Olvídate del pegamento empulgueras, calor u otros métodos tradicionales de unión. Una colaboración dirigida por la Universidad de Cornell ha desarrollado una técnica de impresión 3-D que crea materiales metálicos celulares rompiendo partículas de polvo a una velocidad supersónica.

Esta forma de tecnología, conocido como "spray frío, "resulta en mecánicamente robusto, Estructuras porosas que son un 40% más resistentes que materiales similares fabricados con procesos de fabricación convencionales. El pequeño tamaño y la porosidad de las estructuras las hacen especialmente adecuadas para la construcción de componentes biomédicos, como articulaciones de reemplazo.

El papel del equipo, "Fabricación aditiva de estado sólido de Ti-6Al-4V poroso por impacto supersónico, "publicado el 9 de noviembre en Materiales aplicados hoy .

El autor principal del artículo es Atieh Moridi, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial Sibley.

"Nos enfocamos en hacer estructuras celulares, que tienen muchas aplicaciones en la gestión térmica, absorción de energía y biomedicina, "Dijo Moridi." En lugar de usar solo calor como entrada o fuerza impulsora para la unión, ahora estamos usando la deformación plástica para unir estas partículas de polvo ".

El grupo de investigación de Moridi se especializa en la creación de materiales metálicos de alto rendimiento mediante procesos de fabricación aditiva. En lugar de tallar una forma geométrica en un gran bloque de material, la fabricación aditiva construye el producto capa por capa, un enfoque de abajo hacia arriba que brinda a los fabricantes una mayor flexibilidad en lo que crean.

Sin embargo, La fabricación aditiva no está exenta de desafíos. El más importante de ellos:los materiales metálicos deben calentarse a altas temperaturas que exceden su punto de fusión, que puede causar la acumulación de tensión residual, distorsión y transformaciones de fase no deseadas.

Para eliminar estos problemas, Moridi y sus colaboradores desarrollaron un método utilizando una boquilla de gas comprimido para disparar partículas de aleación de titanio en un sustrato.

"Es como pintar, pero las cosas se acumulan mucho más en 3-D, "Dijo Moridi.

Las partículas tenían entre 45 y 106 micrones de diámetro (un micrón es una millonésima parte de un metro) y viajaban a aproximadamente 600 metros por segundo. más rápido que la velocidad del sonido. Para poner eso en perspectiva, otro proceso aditivo convencional, deposición directa de energía, entrega polvos a través de una boquilla a una velocidad del orden de 10 metros por segundo, haciendo que el método de Moridi sea sesenta veces más rápido.

Las partículas no solo se lanzan lo más rápido posible. Los investigadores tuvieron que calibrar cuidadosamente la velocidad ideal de la aleación de titanio. Normalmente en la impresión por pulverización en frío, una partícula se aceleraría en el punto óptimo entre su velocidad crítica (la velocidad a la que puede formar un sólido denso) y su velocidad de erosión, cuando se desmorona demasiado para unirse a nada.

En lugar de, El equipo de Moridi utilizó la dinámica de fluidos computacional para determinar una velocidad justo por debajo de la velocidad crítica de la partícula de aleación de titanio. Cuando se lanza a esta velocidad un poco más lenta, las partículas crearon una estructura más porosa, que es ideal para aplicaciones biomédicas, como articulaciones artificiales para la rodilla o la cadera, e implantes craneales / faciales.

"Si hacemos implantes con este tipo de estructuras porosas, y los insertamos en el cuerpo, el hueso puede crecer dentro de estos poros y hacer una fijación biológica, ", Dijo Moridi." Esto ayuda a reducir la probabilidad de que el implante se afloje. Y este es un gran problema. Hay muchas cirugías de revisión por las que los pacientes tienen que pasar para extraer el implante solo porque está suelto y causa mucho dolor ".

Si bien el proceso se denomina técnicamente rociado en frío, implicó algún tratamiento térmico. Una vez que las partículas chocaron y se unieron, los investigadores calentaron el metal para que los componentes se difundieran entre sí y se asentaran como un material homogéneo.

"Solo nos enfocamos en aleaciones de titanio y aplicaciones biomédicas, pero la aplicabilidad de este proceso podría ir más allá de eso, "Dijo Moridi." Esencialmente, cualquier material metálico que pueda soportar la deformación plástica podría beneficiarse de este proceso. Y abre muchas oportunidades para aplicaciones industriales a gran escala, como construcción, transporte y energía ".