忘记胶水、螺丝、加热或其他传统的粘合方法吧。康奈尔领导的一个合作小组开发了一种3D打印技术，通过超音速粉碎粉末颗粒，制造出多孔金属材料。
这种技术被称为“冷喷”，其结果是机械坚固、多孔结构比传统制造工艺制造的类似材料强度高40%。这种结构的小尺寸和多孔性使它们特别适合建造生物医学组件，比如替换关节。
该团队的论文《固体添加剂在超音速撞击下制造多孔Ti-6Al-4V》发表在11月9日的《应用材料》杂志上。
这篇论文的第一作者是西布利机械和航空航天工程学院的助理教授Atieh Moridi。
“我们专注于制造细胞结构，这在热管理、能量吸收和生物医学上有很多应用，”Moridi说。“我们现在使用塑性变形将这些粉末颗粒粘合在一起，而不是仅仅使用热作为输入或动力。”
Moridi的研究小组专注于通过增材制造工艺制造高性能金属材料。加法制造不是将一大块材料雕刻成几何形状，而是一层一层地构建产品，这种自下而上的方法让制造商在创造产品时拥有更大的灵活性。
然而，增材制造也不是没有自己的挑战。其中最重要的是:金属材料需要在超过其熔点的高温下加热，这可能导致残余应力积累、变形和不必要的相变。
为了消除这些问题，Moridi和合作者开发了一种方法，使用压缩气体喷嘴在基体上燃烧钛合金颗粒。
“这就像绘画一样，但在3D中可以建立更多的东西，”Moridi说。
这些粒子的直径在45到106微米之间(一微米是一米的百万分之一)，速度大约为每秒600米，比音速还要快。另一种主流的添加剂工艺，直接能量沉积，通过喷嘴以每秒10米的速度输送粉体，使Moridi的方法快了60倍。
粒子并不是尽可能快地抛出。研究人员必须仔细校准钛合金的理想速度。通常在冷喷印中，粒子会在其临界速度(可以形成致密固体的速度)和侵蚀速度之间的最佳位置加速，此时粒子碎裂太多，无法与任何物质结合。
相反，Moridi的团队使用计算流体力学来确定钛合金粒子临界速度下的速度。当以这种稍慢的速度发射时，粒子会产生更多孔的结构，这对于生物医学应用来说是理想的，比如膝关节或髋关节的人工关节，以及颅面植入物。
莫里迪说:“如果我们用这种多孔结构来做植入物，并将其植入人体，骨骼就可以在这些孔内生长，形成生物固定。”这有助于减少种植体松动的可能性。这是一件大事。因为植入物太松，会造成很大的疼痛，所以患者需要做很多手术来移除植入物。”
虽然这个过程在技术上被称为冷喷，但它确实涉及一些热处理。一旦这些粒子碰撞并结合在一起，研究人员就会对金属进行加热，这样这些成分就会相互扩散并像均匀物质一样沉淀下来。
Moridi说:“我们只关注钛合金和生物医学的应用，但这一工艺的适用性可能远远不止于此。”“从本质上说，任何能够承受塑性变形的金属材料都可以从这个过程中受益。”它为更大规模的工业应用提供了很多机会，比如建筑、交通和能源。”
合著者包括博士生Akane Wakai以及来自麻省理工学院、米兰理工大学、伍斯特理工学院、伦敦布鲁内尔大学和赫尔穆特施密特大学的研究人员。
这项研究的部分资助来自麻省理工学院-意大利全球种子基金和波利米国际奖学金。
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