这张图片显示的是细胞粘附在由冷喷3D打印生成的钛合金上，展示出材料的生物相容性。
不用胶、螺丝、加热或其他传统的粘合方法，康奈尔大学领导的一合作项目开发出一种3D打印技术，通过超声速将粉末颗粒一起粉碎以制造多孔金属材料。
这种被称为“冷喷涂”的技术形式使得多孔结构具有足够的机械强度，比传统制造工艺制造的类似材料坚固40%。这种结构的小尺寸和多孔性使其特别适合于打造生物医学组件，比如置换的关节。
该团队的论文“SolidState Additive Manufacturing o f P o r o u s T i - 6 A l - 4 V b y Supersonic Impact”（超声速冲击固态增材制造多孔Ti-6Al-4V）发表在《应用材料》上。
这篇论文的第一作者Atieh Moridi是康奈尔大学机械与航空航天工程系的助理教授。
Moridi说：“我们专注于制造多孔结构，多孔结构在热管理、能量吸收和生物医学方面有很多应用。我们不再只把加热作为粘合的输入或驱动力，而是使用塑性变形来将这些粉末颗粒粘合在一起。”
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。增材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，这是一种自下而上的方法，让制造商在创造产品时拥有更大的灵活性。
然而，增材制造也有其自身的挑战。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累积、变形和不必要的相变。
为了消除这些问题，Moridi和他的合作者开发了一种方法，使用压缩气体喷嘴在基板上点燃钛合金颗粒。Moridi说：“这就像绘画，但三维中构建的东西要多得多。”
这些粒子的直径在45~106微米之间（1微米是1米的百万分之一），运动速度约为每秒600米，比声速还快。为了更好地理解这一速度，以另一种主流的添加剂工艺，直接能量沉积为例，其喷嘴以每秒10米的速度递送粉末，Moridi的方法相比快了60倍。
粒子的出射速度并不是越快越好。研究人员必须仔细校准钛合金的理想速度。通常在冷喷印刷中，颗粒要在临界速度和侵蚀速度之间找到最佳点加速，临界速度时将形成致密固体，而侵蚀速度时颗粒碎裂得太厉害，无法粘住任何东西。
区别于传统校准方式，Moridi的团队使用计算流体动力学确定了一个速度，这个速度稍稍慢于临界速度。当粒子以这种稍微慢一点的速度发射时，会形成更加多孔的结构，此形态对于生物医学应用非常理想，比如用于膝关节或髋关节的人工关节，以及颅面部移植。
Moridi说：“如果我们将这种多孔结构植入体内，骨头就可以在这些多孔内生长，形成生物固定。这有助于降低假体松动的可能性。这很重要。如果假体松动引起很大的疼痛，患者必须进行多次修正手术来取出植入物。”
虽然这个过程在技术上被称为冷喷涂，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，研究人员就对金属进行加热，金属成分扩散到彼此之间，像均匀的材料一样沉淀下来。
Moridi说：“我们只专注于钛合金和生物医学应用，但该工艺的适用性可能远远不止这些。”“基本上，任何能承受塑性变形的金属材料都能从这一过程中受益。”这为建筑、交通和能源等大规模工业应用开拓了很多机会。” （曾欣欣）
