用钛钽合金作3D打印材料来3D打印生物原型

钛合金在普通人眼里，一般都是火箭飞机导弹之类的庞大物件所用的原材料，而现实生活中用到钛合金的地方也有，但不是很多。百度百科是这么说的：钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构。可能猛的一想，钛合金似乎离我们的生活还有点距离，实则不然。目前已经有科学家将钛合金用于3D打印医疗领域，用来制造关节部位，由于钛合金对人体无害，所以钛合金成为最佳3D打印材料。但是钛的融点过高，直至3000度才能融化，最后才想到了钛钽合金的方法，使之能够成为我们3D打印机能够打印的原材料，效果不错，一起来看看。

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《带50%重量比钽金属的钛合金的选择性激光熔融：微结构和机械属性（Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum: Microstructure and mechanical properties）》。

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本文部分内容来源于天工社

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