Области на приложение и развитие на 3D печата с титаниеви сплави

Титанът е един от най-често използваните метали в адитивното производство и се използва в аерокосмическата индустрия, инструменти за смяна на стави и хирургически инструменти, рамки за състезания и велосипеди, електроника и други високопроизводителни продукти. Титанът и сплавите на основата на титан се ценят от различни индустрии заради високата си механична якост, високо съотношение якост-тегло и по-добра устойчивост на корозия от неръждаемата стомана. Използването на този материал може да направи ракетите и самолетите по-леки, като по този начин се пести гориво и се увеличава полезният товар. Може да се използва и за направата на по-лека електроника, като смартфони и VR очила, както и в медицински импланти. Освен това, когато присъщите свойства на титана се комбинират с уникалните възможности на 3D печата, предимствата ще бъдат още по-очевидни. И така, какви са специфичните приложения на 3D отпечатания титан? Кои са често срещаните титанови... Принтере на пазара?

△3D отпечатани титаниеви части

Тазобедрени стави от GE Additive, лопатки на вентилатори от Sciaky, ракетни накрайници от Arcam Darker, титаниеви решетъчни компоненти от 3D Systems, титаниеви стентове от EOS, хирургически гръбначни импланти от Zenith Tecnica

3D печат позволява по-ефективно производство на титан, като същевременно намалява отпадъците от суровини. Като адитивна технология, 3D печатът с метал обикновено използва само материалите, необходими за изграждането на детайла, заедно с относително малко количество поддържащ структурен материал. 3D печатът позволява и сложни дизайни, като вътрешни канали и кухи или решетъчно запълнени части, за да се намали теглото, което не е възможно с никой друг метод на производство. Тъй като няма калъпи или инструменти, 3D печатът с титан може рентабилно да създава уникални части, като например специфични за пациента импланти, прототипи и изследователски инструменти. Има безброй примери за 3D печат на титан за развитие на производството, здравеопазването, космическите изследвания и други.

3D печат с титаниева сплав

△През 2023 г. Panerai пусна на пазара Submersible S Brabus PAM01283, оборудван с 3D-принтиран титаниев корпус. Снимката вдясно показва, че Holthinrichs Deconstructed пусна на пазара първия 3D-принтиран титаниев часовник.

3D печатът с титан вече се използва широко за производството на разнообразни продукти, като медицински изделия, спортни велосипеди, луксозни часовници и потребителска електроника, с надеждата да се осигурят леки, но здрави продукти чрез иновативни, често персонализирани дизайни.

● Прецизни продукти и електронни продукти

3D печатът може да произвежда много тънкостенни, сложни титаниеви части, които често се използват за направата на корпуси за часовници, като например часовниците Panerai и Holthinrichs, показани по-горе. Говори се, че корпусите за часовници от титаниева сплав също ще бъдат предстояща част от Apple Watch Ultra.

△3D отпечатан капак за превключване на пантите от титаниева сплав, използван в сгъваемия смартфон Honor Magic V2 от 2023 г.

През 2023 г. производителят на смартфони Honor пусна на пазара новия си сгъваем Magic V2, който разполага с 3D-принтиран титаниев капак на скоростния лост, който е по-лек и 150% по-здрав от предишната алуминиева версия. Honor заяви, че това малко титаниево парче, което може да бъде отпечатано на 3D принтер в десетки хиляди бройки, е ключът към издръжливостта на продукта и плавното му сгъване и разгъване.

● Медицински и зъбни импланти

△3D-принтираният титаниев имплант Construx Mimi Ti Spacer System на American Orthofix Medical беше одобрен от Американската агенция по храните и лекарствата (FDA) през 2021 г.

В медицинската индустрия, 3D-принтираните титаниеви импланти са успешни в приложенията на гръбначния стълб, тазобедрените стави, коляното и крайниците, благодарение на присъщата биосъвместимост и добрите механични свойства на метала, съчетани с възможността за 3D-принтиране на порести структури (като по този начин се позволява остеоинтеграция) и масова персонализация за по-добри резултати за пациентите. 3D-принтираните титаниеви импланти получават регулаторно одобрение и търсене. Тъй като повечето медицински импланти са направени, за да покрият голям брой хора с едно и също състояние, те не са подходящи за всеки. Хората с редки заболявания често са изключени. Сега, с 3D-принтиране, е възможно да се произвеждат импланти, специално проектирани за отделни пациенти.

През 2023 г. хирург в Обединеното кралство извърши четири операции на китката в един и същи ден, използвайки 3D-принтирани титаниеви пластини, специфични за пациента, за да коригира предварително фрактурирани деформации на китката. Д-р Акшай Малхотра, консултант ортопедичен хирург и клиничен ръководител за ръце и китки, каза: „След като този процес на планиране приключи, пластините по поръчка се отпечатват с помощта на титанов прах, след което се тестват, изпращат се до Обединеното кралство и се стерилизират в окръжната болница в подготовка за операцията.“

△3D-принтираните титаниеви винтове на CoreLink се отличават с пореста структура, която насърчава растежа на костите, а новите специфични за пациента титаниеви стави на пръстите на FingerKit Consortium

Лекари в болница „Манипал“ в Индия използваха 3D отпечатан титан, когато лекуваха пациент с рак, чийто тумор разрушаваше гръдния му кош през 2022 г. Най-общо казано, импланти с такъв размер биха били твърде тежки за човешкото тяло, но тъй като титанът е лек и много здрав, тежащ по-малко от 250 грама, той е идеален за отпечатване на импланти вътре в тялото. Благодарение на успеха на 3D отпечатания имплант, пациентът се възстанови напълно и успя да се върне към нормалния си живот, без да разчита на външни машини, които да му помагат да диша.

△Чрез 3D печат с титан, Angel Cycle Works успя значително да намали теглото и да оптимизира дизайна на новия велосипед Heaven

3D отпечатаният титан е често срещан в днешните спортни велосипеди. Титанът се използва в курбели, спирачни лостове, лапи, закачалки на дерайльори и дори пълни рамки. Титанът е толкова здрав, колкото алуминия, и толкова лек, колкото въглеродните влакна, без проблемите с устойчивостта на въглеродните влакна. Производителят на велосипеди Carbon Wasp обяснява защо се отказва от алуминия и въглеродните влакна в полза на използването на 3D отпечатан титан за изграждане на най-новите си резервни части за колянови лостове. Carbon Wasp каза: „Измислихме всякакви креативни начини за затягане на коляновия вал към вала на скоростната кутия, без да притискаме въглеродните влакна, но винаги бяха необходими някои метални вложки, а залепването на вложките към въглеродните влакна би имало проблеми. Към безкрайните въпроси. След известно прототипиране Carbon Wasp установи, че 3D отпечатаният титанов курбел с решетка е също толкова лек, колкото въглеродните, но по-здрав в много податливи на удар зони. Все още смятаме, че въглеродните влакна са най-добрите за много други приложения, включително рамката, но вече работим върху други титаниеви части.“

Говорейки за пълни рамки, производителят на велосипеди Angel Cycle Works казва, че е отпечатал чрез 3D принтер изцяло титаниева рамка в един лек компонент, което спестява ключови секунди от времената за състезание и позволява нови дизайнерски геометрии. Новият им супербайк, наречен Heaven, е с 400 грама по-лек от предишната версия. Друга изцяло титаниева рамка, пусната от Pilot тази година, се казва Pilot Seiren. Рамката на шосейния велосипед е изцяло отпечатана от титан (разделена на три части). Компанията казва, че 3D печатът от титан ѝ позволява да персонализира велосипеда според предпочитанията на ездача, а рамката не изисква боядисване или покритие.

△Велосипедната компания Mythos предлага на клиентите си гама от 3D отпечатани титаниеви части, включително тези кормила, докато Verve Cycling (вдясно) предлага нови 3D отпечатани титаниеви курбели.

△GKN Aerospace планира да добави нов мащабен титанов 3D принтер към фабриката си в Тексас

△Тъй като НАСА се нуждае само от един, 3D печатът на титаниеви компоненти за лунното разгръщащо се рамо има повече смисъл от традиционното производство.

● Производство

Производителят на полупроводници ASML вече използва 3D печат, вместо да кове титаниеви заготовки за носещи тави (използвани в производството на пластини), спестявайки 64% суровини и доставяйки ги по-бързо. Norsk Titanium, компания за адитивно производство на метали, използваща платформа за насочено енергийно отлагане (DED), печата 80 килограма (приблизително 176 паунда) заготовки с почти чиста форма с Ti64 за използване в производството на полупроводникови пластини.

△3D отпечатана скоба за главина на колело от титаниева сплав, произведена от Университета на Вашингтон

△Титанов прах

Няколко компании, включително Virtual Foundry, предлагат титаниева тел за моделиране чрез стопяване (FDM) с екструдер. Материалът съдържа метален прах, вграден в PLA, и може да се отпечатва с FDM принтери при температури на екструдера над 205 °C. След последваща обработка и синтероване, тези нишки могат да произвеждат метални части със съдържание на метал над 90%, което ги прави подходящи за създаване на прототипи.

△Университетска лаборатория за 3D печат на метали, Съвместен център за внедряване и изследване на изобилни от земни материали във Вашингтон, произвежда части от титан

Накратко, бъдещото развитие на 3D-принтирания титан е изпълнено с надежда и ще играе по-голяма роля в много области. Чрез непрекъснати технологични иновации и разширяване на приложенията, 3D-принтираният титан ще донесе на обществото по-удобни, ефективни и висококачествени метални части.