麻省理工學(xué)院，康奈爾大學(xué)等的一組研究人員探索了一種用Ti64粉末進行3D打印的新方法。

冷噴涂技術(shù)在遠低于鈦熔點的溫度下運行，而不是利用動能作為主要能源朵诫。這樣，金屬粉末可以以超音速沉積以形成固態(tài)結(jié)合并產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)薄扁，從而改善了機械性能和與包骨前成骨細胞的生物相容性剪返。

單個Ti64顆粒的SEM成像。圖片來自麻省理工學(xué)院邓梅。

高溫3D打印的局限性

基于激光的3D打印過程通過將連續(xù)的原料層彼此熔化成薄層而起作用脱盲。在此過程中，該技術(shù)的高溫性質(zhì)可能會對最終部分產(chǎn)生不利影響日缨。

例如钱反，通過粉末床熔合制造的零件通常會承受較大的內(nèi)部殘余應(yīng)力，因此由掃描激光引起的循環(huán)加熱和冷卻會在3D打印的部件內(nèi)產(chǎn)生剪切應(yīng)力匣距。在極端情況下冷泵，這些殘余應(yīng)力可能會造成破壞性很大，扭曲梗药，變形和破裂的零件傀脑。

冷噴涂的目的是完全避免與熱有關(guān)的問題，而是將粉末顆粒從拉拉瓦爾噴嘴中加速至約600m / s的超音速沖擊速度自凛。這個想法是給噴射的材料足夠的動能茅苏，使其與下面的基板融合。對于Ti64费抚，冷噴涂溫度約為800 – 900 °C推兄，遠低于材料的熔點1626°C。在此工作溫度下斟拘，金屬足夠軟罢令，足以發(fā)生塑性變形，但又不至于太軟暑赏，以至于鈦一旦噴涂到基材上媒埃，其結(jié)構(gòu)完整性就會喪失。

樣品的光學(xué)顯微照片贼穆，分別在800 °C和900 °C下印刷题山，沉積緩慢且快速。圖片來自麻省理工學(xué)院故痊。

冷噴涂Ti64

為了測試鈦合金的技術(shù)顶瞳，該團隊非常簡單地對該材料進行了一些基本的沉積研究。他們發(fā)現(xiàn)愕秫，可以通過改變粉末沖擊速度來在空間上控制沉積物的孔隙率慨菱，從而實現(xiàn)最大孔隙率30％。

還發(fā)現(xiàn)，冷噴涂材料可產(chǎn)生優(yōu)于其他基于激光的3D打印技術(shù)的機械性能符喝。具體來說闪彼，研究人員確定了535MPa的表觀壓縮屈服強度，據(jù)報道协饲，其整體強度比高溫DED高42％畏腕。研究小組還指出，通過印刷后熱處理可以進一步提高抗壓強度茉稠。

最后描馅，由于沉積物的多孔性，冷噴涂的Ti64被證明與MC3T3-E1 SC4鼠類成骨細胞具有生物相容性扑姆。當然脸夸，這鞏固了其在骨植入物中使用的可行性，這是材料在增材制造領(lǐng)域內(nèi)外的非常普遍的應(yīng)用牌宜。最終米法，研究人員能夠證明一種替代性的單步固態(tài)3D打印工藝能夠生產(chǎn)出比傳統(tǒng)的高溫同類產(chǎn)品具有更高強度的生物相容性金屬零件，這預(yù)示著冷噴涂的未來奈株。

斷裂后3D打印樣品的SEM成像短户。圖片來自麻省理工學(xué)院。

有關(guān)研究的更多詳細信息稿焚，請參見標題為“通過超聲沖擊對多孔Ti-6Al-4V進行固態(tài)增材制造”的論文唇锡。它由Atieh Moridi等人合著。

在相似的研究用动，從研究人員代爾夫特理工大學(xué)能3D打印的多孔鈦骨植入具有抗菌性能矗绅。植入物再次由Ti64制成，使用稱為等離子電解氧化的方法進行生物功能化征蜻，從而團隊將鍶和銀納米顆粒裝載到植入物中叼枝，使其對金黃色葡萄球菌具有抗性。

在其他地方唉锌，來自安大略省莫霍克學(xué)院（Mohawk College）和麥克馬斯特大學(xué)（McMaster University）的研究人員成為第一個研究非傳統(tǒng)鈦合金Ti-5553對3D打印骨植入物的適用性的人隅肥。研究小組得出結(jié)論，Ti-5553的性能與成熟的Ti64非常相似袄简，表明Ti-5553作為3D打印骨植入材料的潛力很大腥放。

（白令三維）

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