vergeet lijm, schroeven, warmte of andere traditionele hechtmethoden. Een door Cornell University geleide samenwerking heeft een 3D-printtechniek ontwikkeld die cellulaire metalen materialen creëert door poederdeeltjes met supersonische snelheid tegen elkaar te slaan.

Deze vorm van technologie, bekend als "koude spray, " resulteert in mechanisch robuust, poreuze structuren die 40% sterker zijn dan vergelijkbare materialen gemaakt met conventionele productieprocessen. De kleine afmetingen en porositeit van de structuren maken ze bijzonder geschikt voor het bouwen van biomedische componenten, zoals vervangende gewrichten.

De krant van het team, "Solid-State Additive Fabricage van poreus Ti-6Al-4V door Supersonic Impact, " gepubliceerd op 9 november in Toegepaste materialen vandaag .

De hoofdauteur van het artikel is Atieh Moridi, assistent-professor aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering.

"We hebben ons gericht op het maken van cellulaire structuren, die veel toepassingen hebben in thermisch beheer, energieabsorptie en biogeneeskunde, "Zei Moridi. "In plaats van alleen warmte te gebruiken als input of de drijvende kracht voor binding, we gebruiken nu plastische vervorming om deze poederdeeltjes aan elkaar te binden."

Moridi's onderzoeksgroep is gespecialiseerd in het creëren van hoogwaardige metalen materialen door middel van additieve fabricageprocessen. In plaats van een geometrische vorm uit een groot blok materiaal te snijden, Additive Manufacturing bouwt het product laag voor laag op, een bottom-upbenadering die fabrikanten meer flexibiliteit geeft in wat ze maken.

Echter, Additive Manufacturing is niet zonder zijn eigen uitdagingen. De belangrijkste daarvan:metalen materialen moeten worden verwarmd bij hoge temperaturen die hun smeltpunt overschrijden, wat kan leiden tot restspanning, vervorming en ongewenste fasetransformaties.

Om deze problemen op te lossen, Moridi en medewerkers ontwikkelden een methode waarbij een mondstuk van gecomprimeerd gas wordt gebruikt om deeltjes van een titaniumlegering op een substraat af te vuren.

"Het is als schilderen, maar dingen bouwen veel meer op in 3D, ' zei Moridi.

De deeltjes waren tussen de 45 en 106 micron in diameter (een micron is een miljoenste van een meter) en verplaatsten zich met ongeveer 600 meter per seconde, sneller dan de snelheid van het geluid. Om dat in perspectief te plaatsen, een ander mainstream additief proces, directe energiedepositie, levert poeders door een mondstuk met een snelheid in de orde van 10 meter per seconde, waardoor Moridi's methode zestig keer sneller gaat.

De deeltjes worden niet zomaar zo snel mogelijk weggeslingerd. De onderzoekers moesten de ideale snelheid van titaniumlegering zorgvuldig kalibreren. Typisch bij koude sproeidruk, een deeltje zou versnellen op de goede plek tussen zijn kritische snelheid - de snelheid waarmee het een dichte vaste stof kan vormen - en zijn erosiesnelheid, wanneer het te veel afbrokkelt om zich ergens aan te hechten.

In plaats daarvan, Moridi's team gebruikte computationele vloeistofdynamica om een ​​snelheid te bepalen net onder de kritische snelheid van het titaniumlegeringdeeltje. Wanneer gelanceerd in deze iets langzamere snelheid, de deeltjes creëerden een meer poreuze structuur, wat ideaal is voor biomedische toepassingen, zoals kunstgewrichten voor de knie of heup, en craniale/gezichtsimplantaten.

"Als we implantaten maken met dit soort poreuze structuren, en we plaatsen ze in het lichaam, het bot kan in deze poriën groeien en een biologische fixatie maken, " Zei Moridi. "Dit helpt de kans op het losraken van het implantaat te verminderen. En dit is een groot probleem. Er zijn veel revisieoperaties die patiënten moeten ondergaan om het implantaat te verwijderen, alleen omdat het los zit en het veel pijn veroorzaakt."

Hoewel het proces technisch koude spray wordt genoemd, er was wel wat warmtebehandeling bij betrokken. Zodra de deeltjes botsten en aan elkaar hechtten, de onderzoekers verhitten het metaal zodat de componenten in elkaar zouden diffunderen en zouden bezinken als een homogeen materiaal.

"We hebben ons alleen gericht op titaniumlegeringen en biomedische toepassingen, maar de toepasbaarheid van dit proces zou verder kunnen gaan, "Zei Moridi. "In wezen, elk metallisch materiaal dat plastische vervorming kan verdragen, kan baat hebben bij dit proces. En het biedt veel mogelijkheden voor grootschalige industriële toepassingen, zoals constructie, vervoer en energie."