polerowanie elektrolityczne implantów ze stali 316l, wybudowanych

polerowanie elektrolityczne implantów ze stali 316l, wybudowanych

Edyta ŁYCZKOWSKA, Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji
Produkcji, Politechnika Wrocławska, Wrocław
POLEROWANIE ELEKTROLITYCZNE IMPLANTÓW ZE STALI 316L,
WYBUDOWANYCH W TECHNOLOGII SLM
ELECTROCHEMICAL POLISHING OF IMPLANTS MADE OF 316L
STEEL, PRODUCED BY SLM METHOD
Słowa kluczowe: stal nierdzewna 316L, selective laser melting (SLM),
polerowanie elektrolityczne
1. WSTĘP
W 1960 roku rozpoczęto badania nad nowoczesnymi metalowymi implantami
wykorzystywanymi w stomatologii i medycynie. Pierwsze endoprotezy stawu biodrowego
wykonano ze stali Co-Cr-Mo. Obecnie najczęściej stosowane są w medycynie stale chromowoniklowe, które charakteryzują się dobrą odpornością korozyjną, ciągliwością, plastycznością,
spawalnością oraz odpornością na pękanie w ciekłych gazach [1, 2, 3]. Stale te w swoim
składzie zawierają od 17% do 26% Cr i od 6 % do 26% Ni. Chrom jest składnikiem
odpowiedzialnym za samoczynne wytworzenie się na powierzchni stali warstwy pasywnej,
która chroni materiał przed środowiskiem zewnętrznym. [4, 5].
Technologia selektywnej laserowej mikrometalurgii proszków (SLM), jest
skomplikowanym procesem, polegającym na przetapianiu sferoidalnego proszku metali bądź
ich stopów za pomocą zogniskowanej wiązki lasera [6, 7]. Technologia ta umożliwia
tworzenie przestrzennych struktur wewnętrznych o skomplikowanej geometrii, których
wytworzenie jest trudne do otrzymania przy wykorzystaniu tradycyjnych metod, takich jak
frezowanie, toczenie czy skrawanie. Technologia SLM umożliwia wytwarzanie
zindywidualizowanych implantów nowej generacji, które charakteryzują się wysoką
dokładnością wykonania [8]. Główną wadą tej technologii jest duża chropowatość powierzchni
Ra wynosząca około od 10 do 60 µm.
W celu otrzymania powierzchni o wymaganych właściwościach (estetyczny wygląd,
większą odporność antykorozyjną), implanty wybudowane w technologii SLM można poddać
obróbce mechanicznej a następnie elektrochemicznej. Elementy wykonane ze stali 316L
zanurzone w odpowiedniej kąpieli, przy dobranych parametrach elektrycznych oraz
temperaturze, mogą być roztwarzane na anodzie tak, że ich powierzchnia zostanie
wybłyszczona oraz wygładzona. Polerowanie elektrolityczne stali zabezpiecza dokładnie całą
powierzchnię polerowanego detalu (włącznie z wgłębieniami w strukturze powierzchni),
podnosi skuteczności mycia i utrzymania w czystości powierzchni obrabianych elementów,
usuwania mikronaprężenia powstające przy obróbce mechanicznej i przywraca jednolitą
mikrotwardość materiału rodzimego. Celem badań przedstawionych w artykule było
wybudowanie próbek w kształcie płytek polfix ze stali 316L w technologii SLM, a następnie za
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 70
pomocą obróbki mechanicznej i elektrochemicznej uzyskanie gładkiej powierzchni, zgodnie z
normą PN-EN ISO 14630 [9].
2. MATERIAŁY I METODY
Próbki do badań ze stali 316L zbudowano w technologii SLM. Następnie powierzchnię
próbek obrabiano mechanicznie (frezowanie, szlifowanie papierem o ziarnistości 220).
Polerowanie elektrolityczne przeprowadzono w układzie z dwoma katodami oraz jedną anodą
(próbka badana). Badania prowadzono w zlewce o objętości 500 cm3, którą chłodzono za
pomocą termostatowanej łaźni wodnej (T108N). Przed i po polerowaniu elektrolitycznym
wyznaczano parametr chropowatości Ra profilografometrem firmy Taylor Hobson. Na
podstawie przeglądu literatury oraz wcześniejszych badaniach, dotyczących polerowania
elektrolitycznego stali 316L po walcowaniu, wybrano kąpiel zawierającą w swym składzie
kwas siarkowy(VI), ortofosforowy(V) i trietanoloaminę [4 10, 11].
3. PODSUMOWANIE
Powierzchnia próbek ze stali 316L wykonanych technologii SLM, po procesie polerowania
elektrolitycznego charakteryzowała się wygładzoną i wybłyszczoną powierzchnią oraz
niższym parametrem chropowatości Ra. Przy zastosowaniu odpowiednio dobranych
parametrów procesu uzyskano powierzchnię charakteryzującą się średnim współczynnikiem
chropowatości Ra<0,16 µm (zgodnie z normą PN-EN ISO 14630).
LITERATURA
[1]
Krasicka-Cydzik E., Mstowski J., Ciupik F. L.: Materiały implantowe: stal a stopy
tytanu. System Dero: Rozwój Technik Operacyjnych Leczenia Kręgosłupa, Zielona
Góra, 1997
[2] Kurgan N., Effect of porosity and density on the mechanical and microstructural
properties of sintered 316L stainless steel implant materials, Materials and Design, 2014
[3] Dabrowski JR, Oksiuta Z, Poros implantation material from vitalium alloy powder,
Mater Eng, 2000
[4] Łyczkowska E., Lochyński P., Chlebus E., Elektropolerowanie stali chromowoniklowej, Przemysł Chemiczny, 2013
[5] Dobrzański L. A., Metaloznawstwo opisowe stopów żelaza, Wyd. Politechniki
Śląskiej, Gliwice 2007
[6] Chlebus E., Kurzynowski T., Przegląd technik Rapid Prototyping do budowy
metalowych modeli prototypowych, Górnictwo Odkrywkowe, 2006
[7] Chlebus E., Kuźnicka B., Kurzynowski T., Dybała B., Microstructure and mechanical
behaviour of Ti-6Al-7Nb alloy produced by selective laser melting, Materials
Characterization, 2011
[8] Gonera K., Kurzac J., Rusińska M., Dybała B., Metody CAx w aplikacjach medycznych
przy wytwarzaniu technologiami generatywnymi, Mechanik, 2010
[9] Nawrat G., Elektrochemiczne metody inżynierii powierzchni, Wyd. Politechniki Śląskiej,
Gliwice 2010
[10] Maitak G. P., Yudenkova I. N., Pasechnik M. G., Drozd N. A., patent rosyjski 510537,
1976
[11] Drozd N. A., Yudenkova I. N., Shuka O. N., patent rosyjski 528331, 1976