• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
07.09.2022
Сколтех
1 239

В Сколтехе добились непревзойденного качества лазерной полировки металлических деталей после 3D-печати

4.6

Ученые из Сколтеха и МИФИ предложили эффективный метод лазерной полировки изготовленных на 3D-принтере металлических деталей сложной формы, таких как протезы суставов. Технология позволяет одновременно устранить шероховатость поверхности и нежелательные поры, возникающие в процессе изготовления в более глубоком слое металла. Другие доступные на сегодняшний день методы обработки поверхности на это неспособны.

Изготовленный на 3D-принтере прямоугольный образец из нержавеющей стали. Верхняя грань прошла лазерную полировку по методу, предложенному научной группой из Сколтеха и МИФИ. ©Даниил Панов / Сколтех

Статья опубликована в журнале Optics & Laser Technology. «На 3D-принтере можно изготовить металлические детали весьма сложной формы, но их поверхность получается шероховатой, а на глубине порядка 0,1 миллиметров формируются дефекты в виде пор, — рассказывает первый автор работы, аспирант Центра технологий материалов Сколтеха Даниил Панов. — 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».

Другие методы обработки поверхности не могут удовлетворительно решить обе проблемы сразу. С шероховатостью хорошо справляется стандартная лазерная полировка, но она не помогает избавиться от пор, потому что они залегают на глубине около 0,1 миллиметра, а лазер обычно переплавляет более тонкий поверхностный слой металла. Для устранения пор подходят «ударные» методы, которые подвергают поверхность обстрелу твердыми частицами или лазерными импульсами, но шероховатость при этом снижается не столь значительно, а в некоторых случаях даже увеличивается.

«Наша идея проста: вместо нескольких проходов лазером по поверхности на „оптимальной“ мощности, как это обычно делается, повысить мощность одного из проходов, чтобы расплавить более толстый слой металла и достать до пор, — объясняет Панов. — 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».

Единственная альтернатива — фрезеровка, то есть механическое удаление верхнего слоя материала толщиной примерно 0,2 миллиметра. Таким образом тоже можно убрать приповерхностные поры, и после обработки останется гладкая поверхность. Однако важно отметить, что такой подход применим лишь к деталям достаточно простой формы, которые можно было бы изначально выточить на станке, не прибегая к 3D-печати. Новый же метод помогает справиться с недостатками деталей из 3D-принтера, которому под силу более сложные формы.

«Мы дополнительно исследовали, как наш подход к полировке отражается на усталости металла, — добавил Панов. — Это свойство наряду с шероховатостью и приповерхностными дефектами имеет значение для медицинских протезов, поскольку они подвергаются циклическим механическим нагрузкам. Так вот, оказалось, что вдобавок к снижению шероховатости и пористости примерно на 90 процентов мы получаем еще и улучшение с точки зрения выносливости металла».

В этот раз исследователи работали с нержавеющей сталью, но, по их словам, метод можно без труда распространить на изготовленные 3D-печатью детали из других двух металлов, широко используемых в протезах, — титана и сплава кобальта и хрома. Над этим коллектив работает в настоящий момент.

Изготовленный на 3D-принтере образец из нержавеющей стали в форме гантели до и после лазерной полировки средней секции по методу, предложенному научной группой из Сколтеха и МИФИ /©Даниил Панов / Сколтех

«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, — дополнил Попов. — И 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».

Руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Игорь Шишковский обратил внимание на перспективы метода для структурирования поверхностей: «Изменение маслоёмкости поверхности, условий смачивания и тривиальная гравировка давно у всех на слуху. Но есть и более сложные, но выполнимые задачи — например, структурирование поверхности импланта перед хирургической операцией, создание специальных меток для идентификации, формирование на поверхности дифракционных решеток для диагностики функциональных изделий».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
7 часов назад
Александр Березин

Компания Neuralink, при помощи которой предприниматель Илон Маск надеется совершить революцию в интерфейсах «мозг-компьютер» (BCI), впервые имплантировала человеку устройство «чтения мыслей». Об этом Маск сообщил в твите, опубликованном 29 января. Однако, некоторые обеспокоены отсутствием прозрачности вокруг имплантата, который должен дать возможность управлять устройствами посредством мысли. Реакции ученых и экспертов на это событие обобщает медиа-редакция Nature, а Naked Science приводит перевод этой статьи.

23 февраля
Полина

Многие родители стремятся отдать детей в двуязычную школу, чтобы те развивались лучше и быстрее. Однако такое образование способно даже навредить ребенку, показало исследование.

Вчера, 15:10
Александр Березин

Открытие трех тел, вращающихся вокруг Урана и Нептуна достаточно необычно. Последний раз новую луну у Урана находили более 20 лет назад.

Позавчера, 15:03
Дарья Боголюбова

Огромное число экзопланет, формально лежащих в зоне обитаемости, на деле могут быть малопригодными для жизни, полагают авторы новой научной работы. Причем виноват в этом весьма неожиданный фактор переменного тока.

23 февраля
Полина

Многие родители стремятся отдать детей в двуязычную школу, чтобы те развивались лучше и быстрее. Однако такое образование способно даже навредить ребенку, показало исследование.

Позавчера, 08:56
Михаил Орлов

Змеи — широко распространенные и разнообразные рептилии, которые очень близки ящерицам и в ходе эволюции произошли именно от них. Среди более четырех тысяч видов змей есть жители почти всех континентов и крупных островов, освоившие самые разнообразные экологические ниши и способные питаться почти кем угодно. Авторы новой статьи в Science проанализировали геномы более тысячи видов чешуйчатых (змей и ящериц), данные об их рационе и объяснили, как возникло уникальное разнообразие змей.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

1 февраля
Андрей

Канадские исследователи изучили состав пород, вышедших на поверхность при появлении первых континентов. По итогам анализа выяснилось, что новая земная кора возникла не в результате движения тектонических плит, а из-за процессов в океанических плато молодой Земли.

15 февраля
Дарья Губина

Титан — самый органически богатый спутник с глобальным океаном в Солнечной системе. И все же, сопоставив строение его поверхности с интенсивностью падения метеоритов, ученые пришли к выводу, что в океане спутника Сатурна вряд ли хватает элементов для жизни.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: