Công nghệ “Phun lạnh” các bộ phận y sinh in 3D với tốc độ siêu thanh

Ngày tạo: 16/11/2020 4:31:10 CH

Hình ảnh này cho thấy các tế bào kết dính với hợp kim titan được tạo ra bằng cách in 3D phun lạnh, chứng tỏ tính tương thích sinh học của vật liệu. Tín dụng: Đại học Cornell

Quên keo, vít, nhiệt hoặc các phương pháp kết dính truyền thống khác. Một sự hợp tác do Cornell dẫn đầu đã phát triển một kỹ thuật in 3D tạo ra các vật liệu kim loại tế bào bằng cách đập các hạt bột lại với nhau ở tốc độ siêu thanh.

Dạng công nghệ này, được gọi là “phun lạnh”, tạo ra các cấu trúc xốp, cứng về mặt cơ học, mạnh hơn 40% so với các vật liệu tương tự được tạo ra bằng quy trình sản xuất thông thường. Kích thước nhỏ và độ xốp của cấu trúc làm cho chúng đặc biệt phù hợp để xây dựng các bộ phận y sinh, như khớp nối thay thế.

Bài báo của nhóm, "Sản xuất chất phụ gia thể rắn của Ti-6Al-4V bằng tác động siêu âm", được xuất bản vào ngày 9 tháng 11 năm 2020, trên tạp chí Applied Materials Today.

Tác giả chính của bài báo là Atieh Moridi, trợ lý giáo sư tại Trường Cơ khí và Hàng không Vũ trụ Sibley.

Moridi cho biết: “Chúng tôi tập trung vào việc tạo ra các cấu trúc tế bào, có rất nhiều ứng dụng trong quản lý nhiệt, hấp thụ năng lượng và y sinh học. “Thay vì chỉ sử dụng nhiệt làm đầu vào hoặc động lực để liên kết, giờ đây chúng tôi đang sử dụng biến dạng dẻo để liên kết các hạt bột này với nhau”.

Nhóm nghiên cứu của Moridi chuyên tạo ra các vật liệu kim loại hiệu suất cao thông qua các quy trình sản xuất phụ gia. Thay vì khắc một hình dạng hình học từ một khối vật liệu lớn, sản xuất phụ gia xây dựng từng lớp sản phẩm, một phương pháp tiếp cận từ dưới lên giúp các nhà sản xuất linh hoạt hơn trong những gì họ tạo ra.

Tuy nhiên, sản xuất phụ gia không phải là không có những thách thức riêng. Quan trọng nhất trong số đó: Vật liệu kim loại cần được nung ở nhiệt độ cao vượt quá điểm nóng chảy của chúng, điều này có thể gây ra sự tích tụ ứng suất dư, biến dạng và biến đổi pha không mong muốn.

Để loại bỏ những vấn đề này, Moridi và các cộng sự đã phát triển một phương pháp sử dụng một vòi phun khí nén để bắn các hạt hợp kim titan tại chất nền.

Moridi nói: “Nó giống như một bức tranh, nhưng mọi thứ được xây dựng nhiều hơn trong 3D.

Các hạt này có đường kính từ 45 đến 106 micrômet (micrômet là một phần triệu mét) và di chuyển với tốc độ khoảng 600 mét mỗi giây, nhanh hơn tốc độ âm thanh. Để thực hiện điều đó, một quy trình phụ gia chính thống khác, lắng đọng năng lượng trực tiếp, cung cấp bột qua vòi phun với vận tốc 10 mét / giây, làm cho phương pháp của Moridi nhanh hơn sáu mươi lần.

Các hạt không chỉ bị ném càng nhanh càng tốt. Các nhà nghiên cứu đã phải hiệu chỉnh cẩn thận tốc độ lý tưởng của hợp kim titan. Điển hình trong quá trình in phun lạnh, một hạt sẽ tăng tốc tại điểm ngọt giữa vận tốc tới hạn của nó - tốc độ mà nó có thể tạo thành một chất rắn dày đặc - và vận tốc xói mòn của nó, khi nó vỡ vụn quá nhiều để liên kết với bất cứ thứ gì.

Thay vào đó, nhóm của Moridi đã sử dụng động lực học chất lỏng tính toán để xác định tốc độ ngay dưới vận tốc tới hạn của hạt hợp kim titan. Khi được phóng với tốc độ chậm hơn một chút này, các hạt tạo ra cấu trúc xốp hơn, lý tưởng cho các ứng dụng y sinh, chẳng hạn như khớp nhân tạo cho đầu gối hoặc hông, và cấy ghép sọ / mặt.

Moridi cho biết: “Nếu chúng tôi tạo ra các thiết bị cấy ghép với những cấu trúc xốp này và chúng tôi đưa chúng vào cơ thể, xương có thể phát triển bên trong những lỗ chân lông này và tạo ra sự cố định sinh học. “Điều này giúp giảm khả năng cấy ghép bị lỏng lẻo. Và đây là một vấn đề lớn. Có rất nhiều ca phẫu thuật chỉnh sửa mà bệnh nhân phải trải qua để loại bỏ mô cấy chỉ vì nó bị lỏng và gây ra rất nhiều đau đớn ”.

Trong khi về mặt kỹ thuật, quá trình này được gọi là phun lạnh, nó đã bao gồm một số xử lý nhiệt. Khi các hạt va chạm và liên kết với nhau, các nhà nghiên cứu đã đốt nóng kim loại để các thành phần sẽ khuếch tán vào nhau và lắng xuống như một vật liệu đồng nhất.

Moridi nói: “Chúng tôi chỉ tập trung vào hợp kim titan và các ứng dụng y sinh, nhưng khả năng ứng dụng của quy trình này có thể vượt xa hơn thế. “Về cơ bản, bất kỳ vật liệu kim loại nào có thể chịu được biến dạng dẻo đều có thể được hưởng lợi từ quá trình này. Và nó mở ra rất nhiều cơ hội cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn hơn, như xây dựng, giao thông vận tải và năng lượng ”.

Nguồn: scitechdaily

Tags: artec eva artec scanner artec 3d scanner artec spider artec eva 3d scanner artec 3d scanner price artec eva price artec eva scanner artec spider scanner artec eva 3d artec eva 3d scanner price artec 3d spider artec spider 3d scanner price máy quét artec máy quét 3d cầm tay máy quét 3D máy scan mini artec máy scan artec máy scan cầm tay máy scan 3d