Πεδία εφαρμογής και ανάπτυξη της τρισδιάστατης εκτύπωσης από κράμα τιτανίου

Το τιτάνιο είναι ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα μέταλλα στην προσθετική κατασκευή και χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική, στα εργαλεία αντικατάστασης αρθρώσεων και χειρουργικά εργαλεία, σε σκελετούς αγώνων και ποδηλάτων, σε ηλεκτρονικά είδη και σε άλλα προϊόντα υψηλής απόδοσης. Το τιτάνιο και τα κράματα με βάση το τιτάνιο εκτιμώνται από διάφορες βιομηχανίες για την υψηλή μηχανική τους αντοχή, την υψηλή αναλογία αντοχής προς βάρος και την καλύτερη αντοχή στη διάβρωση από τον ανοξείδωτο χάλυβα. Η χρήση αυτού του υλικού μπορεί να κάνει τους πυραύλους και τα αεροσκάφη ελαφρύτερα, εξοικονομώντας έτσι καύσιμα και αυξάνοντας την ικανότητα ωφέλιμου φορτίου. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ελαφρύτερων ηλεκτρονικών ειδών, όπως smartphones και γυαλιά VR, καθώς και σε ιατρικά εμφυτεύματα. Επιπλέον, όταν οι εγγενείς ιδιότητες του τιτανίου συνδυάζονται με τις μοναδικές δυνατότητες της τρισδιάστατης εκτύπωσης, τα πλεονεκτήματα θα είναι ακόμη πιο προφανή. Ποιες είναι λοιπόν οι συγκεκριμένες χρήσεις του τρισδιάστατα εκτυπωμένου τιτανίου; Ποια είναι τα κοινά τιτάνια; Εκτυπωτήςείναι στην αγορά;

△Τρισδιάστατα εκτυπωμένα εξαρτήματα τιτανίου

Αρθρώσεις ισχίου από την GE Additive, πτερύγια ανεμιστήρα από την Sciaky, άκρες πυραύλων από την Arcam Darker, εξαρτήματα πλέγματος τιτανίου από την 3D Systems, στεντ τιτανίου από την EOS, χειρουργικά εμφυτεύματα σπονδυλικής στήλης από την Zenith Tecnica

Τρισδιάστατη εκτύπωση Επιτρέπει την πιο αποτελεσματική κατασκευή τιτανίου, μειώνοντας παράλληλα τα απόβλητα πρώτων υλών. Ως τεχνολογία προσθήκης, η τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων συνήθως χρησιμοποιεί μόνο τα υλικά που απαιτούνται για την κατασκευή του εξαρτήματος, μαζί με μια σχετικά μικρή ποσότητα δομικού υλικού στήριξης. Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει επίσης πολύπλοκα σχέδια, όπως εσωτερικά κανάλια και κοίλα ή γεμισμένα με πλέγμα μέρη για τη μείωση του βάρους, που δεν είναι δυνατά με καμία άλλη μέθοδο κατασκευής. Επειδή δεν υπάρχουν καλούπια ή εργαλεία, η τρισδιάστατη εκτύπωση τιτανίου μπορεί να δημιουργήσει οικονομικά μοναδικά εξαρτήματα, όπως εμφυτεύματα ειδικά για ασθενείς, πρωτότυπα και ερευνητικά εργαλεία. Υπάρχουν αμέτρητα παραδείγματα τρισδιάστατης εκτύπωσης τιτανίου για την προώθηση της μεταποίησης, της υγειονομικής περίθαλψης, της εξερεύνησης του διαστήματος και άλλων.

Χρήσεις κράματος τιτανίου 3D εκτύπωσης

△Το 2023, η Panerai κυκλοφόρησε το Submersible S Brabus PAM01283 εξοπλισμένο με κάσα τιτανίου με τρισδιάστατη εκτύπωση. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει ότι η Holthinrichs Deconstructed λάνσαρε το πρώτο ρολόι τιτανίου με τρισδιάστατη εκτύπωση.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση τιτανίου χρησιμοποιείται ήδη ευρέως για την παραγωγή προϊόντων τόσο ποικίλων όσο ιατρικές συσκευές, ποδήλατα υψηλών επιδόσεων, ρολόγια πολυτελείας και ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, με την ελπίδα να παραδοθούν ελαφριά αλλά ανθεκτικά προϊόντα μέσω καινοτόμων, συχνά προσαρμοσμένων σχεδίων.

● Προϊόντα ακριβείας και ηλεκτρονικά προϊόντα

Η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να παράγει πολύ λεπτά, σύνθετα εξαρτήματα τιτανίου, τα οποία χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή θηκών ρολογιών, όπως τα ρολόγια Panerai και Holthinrichs που φαίνονται παραπάνω. Λέγεται ότι οι θήκες ρολογιών από κράμα τιτανίου θα αποτελέσουν επίσης ένα επερχόμενο μέρος του Apple Watch Ultra.

△Κάλυμμα μεντεσέδων από κράμα τιτανίου με τρισδιάστατη εκτύπωση που χρησιμοποιείται στο πτυσσόμενο smartphone Honor Magic V2 του 2023

Το 2023, η Honor, κατασκευάστρια smartphone, κυκλοφόρησε το νέο της πτυσσόμενο Magic V2, το οποίο διαθέτει ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο κάλυμμα τιτανίου με αρθρώσεις, το οποίο είναι ελαφρύτερο και 150% ισχυρότερο από την προηγούμενη έκδοση αλουμινίου. Η Honor δήλωσε ότι αυτό το μικρό κομμάτι τιτανίου, το οποίο μπορεί να εκτυπωθεί τρισδιάστατα σε δεκάδες χιλιάδες τεμάχια, είναι το κλειδί για την ανθεκτικότητα του προϊόντος και την ομαλή αναδίπλωση και ξεδίπλωση.

● Ιατρικά και οδοντικά εμφυτεύματα

△Το τρισδιάστατα εκτυπωμένο εμφύτευμα τιτανίου Construx Mimi Ti Spacer System της American Orthofix Medical εγκρίθηκε από τον FDA των ΗΠΑ το 2021

Στον ιατρικό κλάδο, τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα εμφυτεύματα τιτανίου έχουν σημειώσει επιτυχία σε εφαρμογές στη σπονδυλική στήλη, το ισχίο, το γόνατο και τα άκρα λόγω της εγγενούς βιοσυμβατότητας και των καλών μηχανικών ιδιοτήτων του μετάλλου, σε συνδυασμό με την ικανότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης προσαρμοσμένων πορωδών δομών (επιτρέποντας έτσι την οστεοενσωμάτωση) και την μαζική προσαρμογή για καλύτερα αποτελέσματα στους ασθενείς. Τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα εμφυτεύματα τιτανίου κερδίζουν την έγκριση και τη ζήτηση από τις ρυθμιστικές αρχές. Δεδομένου ότι τα περισσότερα ιατρικά εμφυτεύματα κατασκευάζονται για να καλύψουν μεγάλο αριθμό ατόμων με την ίδια πάθηση, δεν είναι κατάλληλα για όλους. Άτομα με σπάνιες ασθένειες συχνά αποκλείονται. Τώρα, με την τρισδιάστατη εκτύπωση, είναι δυνατή η παραγωγή εμφυτευμάτων ειδικά σχεδιασμένων για μεμονωμένους ασθενείς.

Το 2023, ένας χειρουργός στο Ηνωμένο Βασίλειο πραγματοποίησε τέσσερις χειρουργικές επεμβάσεις στον καρπό την ίδια ημέρα, χρησιμοποιώντας πλάκες τιτανίου τρισδιάστατα εκτυπωμένες ειδικά για τον ασθενή, για να διορθώσει προηγουμένως κατάγματα παραμορφώσεων στον καρπό. Ο Δρ. Akshay Malhotra, σύμβουλος ορθοπεδικός χειρουργός και κλινικός επικεφαλής για τα χέρια και τους καρπούς, δήλωσε: «Μόλις ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία σχεδιασμού, οι πλάκες κατά παραγγελία εκτυπώνονται χρησιμοποιώντας σκόνη τιτανίου, στη συνέχεια δοκιμάζονται, αποστέλλονται στο Ηνωμένο Βασίλειο και αποστειρώνονται στο Νοσοκομείο της Κομητείας για την προετοιμασία της χειρουργικής επέμβασης».

△Οι βίδες τιτανίου της CoreLink, οι οποίες έχουν εκτυπωθεί τρισδιάστατα, διαθέτουν πορώδη δομή που προάγει την ανάπτυξη των οστών, και οι νέες αρθρώσεις δακτύλων τιτανίου της Κοινοπραξίας FingerKit, ειδικά σχεδιασμένες για τον ασθενή,

Οι γιατροί στο Νοσοκομείο Manipal στην Ινδία χρησιμοποίησαν τρισδιάστατα εκτυπωμένο τιτάνιο όταν θεράπευσαν έναν ασθενή με καρκίνο του οποίου ο όγκος κατέστρεφε το στήθος του το 2022. Γενικά, τα εμφυτεύματα αυτού του μεγέθους θα ήταν πολύ βαριά για να τα αντέξει το ανθρώπινο σώμα, αλλά επειδή το τιτάνιο είναι ελαφρύ και εξαιρετικά ανθεκτικό, ζυγίζοντας λιγότερο από 250 γραμμάρια, είναι ιδανικό για την εκτύπωση εμφυτευμάτων μέσα στο σώμα. Χάρη στην επιτυχία του τρισδιάστατα εκτυπωμένου εμφυτεύματος, ο ασθενής ανάρρωσε πλήρως και μπόρεσε να επιστρέψει στην κανονική του ζωή χωρίς να βασίζεται σε εξωτερικά μηχανήματα για να τον βοηθήσουν να αναπνεύσει.

△Μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης τιτανίου, η Angel Cycle Works κατάφερε να μειώσει σημαντικά το βάρος και να βελτιστοποιήσει τον σχεδιασμό του νέου ποδηλάτου Heaven

Το τρισδιάστατα εκτυπωμένο τιτάνιο είναι συνηθισμένο στις σημερινές μοτοσικλέτες υψηλών επιδόσεων. Το τιτάνιο χρησιμοποιείται σε στρόφαλους, μανέτες φρένων, λαβές, βάσεις εκτροχιαστών, ακόμη και σε πλήρη πλαίσια. Το τιτάνιο είναι τόσο ανθεκτικό όσο το αλουμίνιο και τόσο ελαφρύ όσο οι ίνες άνθρακα, χωρίς τα προβλήματα βιωσιμότητας των ινών άνθρακα. Ο κατασκευαστής ποδηλάτων Carbon Wasp εξηγεί γιατί εγκαταλείπει το αλουμίνιο και τις ίνες άνθρακα υπέρ της χρήσης τρισδιάστατα εκτυπωμένου τιτανίου για την κατασκευή των τελευταίων βραχιόνων στροφάλου aftermarket. Η Carbon Wasp δήλωσε: «Σκεφτήκαμε κάθε είδους δημιουργικούς τρόπους για να στερεώσουμε τον στρόφαλο στον άξονα του κιβωτίου ταχυτήτων χωρίς να πιέσουμε τις ίνες άνθρακα, αλλά υπήρχαν πάντα ορισμένα μεταλλικά ένθετα που απαιτούνταν, και η κόλληση των ενθέτων στις ίνες άνθρακα θα είχε προβλήματα. Στα ατελείωτα ερωτήματα. Μετά από κάποια πρωτότυπα, η Carbon Wasp διαπίστωσε ότι ένας τρισδιάστατα εκτυπωμένος στρόφαλος τιτανίου γεμάτος με πλέγμα είναι εξίσου ελαφρύς με τον άνθρακα αλλά ισχυρότερος σε περιοχές πολύ επιρρεπείς σε κρούσεις. Εξακολουθούμε να πιστεύουμε ότι οι ίνες άνθρακα είναι οι καλύτερες για πολλές άλλες χρήσεις.»

Μιλώντας για full frames, ο κατασκευαστής ποδηλάτων Angel Cycle Works λέει ότι εκτύπωσε 3D ένα πλαίσιο εξ ολοκλήρου από τιτάνιο σε ένα ελαφρύ εξάρτημα, το οποίο εξοικονομεί κρίσιμα δευτερόλεπτα από τους χρόνους αγώνα και επιτρέπει νέες γεωμετρίες σχεδιασμού. Η νέα superbike της, που ονομάζεται Heaven, είναι 400 γραμμάρια ελαφρύτερη από την προηγούμενη έκδοση. Ένα άλλο πλαίσιο από κράμα τιτανίου που λάνσαρε η Pilot φέτος ονομάζεται Pilot Seiren. Το πλαίσιο της μοτοσικλέτας δρόμου είναι εξ ολοκλήρου τρισδιάστατα εκτυπωμένο από τιτάνιο (χωρισμένο σε τρία μέρη). Η εταιρεία λέει ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση τιτανίου της επιτρέπει να προσαρμόζει τη μοτοσικλέτα στις προτιμήσεις του αναβάτη και το πλαίσιο δεν απαιτεί βαφή ή επίστρωση.

△Η εταιρεία ποδηλάτων Mythos προσφέρει στους πελάτες μια σειρά από τρισδιάστατα εκτυπωμένα εξαρτήματα τιτανίου, συμπεριλαμβανομένων αυτών των τιμονιών, ενώ η Verve Cycling (δεξιά) προσφέρει νέους στρόφαλους τιτανίου από τρισδιάστατη εκτύπωση.

△Η GKN Aerospace σχεδιάζει να προσθέσει έναν νέο μεγάλης κλίμακας τρισδιάστατο εκτυπωτή τιτανίου στο εργοστάσιό της στο Τέξας

△Δεδομένου ότι η NASA χρειάζεται μόνο ένα, η τρισδιάστατη εκτύπωση εξαρτημάτων τιτανίου για τον σεληνιακό αναπτυσσόμενο βραχίονα έχει περισσότερο νόημα από την παραδοσιακή κατασκευή.

● Κατασκευή

Η κατασκευάστρια ημιαγωγών ASML εκτυπώνει πλέον τρισδιάστατα αντί να σφυρηλατεί προμορφώματα δίσκου τιτανίου (που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή πλακιδίων), εξοικονομώντας 64% σε πρώτες ύλες και παραδίδοντάς τα ταχύτερα. Η Norsk Titanium, μια εταιρεία κατασκευής προσθέτων μετάλλων που χρησιμοποιεί πλατφόρμα κατευθυνόμενης εναπόθεσης ενέργειας (DED), εκτυπώνει 80 κιλά (περίπου 176 λίβρες) προμορφωμάτων σχεδόν καθαρού σχήματος με Ti64 για χρήση στην παραγωγή πλακιδίων ημιαγωγών.

△Βάση πλήμνης τροχού από κράμα τιτανίου, κατασκευασμένη από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον, με τρισδιάστατη εκτύπωση

△Σκόνη τιτανίου

Αρκετές εταιρείες, συμπεριλαμβανομένης της Virtual Foundry, προσφέρουν σύρμα τιτανίου για μοντελοποίηση εναπόθεσης με σύντηξη (FDM) με βάση τον εξωθητήρα. Το υλικό περιέχει μεταλλική σκόνη ενσωματωμένη σε PLA και μπορεί να εκτυπωθεί χρησιμοποιώντας εκτυπωτές FDM σε θερμοκρασίες εξωθητήρα άνω των 205 °C. Μετά την μετεπεξεργασία και την πυροσυσσωμάτωση, αυτά τα νήματα μπορούν να παράγουν μεταλλικά μέρη με περιεκτικότητα σε μέταλλο άνω του 90%, καθιστώντας τα κατάλληλα για πρωτοτυποποίηση.

△Το πανεπιστημιακό εργαστήριο τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων, Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research, κατασκευάζει εξαρτήματα από τιτάνιο

Εν ολίγοις, η μελλοντική ανάπτυξη του τρισδιάστατα εκτυπωμένου τιτανίου είναι γεμάτη ελπίδα και θα διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο σε πολλούς τομείς. Μέσω της συνεχούς τεχνολογικής καινοτομίας και της επέκτασης των εφαρμογών, το τρισδιάστατα εκτυπωμένο τιτάνιο θα φέρει στην κοινωνία πιο βολικά, αποτελεσματικά και υψηλής ποιότητας μεταλλικά εξαρτήματα.