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塑料技术论文
研究人员用超音速3d打印生物医学部件

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康奈尔大学领导的一项合作开发了一种3D打印技术,这种技术通过以超音速粉碎粉末粒子来制造细胞状金属材料。

这种被称为“冷喷涂”的技术可以制造出机械坚固的多孔结构,其强度比用传统制造工艺制造的类似材料高40%。这种结构的小尺寸和多孔性使其特别适合建造生物医学组件,如置换关节。万博平台盘口

该团队的论文,“由超音速制造多孔TI-6AL-4V的固态添加剂”,11月9日发表于今天的应用材料。

这篇论文的主要作者是康奈尔大学机械和航空航天工程学院的助理教授Atieh Moridi。

Moridi说:“我们专注于制造在热管理、能量吸收和生物医学方面有很多应用的细胞结构。”“我们不再只使用热量作为黏合的输入或驱动力,现在我们使用塑性变形将这些粉末颗粒粘在一起。”

Moridi的研究小组专注于通过添加制造工艺创造高性能金属材料。然而,添加剂制造并非没有自己的挑战。其中最重要:需要在超过其熔点的高温下加热金属材料,这可能导致残留应力累积,失真和不需要的相变。

为了消除这些问题,莫迪迪和合作者使用压缩气体喷嘴来开发了一种方法,以在基材上灭火钛合金颗粒。

“这就像绘画,但事情在3D中增加了更多的东西,”莫利迪说。

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),以大约每秒600米的速度移动,比声速还快。为了更好地理解这一点,另一种主流的添加剂工艺,直接能量沉积,通过一个喷嘴以每秒10米的速度输送粉末,这使得Moridi的方法快了60倍。

颗粒不仅可以尽快击落。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,颗粒将在其临界速度之间的甜点加速 - 当它崩溃到任何东西时,它可以形成致密固体的速度和其侵蚀速度。

相反,Moridi的团队使用了计算流体动力学来确定钛合金颗粒的临界速度下的速度。当以这种稍慢的速率发射时,颗粒产生了更多孔的结构,这是生物医学应用的理想选择,例如膝盖或臀部的人工关节,以及颅骨/面部植入物。

“如果我们用这些多孔结构制作植入物,我们将它们插入体内,骨骼可以在这些毛孔内生长并进行生物固定,”莫利迪说。“这有助于降低植入物松动的可能性。这是一个很大的事。有很多修正的手术,患者必须经过拆除植入物,因为它松动,它会导致很多痛苦。“

虽然这个过程在技术上被称为冷喷涂,但它确实涉及一些热处理。一旦这些粒子碰撞并结合在一起,研究人员就会加热金属,这样这些成分就会相互扩散,并像均匀物质一样沉淀下来。

“我们只专注于钛合金和生物医学应用,但这种过程的适用性可能超出,”莫利蒂说。“基本上,任何可以忍受塑性变形的金属材料可以受益于此过程。它为大规模的工业应用提供了很多机会,如建筑,运输和能源。“

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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