Исследователи из Сколковского института науки и технологий и Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» предложили более эффективный метод лазерного полирования изготовленных на 3D-принтере металлических деталей сложной формы, таких как протезы суставов. Преимущество метода в том, что он позволяет одновременно устранять как шероховатость поверхностей, так и пористость более глубоких слоев металла.
«На 3D-принтере можно изготовить металлические детали весьма сложной формы, но их поверхность получается шероховатой, а на глубине порядка 0,1 мм формируются дефекты в виде пор. Наш коллектив модифицировал традиционную технологию лазерной полировки таким образом, что она стала снижать примерно на порядок и шероховатость поверхности, и пористость приповерхностного слоя. Мы работали со стальными образцами, но нет больших сомнений, что аналогичные результаты достижимы с двумя другими распространенными материалами для протезов — титаном и сплавом кобальта и хрома», — рассказывает один из авторов исследования, аспирант Центра технологий материалов Сколтеха Даниил Панов.
Другие методы обработки поверхности не могут удовлетворительно решать сразу обе проблемы. С шероховатостью хорошо справляется стандартное лазерное полирование, но оно не помогает избавляться от пор, залегающих на глубине около 0,1 мм, а лазер обычно переплавляет более тонкий поверхностный слой металла. Для устранения пор подходят «ударные» методы с обстрелом поверхностей твердыми частицами или лазерными импульсами, но шероховатость при этом снижается не столь значительно, а в некоторых случаях даже увеличивается.
Изготовленный на 3D-принтере прямоугольный образец из нержавеющей стали. Верхняя грань прошло лазерное полирование по методу, предложенному научной группой Сколтеха и МИФИ«Наша идея проста: вместо нескольких проходов лазером по поверхности на оптимальной мощности, как это обычно делается, повышаем мощность одного из проходов, чтобы расплавить более толстый слой металла и достать до пор. Конечно, оптимальной эту мощность называют не просто так, поэтому поверхность в итоге получится чуть более шероховатой, но речь об очень незначительном ухудшении, в пределах нескольких процентов, зато взамен мы избавляемся от вредных дефектов под поверхностью», — поясняет Даниил Панов.
Единственная альтернатива — фрезерование, то есть механическое удаление верхнего слоя материала толщиной примерно 0,2 мм. Таким образом тоже можно убирать приповерхностные поры, и после обработки останется гладкая поверхность, однако такой подход применим лишь к деталям достаточно простой формы, которые можно изначально выточить на станке, не прибегая к 3D-печати. Новый же метод помогает устранять недостатки 3D-печатных деталей сложных геометрических форм.
«Мы дополнительно исследовали, как наш подход к полировке отражается на усталости металла. Это свойство наряду с шероховатостью и приповерхностными дефектами имеет значение для медицинских протезов, поскольку они подвергаются циклическим механическим нагрузкам. Оказалось, что вдобавок к снижению шероховатости и пористости примерно на 90% мы получаем еще и улучшение с точки зрения выносливости металла», — рассказывает Даниил Панов.
Исследователи работали с нержавеющей сталью, но, по их словам, метод применим к 3D-печатным деталям из других двух металлов, широко используемых в протезировании — титановых и кобальт-хромовых сплавов. Это направление уже исследуется.
«С приповерхностными дефектами важно бороться потому, что если деталь подвержена циклическим нагрузкам и постепенному стиранию, как в случае с искусственным суставом, то именно залегающие под поверхностью поры, обнажаясь со временем, становятся очагами ускоренного разрушения материала. В то же время лазерная полировка хороша тем, что ее можно применять очень точечно: скажем, искусственный коленный сустав имеет сложную форму, и там есть участки поверхности, которые не нужно полировать, где шероховатость, наоборот, помогает интеграции с биологической тканью», — поясняет Даниил Панов.
«Изменение маслоемкости поверхности, условий смачивания и тривиальная гравировка давно у всех на слуху, но есть и более сложные, но выполнимые задачи, например структурирование поверхности имплантата перед хирургической операцией, создание специальных меток для идентификации, формирование на поверхности дифракционных решеток для диагностики функциональных изделий», — считает руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Игорь Шишковский.