以低温超音速3D列印打造生物医学元件

快速成型技术(rapid rototyping,RP)之一的3D列印近年来蔚为风潮,但列印金属的过程中,其高温可能会出现残留应力(residual stress)、相变(phase transition)与变形等缺点。美国康乃尔大学(Cornell University)机械及航太工程学助理教授莫里迪(Atieh Moridi)与其研究团队,开发出用超音速喷射、堆叠钛合金的新技术——冷喷射(cold spray),不但没有上述坏处,还能大幅增加产品的耐用性。研究发表于《当代应用材料》(Applied Materials Today)期刊。

高温处理金属有何缺点

3D列印的原理是先透过电脑扫描现有物体,或是用绘图设计出立体的三维模型,接着以切层软体将立体模型分割成二维几何形状,最后藉由制造器械将原料依着这些分解后的平面图案,层层列印堆叠起来,就能产出想要的成品。相对于传统将大块原料雕琢、切割的“减法式”加工方法,这种层层列印堆叠、“加法式”的积层制造(additive manufacturing, AM),在产制上有更多运用的空间与弹性。

然而,想要列印堆叠金属材料,势必要将温度提高超过金属的熔点,一般多是利用雷射加温将金属熔化再塑型。雷射加热、冷却的过程中会促使原料膨胀、收缩,若是原料内出现超过弹性限度的永久性变形,就有残留应力存在,这会让成品容易出现断裂、难以久用。另外,高温还可能会造成金属相态(如固、液与气态)突然变化,或是金属转变成超导体或绝缘体等的相变问题。

以冷喷射技术取代高温黏着

为了避开这些缺陷,莫里迪与合作者开发出用喷嘴加压气体来喷射堆叠钛合金等技术,打造出“冷喷射”。莫里迪进一步解释,“将冷喷射应用在制造Ti-6Al-4V(钛-6铝-4钒,一种高强度、高耐蚀性的钛合金)的多孔结构上,我们采用塑性变形(plastic deformation )黏着原理,来取代以往纯粹用加热来黏着粒子的手法。”

透过电脑精密计算,冷喷射控制能以约每秒600公尺的超音速(音速大约每秒343公尺)喷射45∼106微米(一微米等于10-6公尺)不等的颗粒,不但能达成塑性变形黏着,还有利于创造适合用在生物医学方面的多孔结构。假使速度过快,反而还会超出粒子负荷、降低黏着的效果。接着,多孔钛合金元件列印步骤结束后,会经过800、900℃的加热处理,好让金属颗粒达到更佳的黏着状态。

等等,不是才说它的名称叫作“冷”喷射吗?其实名称“冷”的意思是,相较起雷射列印超过钛合金熔点的1626℃而言,以相对低温就能制造钛合金元件,且其强度、品质均胜过雷射列印。

生物相容性更佳的新选择

除了成品耐用度升级外,研究亦显示,Ti-6Al-4V合金与鼠类的MC3T3-E1 SC4前成骨细胞有良好的相容性,不会引发免疫或发炎反应等危害;加上其多孔结构有许多的空隙,能让骨细胞生长、整合、固着,很适合用来当作如人工膝关节、髋臼、面部骨板与金属牙冠等骨科植入物的材料。

“许多病人回诊动手术的原因,就是因为植入物松动并造成疼痛困扰。利用多孔结构钛合金植入物能降低松动的机会,这对病者术后休养将会带来很大的改善。 ”莫里迪提到。尽管目前团队将研究聚焦在钛合金于生医方面的应用,但基本上能够承受塑性变型的金属材料,都能受惠于此技术。未来,冷喷射是有机会推展到建设、运输、能源等大型工业上使用,创造出更多的可能性。

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