近期，Skoltech 和MEPhI 的研究人員設(shè)計(jì)了一種激光拋光技術(shù)，可以有效地去除3D 打印制造的復(fù)雜形狀金屬零件的表面粗糙度和次表面孔隙。研究成果刊登在專業(yè)期刊《光學(xué)與激光技術(shù)》上，新方法特別適用于醫(yī)療植入物的表面處理。該論文證明，激光拋光的方法優(yōu)于先前可用的任何技術(shù)，尤其當(dāng)粗糙度或孔隙度成為問(wèn)題時(shí)。

　　“3D 打印可以生產(chǎn)出形狀非常復(fù)雜的金屬零件，但最終表面粗糙并且在表面下約十分之一毫米處存在不受歡迎的孔隙，”論文第一作者同時(shí)也是Skoltech 材料中心博士生 Daniel Panov 對(duì)此評(píng)論道，“我們的團(tuán)隊(duì)調(diào)整了傳統(tǒng)的激光拋光工藝，使鋼表面粗糙度和次表面孔隙率降低了約10倍。”

　　這是值得注意的，因?yàn)闆](méi)有其他精加工技術(shù)能夠以令人滿意的方式同時(shí)解決上述兩個(gè)問(wèn)題。例如，傳統(tǒng)的激光拋光有利于處理表面粗糙度，但它并不能真正幫助處理不需要的孔隙，因?yàn)樗荒苋刍銐蛏畹慕饘?，以達(dá)到埋在表面下方約0.1mm 的孔隙。

　　其他基于沖擊的技術(shù)使用粒子或激光脈沖反復(fù)“錘擊”表面，導(dǎo)致孔隙去除，但這些技術(shù)在降低表面粗糙度方面取得了適度的效果。事實(shí)上，其中一些技術(shù)甚至?xí)黾颖砻娲植诙取?/p>

　　Panov 解釋道：“該方法背后的想法很簡(jiǎn)單。我們不是像傳統(tǒng)激光拋光中那樣，用‘最佳’功率的激光在表面上完成幾道工序，而是在其中一道工序中增加功率，熔化較厚的金屬層。”

　　所謂最佳功率是有原因的，因此這種調(diào)整確實(shí)犧牲了一些表面質(zhì)量。但是，當(dāng)考慮到這種方法可以消除次表面的缺陷時(shí)，這幾個(gè)百分點(diǎn)的微小權(quán)衡確實(shí)是微不足道的。

　　唯一的替代方法是機(jī)械處理，機(jī)械去除材料頂部 0.2mm，去除孔隙，留下光滑表面。然而，這實(shí)際上違背了3D 打印的目的。“我們還研究了精加工技術(shù)如何影響金屬疲勞，”Panov 補(bǔ)充道，“除了表面粗糙度和次表面孔隙率外，這一特性對(duì)醫(yī)療植入物也很重要，因?yàn)樗鼈儽┞对谥貜?fù)的機(jī)械應(yīng)力下。結(jié)果表明，不僅粗糙度和孔隙率降低了約 90%，而且最終材料的疲勞性能也有所提高。”

　　在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了鋼，但他們表示，他們的技術(shù)可以轉(zhuǎn)移到由其他兩種常用于醫(yī)療植入物的金屬制成的3D 打印部件：鈦和鈷鉻合金。這是團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行的工作。Panov 說(shuō)：“次表面的孔隙是材料暴露于循環(huán)荷載后開(kāi)始劣化的薄弱點(diǎn)，因此清除它們至關(guān)重要。”

　　“此外，如果你觀察人工膝關(guān)節(jié)，你會(huì)注意到它的形狀復(fù)雜，其中的一些表面暴露于反復(fù)摩擦，因此需要進(jìn)行極度拋光，但對(duì)其他人來(lái)說(shuō)，一些粗糙度可能有利于與生物組織的整合。激光拋光具有實(shí)現(xiàn)這種選擇性的精度。”

　　該研究的主要研究者、Skoltech 材料技術(shù)中心的Igor Shishkovsky 副教授評(píng)論說(shuō)：“讓我們的技術(shù)更有趣的是，可以使用它來(lái)創(chuàng)建具有人工微圖案的結(jié)構(gòu)化表面，包括增強(qiáng)表面的吸油性能、潤(rùn)濕條件和簡(jiǎn)單的雕刻。也可能是更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，像手術(shù)前的植入物表面結(jié)構(gòu)、識(shí)別標(biāo)簽放置以及在表面上形成用于功能設(shè)備診斷的衍射網(wǎng)格等。”

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