Oubliez la colle, des vis, chaleur ou d'autres méthodes de collage traditionnelles. Une collaboration dirigée par l'Université Cornell a développé une technique d'impression 3D qui crée des matériaux métalliques cellulaires en brisant ensemble des particules de poudre à une vitesse supersonique.

Cette forme de technologie, connu sous le nom de « pulvérisation à froid », " se traduit par une robustesse mécanique, des structures poreuses 40 % plus résistantes que des matériaux similaires fabriqués avec des procédés de fabrication conventionnels. La petite taille et la porosité des structures les rendent particulièrement bien adaptées à la construction de composants biomédicaux, comme les joints de remplacement.

Le papier de l'équipe, "Fabrication additive à l'état solide de Ti-6Al-4V poreux par impact supersonique, " publié le 9 novembre dans Matériaux appliqués aujourd'hui .

L'auteur principal de l'article est Atieh Moridi, professeur adjoint à l'École de génie mécanique et aérospatial Sibley.

"Nous nous sommes concentrés sur la fabrication de structures cellulaires, qui ont de nombreuses applications en gestion thermique, absorption d'énergie et biomédecine, " dit Moridi. " Au lieu d'utiliser uniquement la chaleur comme entrée ou force motrice pour la liaison, nous utilisons maintenant la déformation plastique pour lier ces particules de poudre ensemble."

Le groupe de recherche de Moridi est spécialisé dans la création de matériaux métalliques hautes performances grâce à des procédés de fabrication additive. Plutôt que de sculpter une forme géométrique dans un gros bloc de matière, la fabrication additive construit le produit couche par couche, une approche ascendante qui donne aux fabricants une plus grande flexibilité dans ce qu'ils créent.

Cependant, la fabrication additive n'est pas sans défis. Au premier plan :les matériaux métalliques doivent être chauffés à des températures élevées dépassant leur point de fusion, qui peut provoquer une accumulation de contraintes résiduelles, distorsion et transformations de phase indésirables.

Pour éliminer ces problèmes, Moridi et ses collaborateurs ont développé une méthode utilisant une buse de gaz comprimé pour tirer des particules d'alliage de titane sur un substrat.

"C'est comme la peinture, mais les choses s'accumulent beaucoup plus en 3D, " dit Moridi.

Les particules mesuraient entre 45 et 106 microns de diamètre (un micron équivaut à un millionième de mètre) et se déplaçaient à environ 600 mètres par seconde, plus rapide que la vitesse du son. Pour mettre cela en perspective, un autre processus additif traditionnel, dépôt d'énergie directe, délivre des poudres à travers une buse à une vitesse de l'ordre de 10 mètres par seconde, rendre la méthode de Moridi soixante fois plus rapide.

Les particules ne sont pas simplement projetées aussi rapidement que possible. Les chercheurs ont dû soigneusement calibrer la vitesse idéale de l'alliage de titane. Typiquement dans l'impression par pulvérisation à froid, une particule accélérerait dans le sweet spot entre sa vitesse critique - la vitesse à laquelle elle peut former un solide dense - et sa vitesse d'érosion, quand il s'effondre trop pour se lier à quoi que ce soit.

Au lieu, L'équipe de Moridi a utilisé la dynamique des fluides computationnelle pour déterminer une vitesse juste en dessous de la vitesse critique de la particule d'alliage de titane. Lorsqu'il est lancé à ce rythme légèrement plus lent, les particules ont créé une structure plus poreuse, ce qui est idéal pour les applications biomédicales, comme les articulations artificielles du genou ou de la hanche, et implants crâniens/faciaux.

"Si nous fabriquons des implants avec ce genre de structures poreuses, et nous les insérons dans le corps, l'os peut se développer à l'intérieur de ces pores et faire une fixation biologique, " Moridi a déclaré. "Cela aide à réduire la probabilité de descellement de l'implant. Et c'est une grosse affaire. Il y a beaucoup de chirurgies de révision que les patients doivent subir pour retirer l'implant simplement parce qu'il est lâche et qu'il cause beaucoup de douleur."

Bien que le processus soit techniquement appelé pulvérisation à froid, cela impliquait un traitement thermique. Une fois que les particules sont entrées en collision et liées ensemble, les chercheurs ont chauffé le métal pour que les composants se diffusent les uns dans les autres et se déposent comme un matériau homogène.

"Nous nous sommes concentrés uniquement sur les alliages de titane et les applications biomédicales, mais l'applicabilité de ce processus pourrait être au-delà de cela, " dit Moridi. " Essentiellement, tout matériau métallique pouvant supporter une déformation plastique pourrait bénéficier de ce processus. Et cela ouvre de nombreuses opportunités pour des applications industrielles à plus grande échelle, comme la construction, transport et énergie.