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研究人员使用钛钽合金改进3D打印植入物的应力吸收

来源:芒钛网 发布时间:(2016-05-09)分类:钛的应用字体:   

  由于其出色的物理性能和抗感染性,钛合金是制造诸如膝关节/髋关节植入物这样的骨科装置的首要选择。日前,来自新加坡科技研究局(A*STAR)的一个研 究团队发现使用具有有趣属性的钛、钽粉末可以3D打印出具有更好的应力吸收能力的定制植入物。到目前为止,研究人员们主要使用选择性激光熔融(SLM)技 术和钛铝基粉末来3D打印生物原型。SLM技术通常使用高功率激光器来根据计算机设计模型逐层构建3D对象。但是由于铝这种元素对人体神经有着长期不良影 响,导致科学家们希望能够找到其它材料来取代它。


  为此来自A*STAR下属新加坡制造技术研究所(SIMTech)的Florencia Edith Wiria和南洋理工大学新加坡3D打印中心的Wai Yee Yeong发起了一个合作研究项目,希望通过开发一种创新的金属共混物来使用SLM技术3D打印出更好的钛合金生物医疗产品。


  理论上说,钛、钽元素组成的合金是绝对没有问题的,因为这两种金属都拥有生物相容性,而且其机械属性要由于纯钛。但是钽金属的熔点非常高(超过3000摄氏度),这就意味着将钛金属变成可用于SLM技术的球形金属粉末在经济上基本不可行。而市场上常见的钽粉通常是通过气体雾化形成的长条形粗糙微粒。


  为了克服这一问题,研究团队将这种粗糙的钽金属粉与另外一种市场上现成的微球形钛金属粉末混合在一起。在将这两种材料混合半天之后,他们观察到这种混合物可以铺设得更加均匀,更便于SLM技术使用。显微镜实验揭示在混合之后钛金属的球形形状仍然保留,这是该混合物可成功用于3D打印的关键。


  




  “钛粉在这里充当了一个滚动媒介的角色。”Wiria解释说:“它推动了钽粉,使SLM的处理成为可能。”


  通过将一种棋盘式的激光扫描模式上下交替熔融金属或者从一边到另一边的移动来减少热应力,研究人员成功地使用SLM技术制造出了钛钽合金的3D形状。出人意料的是,通过X射线和其它成像技术探测表明,钽金属的加入,再加上快速凝固,促进和稳定了高强度的层状钛晶粒的形成。


  研究人员预计,这种钛钽合金将能够减轻“应力遮挡”效应,所谓的“应力遮挡”效应是指植入物的硬度过高导致其邻近的骨骼得不到足够的力学刺激而导致骨质疏松的现象。“这些合金是专门被设计用于骨骼科应用的,甚至有可能在变形后,显示出某种形状记忆能力。”Yeong说。


  这项研究成果已经被发表在了2016年3月5日出版的《Alloys and Compounds》杂志上,论文题目是《Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum: Microstructure and mechanical properties》。

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