Anwendungsgebiete und Entwicklung des 3D-Drucks von Titanlegierungen

Titan ist eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der additiven Fertigung und findet Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, bei Gelenkersatz und chirurgischen Instrumenten, Renn- und Fahrradrahmen, Elektronik und anderen Hochleistungsprodukten. Titan und Titanlegierungen werden von verschiedenen Branchen aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer besseren Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Edelstahl geschätzt. Der Einsatz dieses Materials ermöglicht es, Raketen und Flugzeuge leichter zu machen und dadurch Treibstoff zu sparen und die Nutzlast zu erhöhen. Es kann auch zur Herstellung leichterer Elektronik wie Smartphones und VR-Brillen sowie für medizinische Implantate verwendet werden. Wenn die inhärenten Eigenschaften von Titan mit den einzigartigen Möglichkeiten des 3D-Drucks kombiniert werden, werden die Vorteile noch deutlicher. Was sind also die konkreten Anwendungsgebiete von 3D-gedrucktem Titan? Welche Titanlegierungen sind gängig? Druckers auf dem Markt?

△3D-gedruckte Titanteile

Hüftgelenke von GE Additive, Lüfterflügel von Sciaky, Raketenspitzen von Arcam Darker, Titan-Gitterkomponenten von 3D Systems, Titan-Stents von EOS, chirurgische Wirbelsäulenimplantate von Zenith Tecnica

3D-Druck Die 3D-Metall-Fertigungstechnologie ermöglicht eine effizientere Titanverarbeitung bei gleichzeitig reduziertem Rohmaterialverbrauch. Als additives Fertigungsverfahren benötigt sie in der Regel nur die für den Bauteilaufbau erforderlichen Materialien sowie eine relativ geringe Menge an Stützmaterial. Zudem ermöglicht der 3D-Druck die Realisierung komplexer Designs, wie z. B. interne Kanäle und hohle oder gitterförmige Bauteile zur Gewichtsreduzierung, die mit anderen Fertigungsmethoden nicht möglich sind. Da keine Formen oder Werkzeuge benötigt werden, lassen sich mit dem 3D-Titan-Druck kostengünstig einzigartige Bauteile wie patientenspezifische Implantate, Prototypen und Forschungsinstrumente herstellen. Es gibt unzählige Beispiele für den Einsatz von 3D-Titan zur Weiterentwicklung von Fertigung, Gesundheitswesen, Weltraumforschung und vielen weiteren Bereichen.

3D-Druck von Titanlegierungen

△ Im Jahr 2023 brachte Panerai die Submersible S Brabus PAM01283 mit einem 3D-gedruckten Titangehäuse auf den Markt. Das Bild rechts zeigt Holthinrichs Deconstructed, die erste 3D-gedruckte Titanuhr.

Der 3D-Druck von Titan wird bereits weit verbreitet zur Herstellung von so unterschiedlichen Produkten wie Medizingeräten, Hochleistungsfahrrädern, Luxusuhren und Unterhaltungselektronik eingesetzt, mit dem Ziel, durch innovative, oft kundenspezifische Designs leichte und dennoch robuste Produkte zu liefern.

● Präzisionsprodukte und elektronische Produkte

Mithilfe des 3D-Drucks lassen sich sehr dünnwandige, komplexe Titanbauteile herstellen, die häufig für Uhrengehäuse verwendet werden, wie beispielsweise die oben abgebildeten Panerai- und Holthinrichs-Uhren. Es heißt, dass Titanlegierungen auch zukünftig Bestandteil der Apple Watch Ultra sein werden.

△3D-gedruckte Scharnierabdeckung aus Titanlegierung, die im faltbaren Smartphone Honor Magic V2 (2023) verwendet wird

Im Jahr 2023 brachte der Smartphone-Hersteller Honor sein neues faltbares Magic V2 auf den Markt. Dessen Scharnierabdeckung aus 3D-gedrucktem Titan ist leichter und 150 % stabiler als die vorherige Aluminiumversion. Laut Honor ist dieses kleine Titanbauteil, das in Zehntausenden von Stückzahlen im 3D-Druckverfahren hergestellt werden kann, der Schlüssel zur Langlebigkeit des Produkts und zum reibungslosen Ein- und Ausklappen.

● Medizinische und zahnärztliche Implantate

△Das 3D-gedruckte Titanimplantat Construx Mimi Ti Spacer System von American Orthofix Medical wurde 2021 von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA zugelassen.

In der Medizin haben sich 3D-gedruckte Titanimplantate aufgrund der inhärenten Biokompatibilität und guten mechanischen Eigenschaften des Metalls sowie der Möglichkeit, individuelle poröse Strukturen zu drucken (wodurch die Osseointegration ermöglicht wird) und die Massenindividualisierung für bessere Patientenergebnisse zu realisieren, bei Wirbelsäulen-, Hüft-, Knie- und Extremitätenoperationen bewährt. 3D-gedruckte Titanimplantate gewinnen zunehmend an Zulassung und Nachfrage. Da die meisten medizinischen Implantate für eine große Anzahl von Menschen mit derselben Erkrankung konzipiert sind, eignen sie sich nicht für alle. Menschen mit seltenen Erkrankungen werden oft ausgeschlossen. Mit dem 3D-Druck ist es nun möglich, Implantate speziell für einzelne Patienten herzustellen.

Im Jahr 2023 führte ein Chirurg in Großbritannien vier Handgelenksoperationen am selben Tag durch. Dabei verwendete er patientenspezifische, 3D-gedruckte Titanplatten, um zuvor entstandene Handgelenksdeformitäten zu korrigieren. Dr. Akshay Malhotra, Facharzt für Orthopädie und klinischer Leiter für Hand- und Handgelenkschirurgie, erklärte: „Sobald dieser Planungsprozess abgeschlossen ist, werden die maßgefertigten Platten aus Titanpulver gedruckt, anschließend getestet, nach Großbritannien verschickt und im County Hospital für die Operation sterilisiert.“

△Die 3D-gedruckten Titanschrauben von CoreLink weisen eine poröse Struktur auf, die das Knochenwachstum fördert, und die neuen patientenspezifischen Titan-Fingergelenke des FingerKit-Konsortiums

Ärzte des Manipal-Krankenhauses in Indien setzten 2022 bei der Behandlung eines Krebspatienten, dessen Brustkorb von einem Tumor befallen war, 3D-gedrucktes Titan ein. Implantate dieser Größe wären normalerweise zu schwer für den menschlichen Körper. Da Titan jedoch leicht und gleichzeitig extrem fest ist und weniger als 250 Gramm wiegt, eignet es sich ideal für den 3D-Druck von Implantaten im Körper. Dank des erfolgreichen Eingriffs erholte sich der Patient vollständig und konnte ohne künstliche Beatmung in sein normales Leben zurückkehren.

△Durch den Einsatz von Titan-3D-Druck konnte Angel Cycle Works das Gewicht des neuen Heaven-Bikes deutlich reduzieren und dessen Design optimieren.

3D-gedrucktes Titan ist bei modernen Hochleistungsfahrrädern weit verbreitet. Titan wird für Kurbeln, Bremshebel, Vorbauten, Schaltaugen und sogar komplette Rahmen verwendet. Es ist so fest wie Aluminium und so leicht wie Carbonfaser, ohne deren Nachhaltigkeitsprobleme. Der Fahrradhersteller Carbon Wasp erklärt, warum er auf Aluminium und Carbonfaser verzichtet und stattdessen für seine neuesten Kurbelarme 3D-gedrucktes Titan verwendet. Carbon Wasp sagte: „Wir haben viele kreative Lösungen entwickelt, um die Kurbel an der Getriebewelle zu befestigen, ohne die Carbonfaser zu quetschen. Dabei waren jedoch immer Metalleinsätze nötig, deren Verklebung mit der Carbonfaser problematisch war. Nach einigen Prototypen stellte Carbon Wasp fest, dass eine 3D-gedruckte, gittergefüllte Titankurbel genauso leicht wie Carbon, aber in besonders stoßgefährdeten Bereichen stabiler ist. Wir sind weiterhin der Meinung, dass Carbonfaser für viele andere Anwendungen, einschließlich des Rahmens, das beste Material ist, arbeiten aber bereits an weiteren Titanteilen.“

Apropos Komplettrahmen: Der Fahrradhersteller Angel Cycle Works präsentiert einen komplett aus Titan gefertigten Rahmen, der in einem einzigen, leichten Bauteil 3D-gedruckt wird. Dies spart entscheidende Sekunden bei Rennzeiten und ermöglicht neue Rahmengeometrien. Das neue Superbike namens Heaven ist 400 Gramm leichter als sein Vorgänger. Ein weiterer Komplettrahmen aus Titanlegierung, das Pilot Seiren, wurde dieses Jahr vorgestellt. Der Rahmen dieses Rennrads ist vollständig aus Titan 3D-gedruckt (in drei Teile unterteilt). Laut Hersteller ermöglicht der 3D-Druck von Titan die individuelle Anpassung des Fahrrads an die Bedürfnisse des Fahrers, und der Rahmen benötigt weder Lackierung noch Beschichtung.

△Das Fahrradunternehmen Mythos bietet seinen Kunden eine Reihe von 3D-gedruckten Titanteilen an, darunter auch diesen Lenker, während Verve Cycling (rechts) neue 3D-gedruckte Titankurbeln anbietet.

△GKN Aerospace plant die Anschaffung eines neuen großformatigen Titan-3D-Druckers für sein Werk in Texas.

△Da die NASA nur einen benötigt, ist das 3D-Drucken von Titankomponenten für den ausfahrbaren Mondarm sinnvoller als die traditionelle Fertigungsmethode.

● Fertigung

Der Halbleiterhersteller ASML fertigt seine Titan-Trägerplatten-Vorformlinge (für die Waferproduktion) jetzt im 3D-Druckverfahren statt durch Schmieden. Dadurch spart er 64 % Rohmaterial und kann die Produkte schneller liefern. Norsk Titanium, ein Unternehmen für additive Fertigung von Metallen, das mit einer DED-Plattform (Directed Energy Deposition) arbeitet, druckt 80 Kilogramm (ca. 176 Pfund) endkonturnahe Vorformlinge aus Ti64 für die Halbleiterwaferproduktion.

△3D-gedruckte Radnabenhalterung aus Titanlegierung, hergestellt von der University of Washington

△Titanpulver

Mehrere Unternehmen, darunter Virtual Foundry, bieten Titandraht für das Extruder-basierte Schmelzschichtverfahren (FDM) an. Das Material enthält Metallpulver, das in PLA eingebettet ist, und kann mit FDM-Druckern bei Extrudertemperaturen über 205 °C verarbeitet werden. Nach der Nachbearbeitung und dem Sintern lassen sich aus diesen Filamenten Metallteile mit einem Metallgehalt von über 90 % herstellen, wodurch sie sich ideal für die Prototypenfertigung eignen.

△Das universitäre Metall-3D-Drucklabor des Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research stellt Teile aus Titan her.

Kurz gesagt, die zukünftige Entwicklung von 3D-gedrucktem Titan ist vielversprechend und wird in vielen Bereichen eine bedeutende Rolle spielen. Durch kontinuierliche technologische Innovationen und die Erweiterung der Anwendungsgebiete wird 3D-gedrucktes Titan der Gesellschaft komfortablere, effizientere und qualitativ hochwertigere Metallteile liefern.