Ritka helyzet, ha egy orvosi fejlesztésből nagyipari technológia válhat. Most pedig ez történt. De ennek a protézisekre, implantátumokra szorulók örülhetnek a legjobban. A Cornell Egyetem által vezetett tudományos fejlesztési együttműködésben a kutatók létrehoztak egy olyan 3D nyomtatási technikát, amely sejtszerkezetű fémes anyagokat hoz létre porszemcsék szuperszonikus sebességű összeütköztetésével. Ez a "hideg permet" névre keresztelt technológia mechanikailag robusztus, porózus szerkezeteket eredményez, amelyek 40 százalékkal erősebbek a hagyományos gyártási eljárásokkal készült hasonló anyagoknál. A szerkezetek kis mérete és porozitása miatt különösen jól alkalmazhatók biomedicinális alkatrészek, például ízületek építéséhez.
A csapat tanulmánya az Applied Materials Today anyagtudományi folyóiratban jelent meg. A dolgozat vezető szerzője, Atieh Moridi , az egyetem gépészeti és repüléstechnikai fakultásának kutatója kifejtette, hogy olyan sejtszerkezetek előállítására összpontosítottak, amelyeknek sok felhasználási lehetősége van a hő-menedzsmentben, az energiaelnyelésben és a biomedicinában.
Fémszemcséről fémszemcsére építkeznek
Moridi kutatócsoportja arra specializálódott, hogy nagy teljesítményű fémes anyagokat állítsanak elő a hozzáadásra alapuló gyártási folyamatok (úgynevezett additív gyártás ) révén. Ez azt jelenti, hogy nem kimarják a geometriai alakzatot egy nagy anyagtömbből, hanem rétegenként építik fel a terméket, újabb és újabb réteget hordva fel. Olyan ez, mintha a művész nem kifaragná a szobrot, hanem márványporból állítaná össze porszemről porszemre. Ez az alulról felfelé építkező megközelítés nagyobb rugalmasságot ad a gyártóknak.
Az anyaghozzáadással történő gyártásnak is megvannak a maga kihívásai. Közülük az a legfontosabb, hogy a fémes anyagokat olvadáspontjukat meghaladó hőmérsékletig kell hevíteni, ami kedvezőtlenül befolyásolhatja tulajdonságaikat, torzulást és nem kívánt szövetszerkezeti változásokat okozhat. A legegyszerűbben ezt a rosszul edzett, és ezért merevvé, törékennyé váló acél példája mutatja.
E problémák kiküszöbölése érdekében Moridi és munkatársai kifejlesztettek egy módszert, amelyben sűrített gázzal fúvatják ki a szubsztrátumként szolgáló titánötvözet részecskéket. A részecskék átmérője 45-106 mikron (a mikron a méter egymilliomod része), és másodpercenként nagyjából 600 méteres sebességgel haladnak, azaz a hangnál közel kétszer gyorsabban. A jelenleg elterjedt anyaghozzáadásos folyamatokban a porokat egy fúvókán keresztül másodpercenként 10 méteres sebességgel lövik ki. Moridi módszere ennél hatvanszor gyorsabb.
Éppen megfelelő sebességgel
Nem egyszerűen a legnagyobb sebesség elérése a lényeg. A kutatóknak gondosan kalibrálniuk kellett a titánötvözet ideális sebességét. A hideg permetezéses nyomtatás során egy részecske sebessége kritikus tényező az optimális hatás eléréséhez, amely sűrű szilárd anyagot képezhet. Ha túl nagy vagy túl kicsi a sebesség, akkor azt eróziós sebességnek nevezik, mert ilyenkor a részecskék nincsenek olyan állapotban, hogy bármihez kötődjenek. Moridi csapata arra számított, hogy e kritikus sebességtartomány alsó határán elérhetnek egy újszerű anyagszerkezetet. Meghatározták azt az értéket - közvetlenül a titánötvözet részecske kritikus sebessége alatt - amely porózusabb fémszerkezetet eredményezett, azaz ideális biomedicinális alkalmazásokhoz, például a térd vagy a csípő mesterséges ízületeihez , valamint a koponya- és arcimplantátumokhoz.
"Ha ilyen porózus szerkezetű implantátumokat készítünk, és behelyezzük őket a szervezetbe, akkor a csont növekedhet ezekben a pórusokban, és biológiai rögzítés jön létre. Ez segít csökkenteni az implantátum meglazulásának valószínűségét, ami óriási előrelépés. Számos sok fájdalommal járó revíziós műtétre csak azért kerül sor, mert a kilazult implantátumot el kell távolítani" - mondta Moridi. Bár a folyamatot technikailag hideg permetnek nevezik, mégis kíván némi hőkezelést. Miután a részecskék összeütköztek és összekapcsolódtak, a kutatók felmelegítették a fémet, így az alkatrészek diffundálódtak egymásba, majd homogén anyagként szilárdultak meg.
A kutatók beszámolója szerint csak a titánötvözetekre és az orvosbiológiai alkalmazásokra összpontosítottak, de a módszerük túlléphet ezen a területen. Lényegében minden olyan fémes anyag, amely képes elviselni a plasztikai deformációkat, használható lehet ebben az eljárásban, ami új lehetőségeket nyit meg az építés, a szállítás és az energiaipar területén is.
