3Dプリントされた金属部品のレーザー研磨

Co-Cr合金は、局部床義歯業界で広く使用されています。 骨が治癒しているとき、内固定インプラントとしてのCo-Cr合金は、骨折手術の一時的な固定として使用できます。 今日、人工歯と人工義歯はCo-Cr合金で作られています。これは通常、一般的に使用されるAM製造プロセスでもある選択的レーザー溶融（SLM）によって製造されます。 現在、小型化された製品や曲線のある内部構造は、医療およびバイオテクノロジーのアプリケーションで使用される製品の主要なカテゴリです。 3D印刷された金属製品は、固化した金属液滴の蓄積によって形成されるため、液滴蓄積の3D印刷技術の解像度は、プリズムのアスペクト比に依存します。 3Dプリントされた金属製品の解像度範囲は約1mmに制限されており、これは印刷材料の性質によって決まります。 したがって、積層造形によって製造された部品の表面は、医療用途の用途要件を満たすことができません。

非平面領域を選択的に研磨するレーザー研磨は、金属積層造形部品の表面粗さを改善するために使用されてきました。この技術は、従来の機械研磨プロセスと比較して、再現性のある高速研磨プロセスと低い人件費を提供します。レーザー研磨プロセスに関する多くの研究が行われていますが、金属部品、特に表面形態が大きく異なり複雑な表面構造を持つLSM積層造形技術の適用に焦点を当てた報告はわずかです。表面形態が複雑なCo-Cr合金部品の表面粗さを低減するためにレーザー研磨技術を採用しています。層状研磨技術を利用する場合は、レーザーを連続的に調整して表面形態に沿った焦点距離を調整する必要があります。コンポーネントの。最適化されたレーザーパラメータは、最初にCoCr合金の平面での実験によって取得され、次に、複雑な表面形態を持つ部品でこれらのパラメータに基づいて実験が実行されます。レーザー研磨されたサンプルの特性評価は、光学プロファイラーと走査型電子顕微鏡を使用して実行されました。これは、サンプルの表面粗さが、堆積されたままのサンプルの表面粗さと比較して大幅に減少したことを示しました。表面粗さが最大93％減少します。微小硬度試験は、レーザー研磨後に表面硬度が8％増加することを示しました。さらに、シンプルで効果的なモデルを使用して、SLM製のCoCr合金をレーザー研磨する際の部品の複雑な表面を示します。この分析モデルは、レーザー研磨の背後にあるメカニズムを理解および評価するのに非常に役立ちます。


。さまざまなタイプの複雑なサンプルの表面トポグラフィー：（a）凸面;（b）凹面;（c）傾斜面


サンプルの平面上の表面形態および異なる戦略の下でのレーザー研磨後の形態：（a）堆積表面、（b）研磨表面：レーザーパラメーター：P = 40W、v = 300mm / s、H = 0.05mm、（ c）研磨面：P = 55W、v = 300mm / s、H = 0.02mmおよび（d）研磨面：P = 70W、v = 300mm / s、H = 0.03mm


サンプルの形態が複雑な場合、研磨前後の表面形態：（a）–（c）は、堆積状態の表面粗さが凸面、凹面、傾斜の場合の結果を示します。（df）凸面、凹面のレーザートポグラフィー研磨後の傾斜面

結果は、レーザー積層造形後のCoCr合金の表面特性がレーザー研磨後に改善されることを示しています。

ターゲットの距離（焦点距離）とレーザー出力は、表面の粗さと濡れ性に影響を与えます。

レーザーデフォーカスが+ 6mm、70 Wの場合、粗さRa0.45μmの疎水性表面で実現できます。

表面粗さと接触角の変化は、ウェンゼルモデルで説明できます。

レーザー研磨技術は、3Dプリント部品の表面粗さを扱う上で広く注目されています。これは、この技術が歯科インプラントやジュエリーに大きな潜在的用途を持っているためです。一部の学者は、レーザー研磨技術を使用して、3×3mm2の表面積を持つ付加的に製造されたCoCr合金の領域を研磨しました。使用されるレーザーは、70Wの出力のパルス法です。レーザー研磨後の表面形態、組成、表面粗さおよび接触角は、走査型電子顕微鏡およびエネルギー分光計（SEM / EDX）、光学プロファイラーおよび接触角測定機器によって測定された。結果は、Ar条件下で中間流量が6.0l / minの場合、得られたシールドガスの流量がCoCrの酸化を防止し、酸化防止制御システムの精度を確保するために実行可能であることを示しています。デフォーカスの量は、表面品質に影響を与える重要なパラメータであることがわかります。デフォーカスの量（Df）+ 6mmの場合、改善された表面品質（Sa）≤1μmが得られます。レーザー出力に加えて、走査速度、ガス流量、焦点ぼけ量、走査距離などの他のパラメーターもレーザー研磨に影響を与えます。これらはすべて、研磨後の表面粗さと接触角に影響を与えます。疎水性の表面では、レーザー研磨の効果が焦点ぼけの量によって変化するため、表面粗さが増加するにつれて接触角が増加します。ただし、親水性表面の表面粗さが大きくなると接触角が小さくなり、CoCrの研磨結果も異なる力で変化します。その結果、レーザー研磨されたCoCrはウェンゼルの状態に似ています。





付加的に製造されたCoCr合金のレーザー研磨後の表面を研究しました。実験結果に基づいて、付加的に製造されたCoCr合金材料を最適化されたパラメーターの下でレーザー研磨しました。得られた主な結果は次のとおりです。

（1）レーザー研磨プロセスは、部品の界面の滑らかさを改善し、積層造形の表面品質を大幅に改善することができます。

（2）焦点距離とレーザー出力を大きくすると、表面品質に大きな影響を与え、レーザー出力の変化はスポットの焦点面の変化を反映できません。

（3）最適化されたガス流量条件下での保護と研磨にArを使用すると、部品の表面粗さと接触角を改善できます。

（4）表面粗さの変化と接触角の変化は、ウェンゼルモデルで説明できます。

近い将来、研究を行う際には、特定のパラメータをすべて詳細に検討し、粗さであれ濡れ性であれ、これらのパラメータの相互作用に基づいて包括的な研究を行います。複雑な曲面を持つ付加的に製造された部品を研磨するための5軸レーザー研磨システムに焦点が当てられます。レーザー研磨の再溶解プロセスを考慮すると、硬度、磁性、耐食性などの冶金学的および相変化の変化に基づいて研究するには、さらに分析が必要です。

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