polissage chimique améliore l’état des surfaces, ce qui réduit la friction et la consommation d’énergie des équipements industriels.
Réalisation de moules : Après polissage chimique, la rugosité de surface des moules d'injection imprimés en 3D passe de 8 μm à 0,5 μm, la force nécessaire pour retirer le moule diminue de 40 % et le moule dure trois fois plus longtemps.
Le polissage chimique peut éliminer les bavures dans le canal d'écoulement du corps de vanne et faciliter la circulation des fluides. Par exemple, après polissage chimique, le corps de vanne hydraulique imprimé en 3D-de Caterpillar réduit la perte de pression de 15 % et augmente l'efficacité du système de 8 %.