研究人员以超音速三维打印生物医学部件

忘掉胶水、螺丝、加热或其他传统的粘合方法吧。康奈尔大学(Cornell University)领导的一项合作开发出了一种3D打印技术，通过以超音速将粉末颗粒粉碎在一起，创造出蜂窝金属材料。这种被称为冷喷涂的技术可以产生机械坚固的效果，比用传统制造工艺制造的类似材料要坚固40%。这些结构尺寸小，孔隙率高，特别适合建造生物医学组件，比如置换关节。

该团队的论文《超声波冲击法固态添加剂制造多孔Ti-6Al-4V》发表在11月9日的《今日应用材料》(Applications Material Today)杂志上，该论文名为《固体添加剂制造多孔钛-6Al-4V》(Solid-State Additive Manufacturing of多孔Ti-6Al-4V)。

这篇论文的主要作者是Sibley机械和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，这在热管理、能量吸收和生物医学方面有很多应用。我们现在用塑性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。

莫里迪的研究小组专门从事通过添加剂制造工艺制造高性能金属材料。加法制造不是从一大块材料中雕刻出几何形状，而是一层一层地制造产品，这是一种自下而上的方法，让制造商在生产时有更大的灵活性。

然而，加法制造也不是没有挑战。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，这可能会导致残馀应力积累、变形和不必要的相变。

为了消除这些问题，Moridi和他的合作者开发了一种方法，使用压缩气体喷嘴向衬底发射钛合金颗粒。

这些粒子的直径在45微米到106微米之间(一微米相当于百万分之一米)，速度大约为每秒600米，比音速还快。相比之下，另一种主流的添加剂过程，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。

这些粒子并不是以最快的速度抛出的。研究人员不得不仔细校准钛合金的理想速度。通常，在冷喷涂打印中，颗粒会在临界速度(形成致密固体的速度)和侵蚀速度之间的最佳位置加速，因为当颗粒崩塌得太厉害，无法与任何东西粘合在一起时。

取而代之的是，莫里迪的团队使用计算流体力学来确定钛合金颗粒的临界速度之下的速度。当以这种略慢的速度发射时，颗粒产生了更多的多孔结构，这是生物医学应用的理想选择，例如膝盖或髋关节的人工关节，以及颅骨/面部植入物。

莫里迪说，如果我们制造具有这种多孔结构的植入物，并将它们植入体内，骨骼就可以在这些毛孔中生长，并进行生物固定。这有助于降低植入物松动的可能性。这是一件大事。仅仅因为植入物松动而且会带来很大的疼痛，患者就必须进行大量的翻修手术才能取出植入物。

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。一旦颗粒碰撞并粘合在一起，研究人员就会加热金属，使其成分相互扩散，像均匀的材料一样沉淀下来。

莫里迪说：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不止于此。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提供了很多机会。更多信息：Atieh Moridi等人，利用超音速冲击制造多孔Ti-6Al-4V的固态添加剂，《今日应用材料》(2020)。DOI：10.1016/j.apmt.2020.100865。

引文：研究人员以超音速三维打印生物医学部件(2020年11月10日)，从https://phys.org/news/2020-11-d-biomedical-supersonic.html网站检索。

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