激光粉末床熔融成形表面球状特征对金属-聚合物机械互锁性能的定量分析与优化研究

本研究针对金属增材制造(LPBF)零件表面粗糙度高导致聚合物涂层结合力不足的问题，通过深度学习(R-CNN)和有限元模拟(FEM)定量分析球状特征(BLFs)的几何参数(d/D、D)，发现5-10μm小尺寸、高密度分布(D=50μm)的BLFs可使机械互锁应力达47MPa，为牙科矫治器等医疗器械免后处理提供新思路。

　　

金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术近年来在医疗器械领域大放异彩，但一个"甜蜜的烦恼"始终困扰着工程师们——激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）成形的金属表面总是布满凹凸不平的"小疙瘩"。传统观念认为这些被称为"球化效应"（balling effect）的表面缺陷必须通过抛光、研磨等后处理工序消除。但波兰比亚韦斯托克理工大学的Mehmet Aladag团队在《Next Materials》发表的研究却颠覆了这一认知：这些令人头疼的"瑕疵"，或许正是提升金属-聚合物结合强度的秘密武器。

研究团队将目光锁定在牙科正畸托架这一典型医疗器械上。这类需要同时满足力学性能和生物相容性要求的精密器件，往往需要在金属基体上覆盖聚合物涂层。传统工艺依赖化学粘合剂，但复杂几何形状常导致粘接失效。受自然界"倒钩结构"启发，科学家们曾尝试激光刻蚀等主动加工方法制造机械互锁（mechanical interlocking）结构，但成本高昂且工艺复杂。而LPBF成形过程中自然形成的球状特征（Ball-Like Features, BLFs），恰巧具有类似的锚定潜力。

为验证这一设想，研究团队采用多尺度表征技术：通过扫描电镜（SEM）获取BLFs的二维形貌，微计算机断层扫描（μ-CT）重建三维几何特征，并创新性地引入区域卷积神经网络（R-CNN）实现特征参数的自动提取。基于实测数据建立代表性体积单元（RUV）有限元模型，系统模拟不同几何参数（直径D、颈部直径d、间距D*）对聚乙烯醚酮（PEEK）涂层剥离行为的影响。

微几何特征定量分析

显微分析揭示BLFs直径D呈20-50μm偏态分布，较原料粉末粒径小5-10μm。三维重构显示约33%的BLFs呈现明显"蘑菇状"结构（d/D<1），其中15%具有显著悬垂特征（d/D≈0.53）。表面密度N_A随取向变化显著（59-780/mm²），最高密度相当于每40×40μm²区域就存在一个锚定点。

有限元模拟关键发现

在间距D*=50μm、摩擦系数μ=0.3的最优条件下，d/D=0.53的BLFs可产生800mN的分离抗力，是普通特征（d/D≈0.9）的16倍。计算表明：虽然仅15%的高效BLFs承担主要载荷，但其产生的表观互锁应力仍可达47.6MPa，远超牙科应用要求的6-8MPa标准。即便在无摩擦（μ=0）的保守估计下，5MPa的基础强度仍优于传统粘接方案。

临床意义与产业价值

这项研究为LPBF医疗器械表面处理提供了新范式：传统认为必须消除的"缺陷"，反而成为功能化设计的天然资源。特别对于需要周期性受力的牙科矫治器，BLFs形成的机械互锁可避免化学粘合剂老化失效问题。研究还指出未来优化方向——通过工艺调控增加高效BLFs（d/D<0.6）的比例，或可进一步提升界面强度。

该成果的突破性在于将"被动适应"转化为"主动利用"，这种逆向思维不仅节省了后处理成本，更开辟了"制造即功能"的新理念。正如通讯作者Krzysztof Jan Kurzydlowski教授强调的："自然界没有绝对的缺陷，只有尚未认识的特征功能。"这一发现对个性化医疗器械的批量定制生产具有重要指导意义。