Područja primjene i razvoj 3D printanja legura titana

Titanijum je jedan od najčešće korištenih metala u aditivnoj proizvodnji i koristi se u vazduhoplovstvu, zamjeni zglobova i hirurškim alatima, trkaćim i biciklističkim okvirima, elektronici i drugim visokoperformansnim proizvodima. Titanijum i legure na bazi titanija cijene se u raznim industrijama zbog njihove visoke mehaničke čvrstoće, visokog odnosa čvrstoće i težine i bolje otpornosti na koroziju od nehrđajućeg čelika. Upotreba ovog materijala može učiniti rakete i avione lakšim, čime se štedi gorivo i povećava nosivost. Također bi se mogao koristiti za izradu lakše elektronike poput pametnih telefona i VR naočala, kao i u medicinskim implantatima. Štaviše, kada se inherentna svojstva titanija kombinuju sa jedinstvenim mogućnostima 3D štampanja, prednosti će biti još očiglednije. Dakle, koje su specifične upotrebe 3D štampanog titanija? Koji su uobičajeni titanijumi? Štampačje na tržištu?

△3D printani dijelovi od titana

Zglobovi kuka od GE Additive, lopatice ventilatora od Sciaky, vrhovi raketa od Arcam Darker, komponente rešetke od titana od 3D Systems, stentovi od titana od EOS-a, hirurški spinalni implantati od Zenith Tecnica

3D printanje Omogućava efikasniju proizvodnju titana uz smanjenje otpada sirovina. Kao aditivna tehnologija, 3D printanje metala obično koristi samo materijale potrebne za izradu dijela, zajedno s relativno malom količinom potpornog strukturnog materijala. 3D printanje također omogućava složene dizajne, kao što su unutrašnji kanali i šuplji ili rešetkasti dijelovi, radi smanjenja težine, što nije moguće ni s jednom drugom metodom proizvodnje. Budući da nema kalupa ili alata, 3D printanje titana može isplativo stvoriti jedinstvene dijelove kao što su implantati specifični za pacijenta, prototipovi i istraživački alati. Postoje bezbrojni primjeri 3D printanja titana za unapređenje proizvodnje, zdravstvene zaštite, istraživanja svemira i još mnogo toga.

Upotreba legure titana u 3D štampanju

△Godine 2023, Panerai je izdao Submersible S Brabus PAM01283 opremljen 3D printanim titanijumskim kućištem. Slika desno prikazuje da je Holthinrichs Deconstructed lansirao prvi 3D printani titanijumski sat.

3D printanje titana se već široko koristi za proizvodnju raznolikih proizvoda kao što su medicinski uređaji, bicikli visokih performansi, luksuzni satovi i potrošačka elektronika, s nadom da će se kroz inovativne, često prilagođene dizajne isporučiti lagani, ali izdržljivi proizvodi.

● Precizni proizvodi i elektronički proizvodi

3D printanje može proizvesti vrlo tanke, složene dijelove od titana, koji se često koriste za izradu kućišta satova, poput Panerai i Holthinrichs satova prikazanih gore. Navodi se da će kućišta satova od legure titana također biti nadolazeći dio Apple Watch Ultra.

△3D printani poklopac za pomicanje šarki od legure titana koji se koristi u preklopnom pametnom telefonu Honor Magic V2 iz 2023. godine

Proizvođač pametnih telefona Honor je 2023. godine lansirao svoj novi sklopivi Magic V2, koji ima 3D printani titanijumski poklopac mjenjača sa šarkama, lakši i 150% jači od prethodne aluminijumske verzije. Honor je rekao da je ovaj mali titanijumski komad, koji se može 3D printati u desetinama hiljada primjeraka, ključ izdržljivosti proizvoda i glatkog sklapanja i rasklapanja.

● Medicinski i zubni implantati

△Američka FDA odobrila je 2021. godine 3D printani titanijumski implantat kompanije American Orthofix Medical, Construx Mimi Ti Spacer System.

U medicinskoj industriji, 3D printani titanijumski implantati su se uspješno primjenjivali u kičmi, kukovima, koljenima i ekstremitetima zbog inherentne biokompatibilnosti metala i dobrih mehaničkih svojstava, zajedno s mogućnošću 3D printanja prilagođenih poroznih struktura (čime se omogućava oseointegracija) i masovne prilagodbe za bolje ishode kod pacijenata. 3D printani titanijumski implantati dobijaju regulatorno odobrenje i potražnju. Budući da se većina medicinskih implantata izrađuje za pokrivanje velikog broja ljudi s istim stanjem, nisu prikladni za svakoga. Osobe s rijetkim bolestima često su isključene. Sada je, uz 3D printanje, moguće proizvesti implantate posebno dizajnirane za pojedinačne pacijente.

Godine 2023., hirurg u Velikoj Britaniji izveo je četiri operacije ručnog zgloba istog dana, koristeći titanijumske ploče printane 3D štampačem, specifične za pacijenta, kako bi ispravio prethodno frakturirane deformitete ručnog zgloba. Dr. Akshay Malhotra, konsultant ortopedski hirurg i klinički voditelj za šake i ručno zglobove, rekao je: „Nakon što se ovaj proces planiranja završi, pločice po mjeri se štampaju korištenjem titanijumskog praha, zatim testiraju, šalju u Veliku Britaniju i steriliziraju u Okružnoj bolnici u pripremi za operaciju.“

△CoreLinkovi 3D printani titanijumski vijci imaju poroznu strukturu koja potiče rast kostiju, a novi titanijumski zglobovi prstiju FingerKit Consortiuma specifični za pacijenta

Doktori u bolnici Manipal u Indiji koristili su 3D printani titanijum kada su 2022. godine liječili pacijenta oboljelog od raka čiji je tumor uništavao grudni koš. Generalno govoreći, implantati ove veličine bili bi preteški za ljudsko tijelo, ali budući da je titanijum lagan i veoma čvrst, težine manje od 250 grama, idealan je za štampanje implantata unutar tijela. Zahvaljujući uspjehu 3D printanog implantata, pacijent se potpuno oporavio i mogao se vratiti normalnom životu bez oslanjanja na vanjske mašine koje bi mu pomagale pri disanju.

△Zahvaljujući 3D printanju titana, Angel Cycle Works je uspio značajno smanjiti težinu i optimizirati dizajn novog Heaven bicikla.

3D printani titan je uobičajen kod današnjih performance bicikala. Titan se koristi u kurblama, ručicama kočnica, lulama, nosačima mjenjača, pa čak i u ramovima. Titan je jak kao aluminij, a lagan kao karbonska vlakna, bez problema s održivošću karbonskih vlakana. Proizvođač bicikala Carbon Wasp objašnjava zašto napušta aluminij i karbonska vlakna u korist korištenja 3D printanog titana za izradu svojih najnovijih ručica kurbli za naknadnu ugradnju. Carbon Wasp je rekao: „Smislili smo sve vrste kreativnih načina za pričvršćivanje kurble na osovinu mjenjača bez stiskanja karbonskih vlakana, ali uvijek su bili potrebni neki metalni umeci, a lijepljenje umetaka na karbonska vlakna bi imalo problema. Na beskrajna pitanja. Nakon izrade prototipa, Carbon Wasp je otkrio da je 3D printana titanska kurbla s rešetkom punjenom jednako lagana kao karbonska, ali jača u područjima sklonim udarima. I dalje mislimo da su karbonska vlakna najbolja za mnoge druge materijale, uključujući ram, ali već radimo na drugim dijelovima od titana.“

Govoreći o punim ramovima, proizvođač bicikala Angel Cycle Works kaže da su 3D printali ram od titana u jednoj laganoj komponenti, što skraćuje ključne sekunde na vremenu utrke i omogućava nove geometrije dizajna. Njihov novi superbike, nazvan Heaven, lakši je za 400 grama od prethodne verzije. Još jedan ram od legure titana koji je Pilot lansirao ove godine zove se Pilot Seiren. Ram cestovnog bicikla je u potpunosti 3D printan od titana (podijeljen u tri dijela). Kompanija kaže da 3D printanje titana omogućava prilagođavanje bicikla željama vozača, a ram ne zahtijeva nikakvu boju ili premaz.

△Kompanija za bicikle Mythos nudi kupcima niz 3D printanih titanijumskih dijelova, uključujući i ove volane, dok Verve Cycling (desno) nudi nove 3D printane titanijumske kurble.

GKN Aerospace planira da doda novi veliki titanijumski 3D štampač svojoj fabrici u Teksasu

△Budući da NASA-i treba samo jedan, 3D printanje titanijumskih komponenti za lunarnu rasklopivu ruku ima više smisla od tradicionalne proizvodnje.

● Proizvodnja

Proizvođač poluprovodnika ASML sada koristi 3D štampanje umjesto kovanja preformi od titanijumskih nosača (koji se koriste u proizvodnji pločica), čime se štedi 64% sirovina i brže se isporučuje. Norsk Titanium, kompanija za aditivnu proizvodnju metala koja koristi platformu za usmjereno taloženje energije (DED), štampa 80 kilograma (približno 176 funti) preformi gotovo neto oblika sa Ti64 za upotrebu u proizvodnji poluprovodničkih pločica.

△3D printani nosač glavčine kotača od titanijumske legure proizveden od strane Univerziteta u Washingtonu

△Titanijev prah

Nekoliko kompanija, uključujući Virtual Foundry, nudi titanijumsku žicu za modeliranje taloženjem pomoću ekstrudera (FDM). Materijal sadrži metalni prah ugrađen u PLA i može se štampati pomoću FDM štampača na temperaturama ekstrudera iznad 205 °C. Nakon naknadne obrade i sinterovanja, ovi filamenti mogu proizvesti metalne dijelove sa sadržajem metala preko 90%, što ih čini pogodnim za izradu prototipova.

Univerzitetska laboratorija za 3D printanje metala, Zajednički centar za primjenu i istraživanje bogatih materijala na Zemlji u Washingtonu, izrađuje dijelove od titana

Ukratko, budući razvoj 3D printanog titana je pun nade i igrat će veću ulogu u mnogim oblastima. Kroz kontinuirane tehnološke inovacije i širenje primjene, 3D printani titan će društvu donijeti praktičnije, efikasnije i visokokvalitetnije metalne dijelove.