مجالات التطبيق وتطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد لسبائك التيتانيوم

يُعدّ التيتانيوم من أكثر المعادن استخدامًا في التصنيع الإضافي، ويُستخدم في صناعات الطيران والفضاء، واستبدال المفاصل، والأدوات الجراحية، وهياكل الدراجات الهوائية ودراجات السباق، والإلكترونيات، وغيرها من المنتجات عالية الأداء. وتُقدّر العديد من الصناعات التيتانيوم وسبائكه لقوته الميكانيكية العالية، ونسبة قوته إلى وزنه المرتفعة، ومقاومته الأفضل للتآكل مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ. يُمكن استخدام هذه المادة في تصنيع الصواريخ والطائرات الأخف وزنًا، مما يُساهم في توفير الوقود وزيادة الحمولة. كما يُمكن استخدامه في صناعة إلكترونيات أخف وزنًا، مثل الهواتف الذكية ونظارات الواقع الافتراضي، بالإضافة إلى استخدامه في الغرسات الطبية. علاوةً على ذلك، عند دمج الخصائص الطبيعية للتيتانيوم مع الإمكانيات الفريدة للطباعة ثلاثية الأبعاد، ستتضح المزايا بشكلٍ أكبر. إذن، ما هي الاستخدامات المحددة للتيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد؟ وما هي استخدامات التيتانيوم الشائعة؟ طابعةهل هي معروضة للبيع؟

△ أجزاء من التيتانيوم مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

مفاصل الورك من شركة GE Additive، وشفرات المراوح من شركة Sciaky، ورؤوس الصواريخ من شركة Arcam Darker، ومكونات شبكية من التيتانيوم من شركة 3D Systems، ودعامات من التيتانيوم من شركة EOS، وغرسات جراحية للعمود الفقري من شركة Zenith Tecnica

الطباعة ثلاثية الأبعاد تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد تصنيع التيتانيوم بكفاءة أعلى مع تقليل هدر المواد الخام. وباعتبارها تقنية تصنيع إضافية، تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن عادةً المواد اللازمة لبناء القطعة فقط، بالإضافة إلى كمية قليلة نسبيًا من مواد الدعم الهيكلية. كما تُمكّن الطباعة ثلاثية الأبعاد من تصميمات معقدة، مثل القنوات الداخلية والأجزاء المجوفة أو المملوءة بشبكة لتقليل الوزن، وهي تصميمات غير ممكنة بأي طريقة تصنيع أخرى. ولعدم الحاجة إلى قوالب أو أدوات، تُتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم إمكانية إنتاج قطع فريدة من نوعها، مثل الغرسات المصممة خصيصًا لكل مريض، والنماذج الأولية، وأدوات البحث، بتكلفة فعّالة. وهناك أمثلة لا حصر لها على استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم في تطوير مجالات التصنيع والرعاية الصحية واستكشاف الفضاء وغيرها.

تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد سبائك التيتانيوم

△في عام ٢٠٢٣، أصدرت بانيراي ساعة Submersible S Brabus PAM01283 المزودة بعلبة من التيتانيوم مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تُظهر الصورة على اليمين أن هولثينريشز ديكونستركتد أطلقت أول ساعة من التيتانيوم مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد بالتيتانيوم على نطاق واسع بالفعل لإنتاج منتجات متنوعة مثل الأجهزة الطبية والدراجات عالية الأداء والساعات الفاخرة والإلكترونيات الاستهلاكية، على أمل تقديم منتجات خفيفة الوزن ولكنها قوية من خلال تصميمات مبتكرة وغالبًا ما تكون مخصصة.

● المنتجات الدقيقة والمنتجات الإلكترونية

تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد إنتاج أجزاء معقدة من التيتانيوم ذات جدران رقيقة للغاية، والتي تُستخدم غالبًا في صناعة علب الساعات، مثل ساعات بانيرأي وهولثينريش الموضحة أعلاه. ويُقال إن علب الساعات المصنوعة من سبائك التيتانيوم ستكون أيضًا جزءًا من ساعة أبل ألترا القادمة.

غطاء مفصل ناقل الحركة المصنوع من سبائك التيتانيوم بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والمستخدم في هاتف Honor Magic V2 القابل للطي لعام 2023

في عام 2023، أطلقت شركة Honor، المتخصصة في صناعة الهواتف الذكية، هاتفها الجديد القابل للطي Magic V2، والذي يتميز بغطاء ناقل حركة مفصلي مصنوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من التيتانيوم، وهو أخف وزنًا وأقوى بنسبة 150% من الإصدار السابق المصنوع من الألومنيوم. وأوضحت Honor أن هذه القطعة الصغيرة من التيتانيوم، التي يمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد بعشرات الآلاف، هي سر متانة المنتج وسلاسة طيه وفتحه.

● زراعة الأجهزة الطبية والأسنان

△حصل نظام Construx Mimi Ti Spacer System، وهو غرسة تيتانيوم مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من إنتاج شركة American Orthofix Medical، على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في عام 2021

في المجال الطبي، حققت غرسات التيتانيوم المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد نجاحًا ملحوظًا في تطبيقات العمود الفقري والورك والركبة والأطراف، وذلك بفضل التوافق الحيوي المتأصل في المعدن وخصائصه الميكانيكية الجيدة، فضلًا عن إمكانية طباعة هياكل مسامية مخصصة (مما يُتيح الاندماج العظمي) وإمكانية تخصيصها على نطاق واسع لتحقيق نتائج أفضل للمرضى. وتحظى غرسات التيتانيوم المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بموافقة الجهات التنظيمية ويزداد الطلب عليها. ونظرًا لأن معظم الغرسات الطبية تُصنع لتناسب عددًا كبيرًا من الأشخاص الذين يعانون من نفس الحالة، فإنها لا تُناسب الجميع، وغالبًا ما تُستثنى منها الحالات النادرة. أما الآن، وبفضل الطباعة ثلاثية الأبعاد، أصبح من الممكن إنتاج غرسات مصممة خصيصًا لكل مريض على حدة.

في عام 2023، أجرى جراح في المملكة المتحدة أربع عمليات جراحية للمعصم في يوم واحد، باستخدام صفائح تيتانيوم مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مصممة خصيصًا لكل مريض لتصحيح تشوهات المعصم الناتجة عن كسور سابقة. وقال الدكتور أكشاي مالهوترا، استشاري جراحة العظام والمسؤول السريري عن جراحة اليد والمعصم: "بمجرد اكتمال عملية التخطيط هذه، تُطبع الصفائح المصممة خصيصًا باستخدام مسحوق التيتانيوم، ثم تُختبر وتُشحن إلى المملكة المتحدة وتُعقم في مستشفى المقاطعة استعدادًا للجراحة".

تتميز براغي التيتانيوم المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من شركة CoreLink ببنية مسامية تعزز نمو العظام، بالإضافة إلى مفاصل الأصابع التيتانيومية الجديدة المصممة خصيصًا لكل مريض من قبل اتحاد FingerKit.

استخدم أطباء مستشفى مانيبال في الهند تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالتيتانيوم لعلاج مريض سرطان كان ورمه يدمر صدره عام ٢٠٢٢. عادةً ما تكون الغرسات بهذا الحجم ثقيلة جدًا على الجسم البشري، ولكن نظرًا لخفة وزن التيتانيوم وقوته العالية، حيث يزن أقل من ٢٥٠ غرامًا، فهو مثالي لطباعة الغرسات داخل الجسم. وبفضل نجاح هذه الغرسة المطبوعة ثلاثية الأبعاد، تعافى المريض تمامًا وعاد إلى حياته الطبيعية دون الحاجة إلى أجهزة تنفس خارجية.

△من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد بالتيتانيوم، تمكنت شركة Angel Cycle Works من تقليل الوزن بشكل كبير وتحسين تصميم دراجة Heaven الجديدة

يُعدّ التيتانيوم المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد شائعًا في دراجات الأداء الحديثة. يُستخدم التيتانيوم في أذرع التدوير، ومقابض الفرامل، وجذع المقود، وعلاقات ناقل الحركة، وحتى في الهياكل الكاملة. يتميز التيتانيوم بقوة الألومنيوم وخفة ألياف الكربون، دون مشاكل الاستدامة التي تُصاحب ألياف الكربون. تُوضح شركة Carbon Wasp، المُصنّعة للدراجات، سبب استغنائها عن الألومنيوم وألياف الكربون لصالح استخدام التيتانيوم المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع أحدث أذرع التدوير المُخصصة لما بعد البيع. صرّحت Carbon Wasp قائلةً: "لقد ابتكرنا طرقًا إبداعية عديدة لتثبيت ذراع التدوير على عمود علبة التروس دون الضغط على ألياف الكربون، ولكن كانت هناك دائمًا حاجة إلى بعض الحشوات المعدنية، وكان لصق هذه الحشوات بألياف الكربون يُسبب مشاكل. بعد بعض التجارب، وجدت Carbon Wasp أن ذراع التدوير المصنوع من التيتانيوم المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد والمملوء بشبكة شبكية يتميز بخفة ألياف الكربون، ولكنه أقوى في المناطق المعرضة للصدمات. ما زلنا نعتقد أن ألياف الكربون هي الأفضل للعديد من الاستخدامات الأخرى. نستخدم التيتانيوم في العديد من المواد، بما في ذلك الهيكل، ولكننا نعمل بالفعل على تطوير أجزاء أخرى مصنوعة من التيتانيوم."

بالحديث عن الإطارات الكاملة، أعلنت شركة "أنجل سايكل ووركس" لتصنيع الدراجات أنها طبعت إطارًا كاملًا من التيتانيوم بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مكونًا من قطعة واحدة خفيفة الوزن، مما يقلل ثوانٍ حاسمة من أزمنة السباقات ويتيح تصميمات هندسية جديدة. دراجتها الخارقة الجديدة، المسماة "هيفن"، أخف وزنًا بمقدار 400 غرام من الإصدار السابق. كما أطلقت شركة "بايلوت" هذا العام إطارًا آخر مصنوعًا بالكامل من سبيكة التيتانيوم، وهو "بايلوت سيرين". إطار هذه الدراجة الهوائية مطبوع بالكامل بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من التيتانيوم (مقسم إلى ثلاثة أجزاء). وتقول الشركة إن الطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم تتيح لها تخصيص الدراجة وفقًا لتفضيلات الراكب، ولا يحتاج الإطار إلى أي طلاء أو غطاء.

△تقدم شركة الدراجات Mythos لعملائها مجموعة من قطع التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك مقابض الدراجات هذه، بينما تقدم شركة Verve Cycling (على اليمين) أذرع تدوير جديدة من التيتانيوم مطبوعة ثلاثية الأبعاد.

تخطط شركة GKN Aerospace لإضافة طابعة ثلاثية الأبعاد جديدة كبيرة الحجم مصنوعة من التيتانيوم إلى مصنعها في تكساس

△بما أن ناسا تحتاج إلى واحدة فقط، فإن طباعة مكونات التيتانيوم ثلاثية الأبعاد للذراع القمرية القابلة للنشر تعتبر أكثر منطقية من التصنيع التقليدي.

● التصنيع

تستخدم شركة ASML، المتخصصة في تصنيع أشباه الموصلات، الطباعة ثلاثية الأبعاد بدلاً من تشكيل قوالب حاملات التيتانيوم (المستخدمة في إنتاج الرقائق)، مما يوفر 64% من المواد الخام ويُسرّع عملية التسليم. وتقوم شركة Norsk Titanium، المتخصصة في تصنيع المعادن بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام منصة الترسيب الموجه للطاقة (DED)، بطباعة 80 كيلوغراماً (حوالي 176 رطلاً) من القوالب شبه النهائية المصنوعة من سبيكة Ti64 لاستخدامها في إنتاج رقائق أشباه الموصلات.

△ دعامة محور العجلة المصنوعة من سبائك التيتانيوم بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، من إنتاج جامعة واشنطن

مسحوق التيتانيوم △

تُقدّم العديد من الشركات، بما فيها شركة Virtual Foundry، أسلاك التيتانيوم لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر (FDM) باستخدام طابعات البثق. تتكون هذه المادة من مسحوق معدني مُدمج في مادة PLA، ويمكن طباعتها باستخدام طابعات FDM عند درجات حرارة بثق تتجاوز 205 درجة مئوية. بعد المعالجة اللاحقة والتلبيد، تُنتج هذه الخيوط أجزاءً معدنية بنسبة تزيد عن 90% من المعدن، مما يجعلها مناسبة لتصنيع النماذج الأولية.

△ مختبر الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن التابع للجامعة، مركز واشنطن المشترك لنشر وبحوث المواد الوفيرة على الأرض، يصنع أجزاءً من التيتانيوم

باختصار، يحمل مستقبل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم آفاقاً واعدة، وسيلعب دوراً محورياً في العديد من المجالات. فمن خلال الابتكار التكنولوجي المستمر وتوسيع نطاق التطبيقات، ستوفر تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم قطعاً معدنية أكثر ملاءمة وكفاءة وجودة للمجتمع.