I RICERCATORI DEL MIT ESPLORANO L’USO DELLA STAMPA 3D A BASSA TEMPERATURA PER GLI IMPIANTI MEDICI IN TITANIO
Un team di ricercatori del MIT , della Cornell University e altri hanno esplorato un nuovo metodo di stampa 3D con polvere Ti64.
La tecnica di spruzzatura a freddo opera a una temperatura molto inferiore a quella del punto di fusione del titanio, utilizzando invece l’energia cinetica come fonte di energia primaria. Come tale, la polvere metallica può essere depositata a velocità supersoniche per formare legami allo stato solido e creare strutture porose, con conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche e biocompatibilità con le cellule preosteoblastiche che avvolgono l’osso.
I processi di stampa 3D basati su laser funzionano fondendo strati successivi di materia prima uno sopra l’altro in strati sottili. Sebbene funzioni, la natura ad alta temperatura delle tecniche può avere effetti dannosi sulla parte finale.
Ad esempio, le parti fabbricate tramite fusione a letto di polvere spesso lottano con grandi tensioni residue interne, per cui il riscaldamento e il raffreddamento ciclico causati dal laser di scansione possono generare sollecitazioni di taglio all’interno di un componente stampato in 3D. In scenari estremi, queste sollecitazioni residue possono essere molto distruttive, deformare, deformare e incrinare la parte.
La spruzzatura a freddo è progettata per evitare del tutto i problemi legati al calore, accelerando invece le particelle di polvere a velocità di impatto supersoniche di circa 600 m / s da un ugello de Laval. L’idea è di dare al materiale gettato energia cinetica sufficiente per fondersi con il substrato sottostante. Nel caso del Ti64, la spruzzatura a freddo avviene a circa 800 – 900 ° C, molto al di sotto del punto di fusione del materiale di 1626 ° C. A questa temperatura di esercizio, il metallo è abbastanza morbido da consentire la deformazione plastica, ma non così morbido che il titanio perde la sua integrità strutturale una volta spruzzato sul substrato.
Per testare la tecnica con la lega di titanio, il team ha semplicemente condotto una serie di studi di deposizione di base con il materiale. Hanno scoperto che potevano controllare spazialmente la porosità dei depositi con modifiche alla velocità di impatto della polvere, ottenendo una porosità massima del 30%.
È stato anche scoperto che la spruzzatura a freddo del materiale potrebbe portare a proprietà meccaniche superiori a quelle di altre tecniche di stampa 3D basate su laser. In particolare, i ricercatori hanno determinato una resistenza allo snervamento alla compressione apparente di 535 MPa, che secondo quanto riferito è del 42% superiore alla DED ad alta temperatura. Il team afferma inoltre che questa resistenza alla compressione potrebbe essere ulteriormente migliorata con trattamenti termici post-stampa.
Infine, a causa della natura porosa dei depositi, il Ti64 spruzzato a freddo ha dimostrato di essere biocompatibile con cellule preosteoblastiche murine MC3T3-E1 SC4. Questo, ovviamente, ne consolida la fattibilità per l’uso negli impianti ossei, un’applicazione molto comune del materiale sia all’interno che all’esterno della sfera della produzione additiva. Alla fine, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che un processo di stampa 3D a stato solido alternativo in un unico passaggio era in grado di produrre parti metalliche biocompatibili con resistenze maggiori rispetto alle sue controparti ad alta temperatura più convenzionali, promettendo bene per il futuro della spruzzatura a freddo.
In uno studio simile, i ricercatori della Delft University of Technology sono stati in grado di stampare in 3D un impianto osseo poroso in titanio con proprietà antibatteriche . Sempre realizzato in Ti64, l’impianto è stato biofunzionalizzato utilizzando un metodo chiamato ossidazione elettrolitica al plasma, in base al quale il team ha caricato l’impianto con nanoparticelle di stronzio e argento, rendendolo resistente ai batteri Staphylococcus aureus.
Altrove, i ricercatori del Mohawk College e della McMaster University, con sede in Ontario, sono stati i primi a studiare l’idoneità del Ti-5553, una lega di titanio non convenzionale , per gli impianti ossei stampati in 3D. Il team ha concluso che Ti-5553 si è comportato in modo molto simile al ben consolidato Ti64, suggerendo un forte potenziale per Ti-5553 come materiale per impianti ossei stampato in 3D.
