Забудьте о клее, шурупах, нагревании или других традиционных методах склеивания. Совместное исследование  под руководством Корнельского университета привело к разработке техники 3D-печати, которая создает ячеистые металлические материалы путем измельчения частиц порошка на сверхзвуковой скорости. Эта технология, известная как «холодное напыление», приводит к механически прочным пористым структурам, которые на 40% прочнее аналогичных материалов, изготовленных с помощью обычных производственных процессов. Небольшой размер и пористость структур делают их особенно подходящими для создания биомедицинских компонентов, таких как заменяющие соединения.

 

 

Доклад команды «Твердотельное аддитивное производство пористого Ti-6Al-4V с помощью сверхзвукового удара» опубликован 9 ноября в журнале Applied Materials Today. Ведущий автор статьи - Атие Мориди, доцент Школы механической и аэрокосмической инженерии Сибли.

 

«Мы сосредоточились на создании клеточных структур, которые находят множество применений в терморегуляции, поглощении энергии и биомедицине», - сказал Мориди. «Вместо того, чтобы использовать только тепло в качестве входа или движущей силы для связывания, теперь мы используем пластическую деформацию, чтобы связать эти частицы порошка вместе».

Исследовательская группа Мориди специализируется на создании высокоэффективных металлических материалов с помощью процессов аддитивного производства. Вместо того, чтобы вырезать геометрическую форму из большого блока материала, аддитивное производство строит продукт слой за слоем, подход, который дает производителям большую гибкость в том, что они создают.

 

Однако аддитивное производство не обходится без проблем. Самый главный из них: металлические материалы необходимо нагревать до высоких температур, превышающих их точку плавления, что может вызвать накопление остаточных напряжений, деформацию и нежелательные фазовые превращения. Чтобы устранить эти проблемы, Мориди и его сотрудники разработали метод, использующий сопло сжатого газа для выстрела частиц титанового сплава на подложку. «Это похоже на рисование, но в 3D всё гораздо больше», - сказал Мориди.

 

Частицы имели диаметр от 45 до 106 микрон (микрон составляет одну миллионную метра) и перемещались со скоростью примерно 600 метров в секунду, что превышает скорость звука. Чтобы представить это в перспективе, можно сказать, что другой распространенный аддитивный процесс, прямое энергетическое осаждение (DED), доставляет порошки через сопло со скоростью порядка 10 метров в секунду, что делает метод Мориди в шестьдесят раз быстрее.

 

щательно откалибровать идеальную скорость для титанового сплава. Обычно при печати холодным распылением частица будет ускоряться в оптимальном месте между ее критической скоростью - скоростью, с которой она может образовывать плотное твердое тело - и скоростью эрозии, когда она слишком сильно крошится, чтобы сцепиться с чем-либо.

 

Вместо этого команда Мориди использовала вычислительную гидродинамику для определения скорости чуть ниже критической скорости частицы титанового сплава. При запуске с несколько меньшей скоростью частицы создавали более пористую структуру, которая идеально подходит для биомедицинских применений, таких как искусственные суставы колена или бедра, а также черепные / лицевые имплантаты.

 

«Если мы сделаем имплантаты с такими пористыми структурами и вставим их в тело, кость может вырасти внутри этих пор и создать биологическую фиксацию», - сказал Мориди. «Это помогает снизить вероятность расшатывания имплантата. И это большое дело. Пациентам приходится проходить множество повторных операций, чтобы удалить имплант только потому, что он расшатался и вызывает сильную боль».

 

Хотя технически этот процесс называется холодным напылением, он включает в себя некоторую термическую обработку. Как только частицы столкнулись и соединились вместе, исследователи нагрели металл, чтобы компоненты диффундировали друг в друга и оседали, как однородный материал.

 

«Мы сосредоточились только на титановых сплавах и биомедицинских приложениях, но применимость этого процесса может выходить за рамки этого», - сказал Мориди. «По сути, любой металлический материал, который может выдерживать пластическую деформацию, может выиграть от этого процесса. И это открывает множество возможностей для более крупных промышленных приложений, таких как строительство, транспорт и энергетика ».

 

Соавторами являются докторант Аканэ Вакаи и исследователи из Массачусетского технологического института, Миланского политехнического университета, Вустерского политехнического института, Лондонского университета Брунеля и университета Гельмута Шмидта. Исследование было частично поддержано Глобальным посевным фондом MIT-Италия и Международной стипендией Polimi.

 

Источник: https://news.cornell.edu/stories/2020/11/researchers-3d-print-biomedical-parts-supersonic-speed