3Dプリンティング用多孔質チタン合金の表面粗さを低減する新たな研磨オプションとしてのプラズマ研磨

Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing.

抄録

3Dプリンティング技術によって作製される海綿骨を模擬した多孔質チタン合金インプラントは、幅広い可能性を秘めている。しかし、製造工程で粉末がワークピースの表面に付着するため、ダイレクトプリンティングピースの表面粗さは比較的高い。同時に、多孔質構造の内部気孔は従来の機械研磨では研磨できないため、別の方法を見つける必要がある。表面技術として、プラズマ研磨技術は、機械研磨が困難な複雑な形状の部品に特に適している。3Dプリントされた多孔質チタン合金ワークピースの表面に付着した粒子や微細な飛沫残渣を効果的に除去することができます。したがって、表面粗さを低減することができる。まず、チタン合金粉末を用いて、金属3Dプリンターで模擬海綿骨の多孔質構造をプリントする。プリント後、熱処理、支持構造の除去、超音波洗浄を行う。次に、pHを5.7に設定した研磨用電解液を加え、装置を101.6℃に予熱し、ワークを研磨用固定具に固定し、電圧（313V）、電流（59A）、研磨時間（3分）を設定してプラズマ研磨を行う。研磨後、共焦点顕微鏡で多孔質チタン合金ワークの表面を分析し、表面粗さを測定する。走査型電子顕微鏡は、多孔質チタンの表面状態を特徴付けるために使用される。その結果、多孔質チタン合金ワーク全体の表面粗さはRa（平均粗さ）＝126.9μmからRa＝56.28μmに変化し、海綿状組織の表面粗さはRa＝42.61μmからRa＝26.25μmに変化した。一方、半溶融粉末とアブレート酸化層が除去され、表面品質が向上した。

Porous titanium alloy implants with simulated trabecular bone fabricated by 3D printing technology have broad prospects. However, due to the fact that some powder adheres to the surface of the workpiece during the manufacturing process, the surface roughness in direct printing pieces is relatively high. At the same time, since the internal pores of the porous structure cannot be polished by conventional mechanical polishing, an alternative method needs to be found. As a surface technology, plasma polishing technology is especially suitable for parts with complex shapes that are difficult to polish mechanically. It can effectively remove particles and fine splash residues attached to the surface of 3D printed porous titanium alloy workpieces. Therefore, it can reduce surface roughness. Firstly, titanium alloy powder is used to print the porous structure of the simulated trabecular bone with a metal 3D printer. After printing, heat treatment, removal of the supporting structure, and ultrasonic cleaning is carried out. Then, plasma polishing is performed, consisting of adding a polishing electrolyte with the pH set to 5.7, preheating the machine to 101.6 °C, fixing the workpiece on the polishing fixture, and setting the voltage (313 V), current (59 A), and polishing time (3 min). After polishing, the surface of the porous titanium alloy workpiece is analyzed by a confocal microscope, and the surface roughness is measured. Scanning electron microscopy is used to characterize the surface condition of porous titanium. The results show that the surface roughness of the whole porous titanium alloy workpiece changed from Ra (average roughness) = 126.9 µm to Ra = 56.28 µm, and the surface roughness of the trabecular structure changed from Ra = 42.61 µm to Ra = 26.25 µm. Meanwhile, semi-molten powders and ablative oxide layers are removed, and surface quality is improved.