Onderzoekers van Skoltech en MEPhI hebben een laserpolijsttechniek ontwikkeld die zowel oppervlakteruwheid als ondergrondse poriën effectief verwijdert in ingewikkeld gevormde metalen onderdelen die zijn vervaardigd met een 3D-printer. Beschreven in Optica en lasertechnologie , is de nieuwe methode bijzonder geschikt voor de oppervlaktebehandeling van medische implantaten. Het artikel laat zien dat het beter presteert dan eerder beschikbare technieken, die meestal goed werken wanneer ruwheid of porositeit het probleem is, maar niet beide.

"3D-printers kunnen metalen onderdelen met zeer ingewikkelde vormen produceren, maar het oppervlak wordt ruw en er zijn ongewenste poriën ongeveer een tiende van een millimeter onder het oppervlak", de eerste auteur van het onderzoek, Skoltech Materials Center Ph.D. student Daniil Panov becommentarieerde. "Onze groep heeft het conventionele laserpolijstproces zodanig aangepast dat het nu zowel de oppervlakteruwheid als de porositeit van de ondergrond met een factor 10 op staal vermindert; en er is geen reden waarom het niet zou werken met titanium of kobalt-chroom - de andere veelgebruikte materialen voor medische implantaten."

Dit is opmerkelijk, omdat geen enkele andere afwerkingstechniek beide problemen tegelijk op bevredigende wijze kan oplossen. Conventioneel laserpolijsten is bijvoorbeeld goed voor het aanpakken van oppervlakteruwheid, maar het helpt niet echt bij ongewenste poriën, omdat het het metaal niet diep genoeg smelt om de poriën te bereiken die ongeveer 0,1 mm onder het oppervlak zijn begraven. Andere, op impact gebaseerde technieken gebruiken deeltjes of laserpulsen om het oppervlak herhaaldelijk te "hameren", wat resulteert in poriënverwijdering, maar deze bereiken matige resultaten als het gaat om het verminderen van de oppervlakteruwheid - sommige zelfs verhogen het zelfs.

"Het idee achter de methode is eenvoudig:in plaats van meerdere passages over het oppervlak te voltooien met een laser op 'optimaal' vermogen, zoals het geval is bij conventioneel laserpolijsten, voeren we het vermogen op tijdens een van de passages, waarbij een dikkere laag van metaal", legt Panov uit. "Het optimale vermogen wordt niet voor niets zo genoemd, dus deze tweak offert wat oppervlaktekwaliteit op in termen van ruwheid. Maar deze kleine afweging van enkele procenten is echt onbeduidend als je bedenkt wat de uitbetaling is van het wegwerken van de vervelende ondergronddefecten."

Het enige alternatief zou een machinale behandeling zijn, waarbij de bovenste 0,2 mm van het materiaal mechanisch wordt verwijderd, de poriën worden verwijderd en een glad oppervlak achterblijft. Dit gaat echter in feite voorbij aan het doel van 3D-printen, want als de vorm eenvoudig genoeg is om te worden bewerkt, zou er in de eerste plaats waarschijnlijk geen 3D-printer zijn gebruikt.

"We hebben ook onderzocht hoe onze afwerkingstechniek de metaalmoeheid beïnvloedt", voegde Panov eraan toe. "Samen met oppervlakteruwheid en ondergrondse porositeit is deze eigenschap ook belangrijk voor medische implantaten, omdat ze worden blootgesteld aan herhaalde mechanische belasting. Het bleek dat je niet alleen een vermindering van ongeveer 90% in ruwheid en porositeit krijgt, maar het resulterende materiaal wint ook aan vermoeiingseigenschappen."

Terwijl de onderzoekers in deze studie met staal werkten, zeggen ze dat hun techniek kan worden overgedragen op 3D-geprinte onderdelen die zijn gemaakt van de andere twee metalen die vaak worden gebruikt in medische implantaten:titanium en de kobalt-chroomlegering. Dit is waar het team momenteel aan werkt.

"Ondergrondse poriën zijn de zwakke plekken van waaruit materiaalverslechtering begint na blootstelling aan cyclische belastingen, dus het is van cruciaal belang dat ze worden verwijderd," zei Panov. "Als je bijvoorbeeld naar een kunstmatig kniegewricht kijkt, zul je merken dat het een complexe vorm heeft en dat sommige oppervlakken worden blootgesteld aan herhaalde wrijving - en daarom extreem gepolijst moeten worden - maar voor andere kan enige ruwheid gunstig zijn in termen van integratie met biologisch weefsel. Laserpolijsten heeft de precisie om dat soort selectiviteit te bereiken."

De hoofdonderzoeker van de studie, universitair hoofddocent Igor Shishkovsky van Skoltech's Centre for Materials Technologies, merkte op:"Wat onze techniek ook interessant maakt, is dat je het kunt gebruiken om gestructureerde oppervlakken te creëren met kunstmatige micropatronen. Dit kan variëren van de bekendere effecten zoals het verbeteren van de olie-absorberende eigenschappen van het oppervlak, de bevochtigingsomstandigheden en triviale gravures voor meer uitdagende taken:het structureren van het implantaatoppervlak voorafgaand aan de operatie, het plaatsen van identificatielabels en het vormen van diffractieroosters op het oppervlak voor onder andere functionele apparaatdiagnostiek." + Verder verkennen

Onderzoekers bereiken fused silica met hoge schadedrempel door chemisch etsen en laserpolijsten te combineren