康奈尔领导的合作团队开发了一种3D打印技术，通过以超音速将粉末颗粒粉碎在一起，可以制造出多孔金属材料。
这种形式的技术被称为“冷喷涂”，其结果是机械坚固的多孔结构，比传统制造工艺制造的类似材料的强度高40%。这种结构的小尺寸和多孔性使其特别适合于建造生物医学组件，如替代关节。万博平台盘口
2020年11月9日发表在《今日应用材料》(Applied Materials Today)上的论文《超音速撞击制备多孔Ti-6Al-4V的固态增材制造》(Solid-State Additive Manufacturing of Porous Ti-6Al-4V)。
这篇论文的主要作者是康奈尔大学机械与航空航天工程学院的助理教授Atieh Moridi。
Moridi说:“我们专注于制造细胞结构，这在热管理、能量吸收和生物医学方面有很多应用。”“我们现在使用塑料变形将这些粉末颗粒粘合在一起，而不是仅仅使用热作为粘合的输入或驱动力。”
Moridi的研究小组专门通过增材制造工艺制造高性能金属材料。然而，增材制造也不是没有自己的挑战。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，这可能会导致残余应力积聚、变形和不必要的相变。
为了消除这些问题，Moridi和合作者开发了一种方法，使用压缩气体喷嘴在基底上燃烧钛合金颗粒。
Moridi说:“这就像绘画，但更多的是3D效果。”
这些粒子的直径在45到106微米之间(一微米是一米的百万分之一)，速度约为每秒600米，比声速还快。从这个角度来看，另一种主流的添加剂工艺，直接能量沉积，通过喷嘴以每秒10米的速度输送粉末，使Moridi的方法快了60倍。
这些粒子并不是尽可能快地抛出。研究人员必须仔细校准钛合金的理想速度。通常在冷喷打印中，粒子会在临界速度(形成致密固体的速度)和侵蚀速度之间的最佳点加速，此时粒子会碎裂得太厉害，无法粘在任何东西上。
相反，Moridi的团队使用计算流体动力学来确定一个刚好在钛合金粒子临界速度之下的速度。当以这种稍慢的速度发射时，这些粒子会产生更多孔的结构，这对于生物医学应用非常理想，比如膝关节或髋关节的人工关节，以及颅骨/面部植入物。
Moridi说:“如果我们用这种多孔结构做植入物，并将其植入体内，骨头就可以在这些多孔结构中生长，并形成生物固定。”“这有助于降低植入物松动的可能性。这是一件大事。患者必须进行很多翻修手术，移除植入物，因为它很松，会造成很多疼痛。”
虽然这个过程在技术上被称为冷喷涂，但它确实涉及到一些热处理。一旦粒子碰撞并结合在一起，研究人员就会对金属进行加热，这样这些部件就会相互扩散，并像一种均匀的材料一样沉淀下来。
Moridi说:“我们只专注于钛合金和生物医学应用，但这一过程的适用性可能超出这一范围。”“基本上，任何能够承受塑性变形的金属材料都可以从这一过程中受益。它为建筑、交通和能源等更大规模的工业应用打开了许多机会。”
合著者包括博士生Akane Wakai和来自麻省理工学院、米兰理工大学、伍斯特理工学院、伦敦布鲁内尔大学和赫尔穆特施密特大学的研究人员。
来源:康奈尔大学纪事报
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