研究人员以超音速3D打印生物医学部件

忘记胶水，螺丝，热量或其他传统的粘合方法。康奈尔大学领导的一项合作开发了一种3-D打印技术，该技术通过以超音速将粉末颗粒粉碎在一起来制造多孔金属材料。

这种形式的技术称为“冷喷涂”，可产生机械坚固的多孔结构，其强度比采用传统制造工艺制造的类似材料强40%。该结构的小尺寸和孔隙率使其特别适合于建造生物医学部件，例如置换关节。

该小组的论文“通过超音速冲击法进行多孔Ti-6Al-4V的固态增材制造”于11月9日在《今日应用材料》上发表。

该论文的主要作者是Sibley机械与航空航天工程学院的助理教授Atieh Moridi。

莫里迪说：“我们专注于制造蜂窝结构，该结构在热管理，能量吸收和生物医学中有许多应用。” “现在，我们不再仅仅使用热量作为粘合的输入或驱动力，而是通过塑性变形将这些粉末颗粒粘合在一起。”

Moridi的研究小组专门致力于通过增材制造工艺来制造高性能金属材料。增材制造不是从大量材料上雕刻出几何形状，而是逐层构建产品，这是一种自下而上的方法，可为制造商提供更大的灵活性。

但是，增材制造并非没有其自身的挑战。其中最重要的是：金属材料需要在超过其熔点的高温下加热，这可能导致残留应力累积，变形和有害的相变。

为了消除这些问题，Moridi和合作者开发了一种方法，该方法使用压缩气体喷嘴将钛合金颗粒发射到基板上。

莫里迪说：“这就像画画一样，但是在3-D模式下，事情变得越来越多。”

粒子的直径在45到106微米之间(一微米是一米的百万分之一)，并以每秒约600米的速度传播，比声音的速度还快。可以理解的是，另一种主流的添加剂工艺，即直接能量沉积，以每秒10米的速度通过喷嘴输送粉末，使Moridi的方法快了60倍。

不仅要尽快投掷粒子。研究人员必须仔细校准钛合金的理想速度。通常，在冷喷涂印刷中，当粒子压碎得太多而无法与任何物体粘合时，粒子会在其临界速度(可以形成致密固体的速度)与侵蚀速度之间的最佳点加速。

相反，Moridi的团队使用计算流体动力学来确定刚好低于钛合金颗粒临界速度的速度。当以这种稍慢的速度发射时，这些颗粒会形成一个更多孔的结构，非常适合生物医学应用，例如膝盖或臀部的人工关节以及颅骨/面部植入物。

莫里迪说：“如果我们制造出具有这种多孔结构的植入物，并将其插入体内，骨骼就会在这些孔中生长并进行生物固定。” “这有助于减少植入物松动的可能性。这是一个很大的问题。很多翻修手术的病人必须去除植入物，因为植入物松动并且会引起很多痛苦。”

虽然该过程在技术上称为冷喷涂，但确实需要进行一些热处理。一旦粒子碰撞并结合在一起，研究人员就将金属加热，使各组分彼此扩散并像均匀材料一样沉降。

莫里迪说：“我们只专注于钛合金和生物医学应用，但这一工艺的适用性可能不止于此。” “基本上，任何可以承受塑性变形的金属材料都可以从该过程中受益。它为诸如建筑，运输和能源等大规模工业应用提供了很多机会。”

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