Anvendelsesområder og udvikling af 3D-printning af titanlegeringer

Titanium er et af de mest almindeligt anvendte metaller i additiv fremstilling og bruges i luftfart, ledproteser og kirurgiske værktøjer, racer- og cykelstel, elektronik og andre højtydende produkter. Titanium og titaniumbaserede legeringer værdsættes af forskellige industrier for deres høje mekaniske styrke, høje styrke-til-vægt-forhold og bedre korrosionsbestandighed end rustfrit stål. Brugen af ​​dette materiale kan gøre raketter og fly lettere, hvilket sparer brændstof og øger nyttelasten. Det kan også bruges til at fremstille lettere elektronik såsom smartphones og VR-briller, samt i medicinske implantater. Når titaniums iboende egenskaber kombineres med de unikke muligheder ved 3D-printning, vil fordelene desuden være endnu mere åbenlyse. Så hvad er de specifikke anvendelser af 3D-printet titanium? Hvad er de almindelige titaniumlegeringer? Printerer på markedet?

△3D-printede titaniumdele

Hofteled fra GE Additive, ventilatorblade fra Sciaky, raketspidser fra Arcam Darker, titangitterkomponenter fra 3D Systems, titanstenter fra EOS, kirurgiske spinalimplantater fra Zenith Tecnica

3D-printning muliggør mere effektiv fremstilling af titanium, samtidig med at spild af råmaterialer reduceres. Som en additiv teknologi bruger 3D-printning af metal typisk kun de materialer, der er nødvendige for at bygge delen, sammen med en relativt lille mængde støttestrukturmateriale. 3D-printning muliggør også komplekse designs, såsom interne kanaler og hule eller gitterfyldte dele for at reducere vægten, hvilket ikke er muligt med nogen anden fremstillingsmetode. Fordi der ikke er nogen forme eller værktøj, kan 3D-printning af titanium omkostningseffektivt skabe unikke dele såsom patientspecifikke implantater, prototyper og forskningsværktøjer. Der er utallige eksempler på 3D-printning af titanium til at fremme produktion, sundhedspleje, rumforskning og mere.

Anvendelser af 3D-printning af titanlegeringer

△I 2023 udgav Panerai Submersible S Brabus PAM01283 udstyret med en 3D-printet titaniumkasse. Billedet til højre viser, at Holthinrichs Deconstructed lancerede det første 3D-printede titaniumur.

Titanium 3D-printning bruges allerede i vid udstrækning til at producere produkter så forskellige som medicinsk udstyr, performancecykler, luksusure og forbrugerelektronik, med håbet om at levere lette, men stærke produkter gennem innovative, ofte brugerdefinerede designs.

● Præcisionsprodukter og elektroniske produkter

3D-printning kan producere meget tyndvæggede, komplekse titaniumdele, som ofte bruges til at lave urkasser, såsom Panerai- og Holthinrichs-urene vist ovenfor. Det siges, at urkasser i titanlegering også vil blive en kommende del af Apple Watch Ultra.

△3D-printet hængselskiftdæksel i titanlegering, der bruges i den foldbare Honor Magic V2-smartphone fra 2023

I 2023 lancerede smartphoneproducenten Honor sin nye foldbare Magic V2, som har et 3D-printet titanium-hængslet shift-cover, der er lettere og 150% stærkere end den tidligere aluminiumsversion. Honor sagde, at dette lille titaniumstykke, som kan 3D-printes i titusindvis af eksemplarer, er nøglen til produktets holdbarhed og jævne foldning og udfoldning.

● Medicinske og tandimplantater

△American Orthofix Medicals 3D-printede titaniumimplantat Construx Mimi Ti Spacer System blev godkendt af det amerikanske FDA i 2021.

Inden for den medicinske industri har 3D-printede titaniumimplantater haft succes med anvendelser i rygsøjle, hofte, knæ og ekstremiteter på grund af metallets iboende biokompatibilitet og gode mekaniske egenskaber, kombineret med evnen til at 3D-printe brugerdefinerede porøse strukturer (hvilket muliggør osseointegration) og massetilpasning for bedre patientresultater. 3D-printede titaniumimplantater vinder i stigende grad godkendelse fra myndighederne og efterspørgsel. Da de fleste medicinske implantater er lavet til at dække et stort antal mennesker med samme tilstand, er de ikke egnede til alle. Mennesker med sjældne sygdomme bliver ofte udelukket. Nu er det med 3D-printning muligt at producere implantater, der er specielt designet til individuelle patienter.

I 2023 udførte en kirurg i Storbritannien fire håndledsoperationer på samme dag ved hjælp af patientspecifikke 3D-printede titaniumplader til at korrigere tidligere frakturerede håndledsdeformiteter. Dr. Akshay Malhotra, konsulent inden for ortopædkirurg og klinisk leder for hænder og håndled, sagde: "Når denne planlægningsproces er afsluttet, printes skræddersyede plader med titaniumpulver, testes derefter, sendes til Storbritannien og steriliseres på amtshospitalet som forberedelse til operationen."

△CoreLinks 3D-printede titaniumskruer har en porøs struktur, der fremmer knoglevækst, og FingerKit Consortiums nye patientspecifikke titaniumfingerled

Læger på Manipal Hospital i Indien brugte 3D-printet titanium, da de behandlede en kræftpatient, hvis tumor ødelagde hans brystkasse i 2022. Generelt set ville implantater af denne størrelse være for tunge for den menneskelige krop at bære, men fordi titanium er let og meget stærkt og vejer mindre end 250 gram, er det ideelt til at printe implantater inde i kroppen. Takket være succesen med det 3D-printede implantat kom patienten sig fuldstændigt og var i stand til at vende tilbage til sit normale liv uden at være afhængig af eksterne maskiner til at hjælpe ham med at trække vejret.

△Ved hjælp af 3D-printning af titanium var Angel Cycle Works i stand til at reducere vægten betydeligt og optimere designet af den nye Heaven-cykel.

3D-printet titanium er almindeligt i nutidens performancecykler. Titanium bruges i kranksæt, bremsegreb, frempinde, gearstangsbøjler og endda fullframes. Titanium er lige så stærkt som aluminium og lige så let som kulfiber, uden de bæredygtighedsproblemer, der følger med kulfiber. Cykelproducenten Carbon Wasp forklarer, hvorfor de dropper aluminium og kulfiber til fordel for at bruge 3D-printet titanium til at bygge deres nyeste eftermarkedskrankearme. Carbon Wasp sagde: "Vi fandt på alle mulige kreative måder at fastgøre kranken til gearkasseakslen uden at klemme kulfiberen, men der var altid nogle metalindsatser nødvendige, og det ville give problemer at lime indsatserne til kulfiberen. Til de endeløse spørgsmål. Efter noget prototyping fandt Carbon Wasp ud af, at en 3D-printet gitterfyldt titaniumkrank er lige så let som kulfiber, men stærkere i meget stødudsatte områder. Vi mener stadig, at kulfiber er bedst til mange andre anvendelser af materialer, inklusive stellet, men vi arbejder allerede på andre titaniumdele."

Apropos fullframes, siger cykelproducenten Angel Cycle Works, at de har 3D-printet en hel-titaniumramme i én letvægtskomponent, hvilket sparer afgørende sekunder på løbstider og muliggør nye designgeometrier. Deres nye superbike, kaldet Heaven, er 400 gram lettere end den tidligere version. En anden ramme i hel-titaniumlegering, som Pilot lancerede i år, kaldes Pilot Seiren. Landevejscyklens stel er udelukkende 3D-printet af titanium (opdelt i tre dele). Virksomheden siger, at 3D-printning af titanium gør det muligt at tilpasse cyklen til rytterens præferencer, og stellet kræver ikke nogen maling eller belægning.

△Cykelfirmaet Mythos tilbyder kunderne en række 3D-printede titaniumdele, herunder disse styr, mens Verve Cycling (til højre) tilbyder nye 3D-printede titaniumkranksæt.

△GKN Aerospace planlægger at tilføje en ny storstilet titanium 3D-printer til sin fabrik i Texas

△Da NASA kun har brug for én, giver 3D-printning af titaniumkomponenter til den udfoldelige månearm mere mening end traditionel fremstilling.

● Produktion

Halvlederproducenten ASML 3D-printer nu i stedet for at smede titanium-bærerbakkepræforme (bruges i waferproduktion), hvilket sparer 64 % på råmaterialer og leverer dem hurtigere. Norsk Titanium, en virksomhed inden for additiv fremstilling af metal, der bruger en DED-platform (directed energy deposition), printer 80 kg (ca. 176 pund) præforme med næsten nettoform med Ti64 til brug i produktion af halvlederwafere.

△3D-printet navbeslag i titanlegering fremstillet af University of Washington

△Titanpulver

Flere virksomheder, herunder Virtual Foundry, tilbyder titantråd til ekstruderbaseret fused deposition modeling (FDM). Materialet indeholder metalpulver indlejret i PLA og kan printes ved hjælp af FDM-printere ved ekstrudertemperaturer over 205 °C. Efter efterbehandling og sintring kan disse filamenter producere metaldele med et metalindhold på over 90 %, hvilket gør dem egnede til prototypefremstilling.

△Universitetslaboratorium for 3D-printning af metal, Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research, fremstiller dele af titanium

Kort sagt er den fremtidige udvikling af 3D-printet titanium fuld af håb og vil spille en større rolle på mange områder. Gennem kontinuerlig teknologisk innovation og udvidelse af anvendelsen vil 3D-printet titanium bringe mere bekvemme, effektive og højkvalitets metaldele til samfundet.