“冷喷”技术：具有超声速度的3D印刷生物医学零件

该图显示了粘附在冷喷涂3D打印产生的钛合金的细胞，这证明了材料的生物相容性。

忘记胶水，螺钉，热或其他传统的粘合方法。康奈尔LED协作开发了一种3D打印技术，通过以超声速度粉碎粉末颗粒粉碎粉末颗粒来产生蜂窝金属材料。

这种形式的技术，称为“冷喷雾”，导致机械稳健，多孔结构，比用常规制造方法制成的类似材料强度40％。结构的小尺寸和孔隙度使它们特别适合建造生物医学部件，如更换关节。

该团队的论文，“由超音速制造的固态添加剂制造超音速制造”，于2020年11月9日发表于今天的应用材料。

本文的领先作者是Atieh Moridi，助理机械和航空航天工程学院助理教授。

“我们专注于制造蜂窝结构，在热管理，能量吸收和生物医学中具有大量应用，”莫利迪说。“而不是使用作为输入或粘合的驱动力仅使用热量，而是使用塑性变形来将这些粉末颗粒粘合在一起。”

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。而不是雕刻出几何形状，而不是块状物质，添加剂制造通过层构建产品层，这是一种自下而上的方法，使制造商在他们创造的内容中具有更大的灵活性。

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堆积，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。

颗粒在直径45和106微米之间（微米为百万分钟，每秒大约600米，比声速快。要将其放入角度来看，另一个主流添加剂，直接能量沉积，通过速度为每秒10米的速度以喷嘴提供粉末，使莫利迪的方法速度更快。

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。“

虽然该过程在技术上被称为冷喷雾，但它确实涉及一些热处理。一旦颗粒碰撞并结合在一起，研究人员加热金属，使得部件彼此扩散并像均匀材料一样居中。

“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。“

参考：“由Supersonic Ti-6Al-4V的固态添加剂制造由超音速冲击”，伊丽莎白J. Stewart，Akane Wakai，Hamid Assazi，Frank Gartner，Mario Guagliano，Thomas Klassen和Ming Dao，11月9日，应用材料今天.DOI：
10.1016 / J.APMT.202010.100865

共同作者包括博士生的博士·沃卡和麻省理工学院，米兰大学，伍斯特理工学院，布鲁内尔大学伦敦伦敦和赫尔穆特施密特大学的博士学位徒步旅行和研究人员。

部分由MIT-ITALY全球种子基金和波里米国际奖学金支持该研究。