Dimentica colla, viti, calore o altri metodi di incollaggio tradizionali. Un team guidato da ricercatori della Cornell University ha ora sviluppato una tecnica di stampa 3D che crea materiali metallici cellulari frantumando insieme particelle di polvere a velocità supersonica.

Una nuova tecnica spray

Questa forma di tecnologia, nota come “spray freddo“, si traduce in strutture porose meccanicamente robuste. Queste sono il 40% più resistenti di materiali simili realizzati con processi di produzione convenzionali. Le piccole dimensioni e la porosità delle strutture le rendono particolarmente adatte per la realizzazione di componenti biomedicali come i giunti di ricambio.

Il team riporta la tecnica in un articolo su Applied Materials Today. Atieh Moridi, assistente professore presso la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering presso la Cornell University, è l’autore principale dell’articolo.

“Ci siamo concentrati sulla creazione di strutture cellulari, che hanno molte applicazioni nella gestione termica, assorbimento di energia e biomedicina. Invece di utilizzare solo il calore come input, ora stiamo usando la deformazione plastica per legare insieme queste particelle di polvere”.

ha detto Moridi

Il gruppo di ricerca di Moridi è specializzato nella creazione di materiali metallici ad alte prestazioni attraverso processi di produzione additiva. Piuttosto che scolpire una forma geometrica da un grande blocco di materiale, la produzione additiva costruisce una struttura strato per strato, un approccio dal basso verso l’alto che offre ai produttori una maggiore flessibilità in ciò che creano.

Tuttavia, la produzione additiva non è priva di sfide. Il primo tra questi è che i materiali metallici devono essere riscaldati a temperature elevate che superano il loro punto di fusione, il che può causare accumulo di tensioni residue, distorsioni e trasformazioni di fase indesiderate.

Per eliminare questi problemi, Moridi e collaboratori hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D che utilizza un ugello di gas compresso per sparare particelle di lega di titanio su un substrato. “È come dipingere, ma le cose si sviluppano molto di più in 3D”, ha detto Moridi.

L’importanza della velocità

Le particelle non vengono solo scagliate il più rapidamente possibile. I ricercatori hanno dovuto calibrare con attenzione la velocità ideale della lega di titanio. Nella stampa a spruzzo freddo, una particella verrebbe tipicamente accelerata nel punto mediotra la sua velocità critica – la velocità alla quale può formare un solido denso – e la sua velocità di erosione – la velocità al di sopra della quale si sbriciola troppo per legarsi a qualsiasi cosa.

Invece, il team ha utilizzato la fluidodinamica computazionale per determinare una velocità appena al di sotto della velocità critica della particella di lega di titanio. Quando sono state lanciate a questa velocità leggermente più lenta, le particelle hanno creato una struttura più porosa, ideale per applicazioni biomediche come articolazioni artificiali per ginocchio o anca e impianti cranici / facciali.

“Se realizziamo impianti con questo tipo di strutture porose e le inseriamo nel corpo, l’osso può crescere all’interno di questi pori e creare una fissazione biologica. Questo aiuta a ridurre la probabilità di allentamento dell’impianto. E questo è un grosso problema. Ci sono molti interventi chirurgici di revisione che i pazienti devono sottoporsi a rimuovere l’impianto solo perché è allentato e causa molto dolore”.

ha detto Moridi.

Sebbene il processo sia tecnicamente definito spray freddo, ha comportato un trattamento termico. Una volta che le particelle si sono scontrate e si sono legate insieme, i ricercatori hanno riscaldato il metallo in modo che i componenti si fondessero l’uno nell’altro e si depositassero come un materiale omogeneo.

“Qualsiasi materiale metallico in grado di sopportare la deformazione plastica potrebbe trarre vantaggio da questo processo. E apre molte opportunità per applicazioni industriali su larga scala, come l’edilizia, i trasporti e l’energia”.

ha detto Moridi.

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