麻省理工学院的研究人员探索将低温3D打印用于钛医疗植入物

国际金属加工网 2020年11月18日

麻省理工学院,康奈尔大学等的一组研究人员探索了一种用Ti64粉末进行3D打印的新方法。

冷喷涂技术在远低于钛熔点的温度下运行,而不是利用动能作为主要能源。这样,金属粉末可以以超音速沉积以形成固态结合并产生多孔结构,从而改善了机械性能和与包骨前成骨细胞的生物相容性。

单个Ti64颗粒的SEM成像。图片来自麻省理工学院。

高温3D打印的局限性

基于激光的3D打印过程通过将连续的原料层彼此熔化成薄层而起作用。在此过程中,该技术的高温性质可能会对最终部分产生不利影响。

例如,通过粉末床熔合制造的零件通常会承受较大的内部残余应力,因此由扫描激光引起的循环加热和冷却会在3D打印的部件内产生剪切应力。在极端情况下,这些残余应力可能会造成破坏性很大,扭曲,变形和破裂的零件。

冷喷涂的目的是完全避免与热有关的问题,而是将粉末颗粒从拉拉瓦尔喷嘴中加速至约600m / s的超音速冲击速度。这个想法是给喷射的材料足够的动能,使其与下面的基板融合。对于Ti64,冷喷涂温度约为800 – 900 °C,远低于材料的熔点1626°C。在此工作温度下,金属足够软,足以发生塑性变形,但又不至于太软,以至于钛一旦喷涂到基材上,其结构完整性就会丧失。

样品的光学显微照片,分别在800 °C和900 °C下印刷,沉积缓慢且快速。图片来自麻省理工学院。

冷喷涂Ti64

为了测试钛合金的技术,该团队非常简单地对该材料进行了一些基本的沉积研究。他们发现,可以通过改变粉末冲击速度来在空间上控制沉积物的孔隙率,从而实现最大孔隙率30%。

还发现,冷喷涂材料可产生优于其他基于激光的3D打印技术的机械性能。具体来说,研究人员确定了535MPa的表观压缩屈服强度,据报道,其整体强度比高温DED高42%。研究小组还指出,通过印刷后热处理可以进一步提高抗压强度。

最后,由于沉积物的多孔性,冷喷涂的Ti64被证明与MC3T3-E1 SC4鼠类成骨细胞具有生物相容性。当然,这巩固了其在骨植入物中使用的可行性,这是材料在增材制造领域内外的非常普遍的应用。最终,研究人员能够证明一种替代性的单步固态3D打印工艺能够生产出比传统的高温同类产品具有更高强度的生物相容性金属零件,这预示着冷喷涂的未来。

断裂后3D打印样品的SEM成像。图片来自麻省理工学院。

有关研究的更多详细信息,请参见标题为“通过超声冲击对多孔Ti-6Al-4V进行固态增材制造”的论文。它由Atieh Moridi等人合着。

在相似的研究,从研究人员代尔夫特理工大学能3D打印的多孔钛骨植入具有抗菌性能。植入物再次由Ti64制成,使用称为等离子电解氧化的方法进行生物功能化,从而团队将锶和银纳米颗粒装载到植入物中,使其对金黄色葡萄球菌具有抗性。

在其他地方,来自安大略省莫霍克学院(Mohawk College)和麦克马斯特大学(McMaster University)的研究人员成为第一个研究非传统钛合金Ti-5553对3D打印骨植入物的适用性的人。研究小组得出结论,Ti-5553的性能与成熟的Ti64非常相似,表明Ti-5553作为3D打印骨植入材料的潜力很大。



(白令三维)

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