Новая технология 3D-печати сталкивает частицы титана на сверхзвуке

С помощью сверхзвукового столкновения частиц титана ученые получили пористые структуры, подходящие для изготовления имплантов нового поколения

Традиционная 3D-печать заключается в нанесении с помощью насадки пластика, гидрогелей, живых клеток или других материалов. Слой за слоем они выдавливаются по трафарету для создания объемного объекта. Металлические детали обычно печатаются на 3D-принтере другими способами, от импульсов лазера на слой металлического порошка для выборочного плавления частей желаемой формы или обжиг металлического порошка на высокой скорости, в результате чего его частицы сплавляются воедино.

Последний метод известен как «холодное распыление», и новая технология расширяет его. Команда Корнуэлла столкнула частицы титанового сплава, каждая размером от 45 до 106 микрон, со скоростью до 600 метров в секунду (для справки: скорость звука в воздухе составляет около 340 метров в секунду). Команда рассчитала это как идеальную скорость — если бы она была выше, при ударе частицы вместо связки просто отлетали бы друг от друга.

После столкновения материалы нагреваются для размягчения, что способствует лучшему сцеплению частиц. Этот процесс тщательно контролируется с использованием температур до 900 °C, что значительно ниже точки плавления титана, равной 1626 °C.

Конечным результатом является металлический объект с пористой структурой, который может быть до 42% прочнее, чем аналогичные объекты, изготовленные с использованием обычных производственных процессов. Разница, по словам команды, заключается в том, что новый метод не фокусируется на высокой температуре в качестве основного фактора, ведь именно он может ослабить материал.

«Мы сосредоточились на создании ячеистых структур, которые находят множество применений в областях управления температурой, поглощения энергии и биомедицине», — рассказал Атие Мориди, ведущий автор исследования. «Вместо того, чтобы использовать только тепло в качестве входа или движущей силы для связывания, теперь мы также используем пластическую деформацию, чтобы скрепить частицы порошка в единое целое».

Исследователи говорят, что новый метод особенно хорошо подходит для создания биомедицинских имплантатов, потому что пористая структура дает клеткам пациентов место, за которое они могут «цепляться», помогая восстановить естественную ткань и закрепить имплант.

«Если мы сделаем имплантаты с подобными пористыми структурами и вставим их в тело, кость может прорасти внутри этих пор и создать биологическую фиксацию», — уверен Мориди. «Это помогает снизить вероятность расшатывания имплантата. И это — ощутимый шаг вперед. Пациентам приходится проходить множество повторных операций, чтобы удалить имплант только потому, что он расшатался и вызывает сильную боль».