Oblasti použití a vývoj 3D tisku z titanových slitin

Titan je jedním z nejčastěji používaných kovů v aditivní výrobě a používá se v leteckém průmyslu, v kloubních náhradách a chirurgických nástrojích, závodních a jízdních rámech, elektronice a dalších vysoce výkonných produktech. Titan a slitiny na bázi titanu jsou v různých průmyslových odvětvích ceněny pro svou vysokou mechanickou pevnost, vysoký poměr pevnosti k hmotnosti a lepší odolnost proti korozi než nerezová ocel. Použití tohoto materiálu může odlehčit rakety a letadla, čímž se ušetří palivo a zvýší užitečné zatížení. Mohl by být také použit k výrobě lehčí elektroniky, jako jsou chytré telefony a VR brýle, a také v lékařských implantátech. Navíc, když se inherentní vlastnosti titanu spojí s jedinečnými možnostmi 3D tisku, budou výhody ještě zřetelnější. Jaké je tedy konkrétní využití 3D tištěného titanu? Jaké jsou běžné druhy titanu? Tiskárnaje na trhu?

△3D tištěné titanové díly

Kyčelní klouby od GE Additive, lopatky ventilátorů od Sciaky, hroty raket od Arcam Darker, titanové mřížkové komponenty od 3D Systems, titanové stenty od EOS, chirurgické spinální implantáty od Zenith Tecnica

3D tisk Umožňuje efektivnější výrobu titanu a zároveň snižuje plýtvání surovinami. Jako aditivní technologie 3D tisk kovů obvykle používá pouze materiály potřebné k výrobě dílu spolu s relativně malým množstvím podpůrného konstrukčního materiálu. 3D tisk také umožňuje složité návrhy, jako jsou vnitřní kanály a duté nebo mřížkované díly, pro snížení hmotnosti, což není možné s žádnou jinou výrobní metodou. Protože neexistují žádné formy ani nástroje, může 3D tisk titanu nákladově efektivně vytvářet jedinečné díly, jako jsou implantáty specifické pro pacienta, prototypy a výzkumné nástroje. Existuje nespočet příkladů 3D tisku titanu pro pokrok ve výrobě, zdravotnictví, výzkumu vesmíru a dalších oblastech.

Použití titanové slitiny ve 3D tisku

△V roce 2023 společnost Panerai uvedla na trh model Submersible S Brabus PAM01283 s titanovým pouzdrem vytištěným na 3D tiskárně. Obrázek vpravo ukazuje, že společnost Holthinrichs Deconstructed uvedla na trh první titanové hodinky vytištěné na 3D tiskárně.

3D tisk titanu se již široce používá k výrobě produktů tak rozmanitých, jako jsou zdravotnické prostředky, výkonná kola, luxusní hodinky a spotřební elektronika, s nadějí, že díky inovativním, často zakázkovým návrhům bude možné dosáhnout lehkých, ale pevných produktů.

● Přesné výrobky a elektronické výrobky

3D tisk umožňuje vyrábět velmi tenkostěnné, složité titanové díly, které se často používají k výrobě pouzder hodinek, jako jsou například hodinky Panerai a Holthinrichs zobrazené výše. Říká se, že pouzdra hodinek z titanové slitiny budou také připravovanou součástí Apple Watch Ultra.

Kryt posuvného pantu vytištěný na 3D tiskárně z titanové slitiny použitý ve skládacím smartphonu Honor Magic V2 z roku 2023

V roce 2023 uvedl výrobce chytrých telefonů Honor na trh svůj nový skládací Magic V2, který je vybaven 3D tištěným titanovým krytem řadicí páky, jenž je lehčí a o 150 % pevnější než předchozí hliníková verze. Honor uvedl, že tento malý titanový kus, který lze 3D tisknout v desítkách tisíc kusů, je klíčem k odolnosti produktu a plynulému skládání a rozkládání.

● Lékařské a zubní implantáty

△Titanový implantát Construx Mimi Ti Spacer System od společnosti American Orthofix Medical, vyrobený na 3D tiskárně, byl schválen americkým Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) v roce 2021.

V lékařském průmyslu se 3D tištěné titanové implantáty úspěšně osvědčily v oblasti páteře, kyčlí, kolen a končetin díky inherentní biokompatibilitě a dobrým mechanickým vlastnostem kovu, spolu s možností 3D tisku na míru porézních struktur (což umožňuje osseointegraci) a hromadné úpravy pro lepší výsledky u pacientů. 3D tištěné titanové implantáty získávají na popularitě a poptávce ze strany regulačních orgánů. Vzhledem k tomu, že většina lékařských implantátů je vyráběna pro pokrytí velkého počtu lidí se stejným onemocněním, nejsou vhodné pro každého. Lidé se vzácnými onemocněními jsou často vyloučeni. Nyní je díky 3D tisku možné vyrábět implantáty speciálně navržené pro jednotlivé pacienty.

V roce 2023 provedl chirurg ve Spojeném království ve stejný den čtyři operace zápěstí, přičemž k nápravě dříve zlomených deformací zápěstí použil titanové destičky vyrobené na 3D tiskárně pro daného pacienta. Dr. Akshay Malhotra, konzultant ortopedický chirurg a klinický vedoucí pro ruce a zápěstí, uvedl: „Jakmile je tento plánovací proces dokončen, destičky na míru se vytisknou z titanového prášku, poté se otestují, odešlou do Spojeného království a sterilizují v okresní nemocnici v rámci přípravy na operaci.“

△3D tištěné titanové šrouby CoreLink se vyznačují porézní strukturou, která podporuje růst kostí, a nové titanové klouby prstů od FingerKit Consortium specifické pro pacienta

Lékaři v nemocnici Manipal v Indii v roce 2022 použili titan vytištěný na 3D tiskárně při léčbě pacienta s rakovinou, kterému nádor ničil hrudník. Obecně řečeno, implantáty této velikosti by byly pro lidské tělo příliš těžké, ale protože titan je lehký a velmi pevný, váží méně než 250 gramů, je ideální pro tisk implantátů uvnitř těla. Díky úspěchu 3D tištěného implantátu se pacient plně zotavil a mohl se vrátit k normálnímu životu, aniž by se spoléhal na externí přístroje, které by mu pomáhaly s dýcháním.

△Díky 3D tisku titanu se společnosti Angel Cycle Works podařilo výrazně snížit hmotnost a optimalizovat design nového kola Heaven.

3D tištěný titan je u dnešních výkonnostních kol běžný. Titan se používá v klikách, brzdových páčkách, představcích, úchytech přehazovaček a dokonce i v celorámových dílech. Titan je stejně pevný jako hliník a lehký jako uhlíková vlákna, bez problémů s udržitelností, které uhlíková vlákna mají. Výrobce kol Carbon Wasp vysvětluje, proč se upouští od hliníku a uhlíkových vláken ve prospěch použití 3D tištěného titanu pro výrobu svých nejnovějších klik pro aftermarket. Carbon Wasp řekl: „Přišli jsme s nejrůznějšími kreativními způsoby, jak upnout kliku k hřídeli převodovky, aniž bychom stlačili uhlíková vlákna, ale vždycky byly potřeba nějaké kovové vložky a jejich lepení na uhlíková vlákna by bylo problematické. K nekonečným otázkám. Po několika prototypech Carbon Wasp zjistil, že 3D tištěná titanová klika s mřížkovanou výplní je stejně lehká jako uhlíková, ale pevnější v oblastech velmi náchylných k nárazům. Stále si myslíme, že uhlíková vlákna jsou nejlepší pro mnoho dalších použití, včetně materiálů, včetně rámu, ale již pracujeme na dalších titanových dílech.“

Když už mluvíme o celorámových kolech, výrobce kol Angel Cycle Works uvádí, že vytiskl celotitanový rám z jednoho lehkého komponentu pomocí 3D tisku, což zkracuje časy závodů o klíčové sekundy a umožňuje nové konstrukční geometrie. Jeho nový superbike s názvem Heaven je o 400 gramů lehčí než předchozí verze. Další celotitanový rám, který letos uvedla společnost Pilot na trh, se nazývá Pilot Seiren. Rám silničního kola je kompletně vytištěn z titanu (rozdělen na tři části). Společnost uvádí, že 3D tisk titanu umožňuje přizpůsobit kolo preferencím jezdce a rám nevyžaduje žádný nátěr ani povlak.

△Cyklistická společnost Mythos nabízí zákazníkům řadu titanových dílů vytištěných na 3D tiskárně, včetně těchto řídítek, zatímco Verve Cycling (vpravo) nabízí nové titanové kliky vytištěné na 3D tiskárně.

Společnost GKN Aerospace plánuje přidat do své továrny v Texasu novou velkoformátovou 3D tiskárnu z titanu

△Vzhledem k tomu, že NASA potřebuje pouze jeden, dává 3D tisk titanových komponent pro lunární rozkládací rameno větší smysl než tradiční výroba.

● Výroba

Výrobce polovodičů ASML nyní používá 3D tisk namísto kování titanových preforem nosných tácků (používaných při výrobě destiček), čímž šetří 64 % surovin a dodává je rychleji. Norsk Titanium, společnost zabývající se aditivní výrobou kovů s využitím platformy pro řízenou depozici energie (DED), tiskne 80 kilogramů (přibližně 176 liber) preforem téměř čistého tvaru z Ti64 pro použití při výrobě polovodičových destiček.

△3D tištěný držák náboje kola z titanové slitiny vyrobený Washingtonskou univerzitou

△Titanový prášek

Několik společností, včetně Virtual Foundry, nabízí titanový drát pro modelování tavenou depozicí (FDM) na bázi extruderu. Materiál obsahuje kovový prášek zalitý v PLA a lze jej tisknout pomocí FDM tiskáren při teplotách extruderu nad 205 °C. Po následném zpracování a spékání mohou tyto filamenty vytvářet kovové díly s obsahem kovu přes 90 %, což je činí vhodnými pro prototypování.

Univerzitní laboratoř pro 3D tisk kovů, Washingtonské společné centrum pro nasazení a výzkum hojných materiálů na Zemi, vyrábí díly z titanu

Stručně řečeno, budoucí vývoj 3D tištěného titanu je plný nadějí a bude hrát v mnoha oblastech větší roli. Díky neustálým technologickým inovacím a rozšiřování aplikací přinese 3D tištěný titan společnosti pohodlnější, efektivnější a vysoce kvalitní kovové součástky.