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2020-12-15以低溫超音速3D列印打造生醫元件
468 期
Author 作者
林承勳。
快速成型技術（rapid rototyping,RP）之一的3D列印近年來蔚為風潮，但列印金屬的過程中，其高溫可能會出現殘留應力（residual stress）、相變（phase transition）與變形等缺點。美國康乃爾大學（Cornell University）機械及航太工程學助理教授莫里迪（Atieh Moridi）與其研究團隊，開發出用超音速噴射、堆疊鈦合金的新技術——冷噴射（cold spray），不但沒有上述壞處，還能大幅增加產品的耐用性。研究發表於《當代應用材料》（Applied Materials Today）期刊。
高溫處理金屬有何缺點
3D列印的原理是先透過電腦掃描現有物體，或是用繪圖設計出立體的三維模型，接著以切層軟體將立體模型分割成二維幾何形狀，最後藉由製造器械將原料依著這些分解後的平面圖案，層層列印堆疊起來，就能產出想要的成品。相對於傳統將大塊原料雕琢、切割的「減法式」加工方法，這種層層列印堆疊、「加法式」的積層製造（additive manufacturing, AM），在產製上有更多運用的空間與彈性。
然而，想要列印堆疊金屬材料，勢必要將溫度提高超過金屬的熔點，一般多是利用雷射加溫將金屬熔化再塑型。雷射加熱、冷卻的過程中會促使原料膨脹、收縮，若是原料內出現超過彈性限度的永久性變形，就有殘留應力存在，這會讓成品容易出現斷裂、難以久用。另外，高溫還可能會造成金屬相態（如固、液與氣態）突然變化，或是金屬轉變成超導體或絕緣體等的相變問題。
以冷噴射技術取代高溫黏著
為了避開這些缺陷，莫里迪與合作者開發出用噴嘴加壓氣體來噴射堆疊鈦合金等技術，打造出「冷噴射」。莫里迪進一步解釋，「將冷噴射應用在製造Ti-6Al-4V（鈦－6鋁－4釩，一種高強度、高耐蝕性的鈦合金）的多孔結構上，我們採用塑性變形（plastic deformation）黏著原理，來取代以往純粹用加熱來黏著粒子的手法。」
透過電腦精密計算，冷噴射控制能以約每秒600公尺的超音速（音速大約每秒343公尺）噴射45∼106微米（一微米等於10-6公尺）不等的顆粒，不但能達成塑性變形黏著，還有利於創造適合用在生物醫學方面的多孔結構。假使速度過快，反而還會超出粒子負荷、降低黏著的效果。接著，多孔鈦合金元件列印步驟結束後，會經過800、900℃的加熱處理，好讓金屬顆粒達到更佳的黏著狀態。
等等，不是才說它的名稱叫作「冷」噴射嗎？其實名稱「冷」的意思是，相較起雷射列印超過鈦合金熔點的1626℃而言，以相對低溫就能製造鈦合金元件，且其強度、品質均勝過雷射列印。
生物相容性更佳的新選擇
除了成品耐用度升級外，研究亦顯示，Ti-6Al-4V合金與鼠類的MC3T3-E1 SC4前成骨細胞有良好的相容性，不會引發免疫或發炎反應等危害；加上其多孔結構有許多的空隙，能讓骨細胞生長、整合、固著，很適合用來當作如人工膝關節、髖臼、面部骨板與金屬牙冠等骨科植入物的材料。
「許多病人回診動手術的原因，就是因為植入物鬆動並造成疼痛困擾。利用多孔結構鈦合金植入物能降低鬆動的機會，這對病者術後休養將會帶來很大的改善。」莫里迪提到。儘管目前團隊將研究聚焦在鈦合金於生醫方面的應用，但基本上能夠承受塑性變型的金屬材料，都能受惠於此技術。未來，冷噴射是有機會推展到建設、運輸、能源等大型工業上使用，創造出更多的可能性。
新聞來源
Atieh Morid et al., Solid-state additive manufacturing of porous Ti-6Al-4V by supersonic impact, Applied Materials Today, 2020.