Titaanisulamite 3D-printimise rakendusvaldkonnad ja areng

Titaan on lisandite tootmises üks enimkasutatavaid metalle ning seda kasutatakse lennunduses, liigeste asendamise ja kirurgiliste instrumentide, võidusõidu- ja jalgrattaraamide, elektroonika ja muude kõrgjõudlusega toodete puhul. Titaani ja titaanipõhiseid sulameid hindavad mitmed tööstusharud nende kõrge mehaanilise tugevuse, kõrge tugevuse ja kaalu suhte ning parema korrosioonikindluse poolest kui roostevaba teras. Selle materjali kasutamine võib muuta raketid ja lennukid kergemaks, säästes seeläbi kütust ja suurendades kandevõimet. Seda saaks kasutada ka kergema elektroonika, näiteks nutitelefonide ja VR-prillide, valmistamiseks, samuti meditsiiniliste implantaatide valmistamiseks. Lisaks, kui titaani loomupärased omadused kombineeritakse 3D-printimise ainulaadsete võimalustega, on eelised veelgi ilmsemad. Millised on 3D-prinditud titaani konkreetsed kasutusalad? Millised on titaani levinumad omadused? Printeron turul?

△3D-prinditud titaandetailid

Puusaliigesed firmalt GE Additive, ventilaatorilabad firmalt Sciaky, raketiotsad firmalt Arcam Darker, titaanist võrekomponendid firmalt 3D Systems, titaanist stendid firmalt EOS, kirurgilised selgrooimplantaadid firmalt Zenith Tecnica

3D-printimine võimaldab titaani tõhusamat tootmist, vähendades samal ajal tooraine raiskamist. Lisandtehnoloogiana kasutab metalli 3D-printimine tavaliselt ainult detaili ehitamiseks vajalikke materjale koos suhteliselt väikese koguse tugistruktuurimaterjaliga. 3D-printimine võimaldab ka keerukaid konstruktsioone, näiteks sisemisi kanaleid ja õõnsaid või võrega täidetud osi kaalu vähendamiseks, mis pole ühegi teise tootmismeetodiga võimalik. Kuna vorme ega tööriistu pole, saab titaani 3D-printimisega kulutõhusalt luua ainulaadseid osi, näiteks patsiendispetsiifilisi implantaate, prototüüpe ja uurimisvahendeid. Titaani 3D-printimise näiteid tootmise, tervishoiu, kosmoseuuringute ja muu edendamiseks on lugematu arv.

3D-printimise titaanisulamist kasutusalad

△2023. aastal andis Panerai välja Submersible S Brabus PAM01283, millel oli 3D-prinditud titaanist korpus. Parempoolsel pildil on näha, et Holthinrichs Deconstructed tõi turule esimese 3D-prinditud titaanist käekella.

Titaanist 3D-printimist kasutatakse juba laialdaselt nii mitmekesiste toodete tootmiseks nagu meditsiiniseadmed, sportrattad, luksuskellad ja tarbeelektroonika, lootuses pakkuda kergeid, kuid tugevaid tooteid uuenduslike ja sageli kohandatud disainide abil.

● Täppistooted ja elektroonikatooted

3D-printimise abil saab toota väga õhukeseinalisi ja keerukaid titaanist detaile, mida sageli kasutatakse kellakorpuste valmistamiseks, näiteks eespool näidatud Panerai ja Holthinrichsi kelladel. Väidetavalt on titaanisulamist kellakorpused tulevane osa ka Apple Watch Ultrast.

△3D-prinditud titaanisulamist hingedega nihutatav kate, mida kasutati 2023. aasta Honor Magic V2 kokkupandaval nutitelefonil

2023. aastal lansseeris nutitelefonitootja Honor oma uue kokkupandava Magic V2, millel on 3D-prinditud titaanist hingedega käiguvahetuskate, mis on eelmisest alumiiniumist versioonist kergem ja 150% tugevam. Honori sõnul on see väike titaanist tükk, mida saab kümneid tuhandeid 3D-printida, toote vastupidavuse ning sujuva voltimise ja avamise võti.

● Meditsiinilised ja hambaimplantaadid

△American Orthofix Medicali 3D-prinditud titaanist implantaat Construx Mimi Ti vahetükkide süsteem sai USA FDA poolt heakskiidu 2021. aastal.

Meditsiinitööstuses on 3D-prinditud titaanimplantaadid olnud edukad selgroo, puusa-, põlve- ja jäsemete rakendustes tänu metalli loomupärasele bioühilduvusele ja headele mehaanilistele omadustele, millele lisandub võime 3D-printida kohandatud poorseid struktuure (võimaldades seeläbi osseointegratsiooni) ja masskohandamist paremate patsientide tulemuste saavutamiseks. 3D-prinditud titaanimplantaadid on saavutamas regulatiivset heakskiitu ja nõudlust. Kuna enamik meditsiinilisi implantaate on valmistatud katma suurt hulka sama haigusega inimesi, ei sobi need kõigile. Haruldaste haigustega inimesed on sageli välja jäetud. Nüüd on 3D-printimise abil võimalik toota implantaate, mis on spetsiaalselt loodud iga patsiendi jaoks.

2023. aastal tegi Ühendkuningriigis kirurg samal päeval neli randmeoperatsiooni, kasutades patsiendispetsiifilisi 3D-prinditud titaanplaate, et korrigeerida eelnevalt luumurruga randmedeformatsioone. Dr Akshay Malhotra, ortopeediline konsultant-kirurg ja käte ja randmete kliiniline juht, ütles: „Kui see planeerimisprotsess on lõpule viidud, trükitakse titaanipulbri abil eritellimusel valmistatud plaadid, seejärel testitakse neid, saadetakse Ühendkuningriiki ja steriliseeritakse maakonnahaiglas operatsiooniks ettevalmistamiseks.“

△CoreLinki 3D-prinditud titaankruvidel on poorne struktuur, mis soodustab luukasvu, ja FingerKit Consortiumi uued patsiendispetsiifilised titaanist sõrmeliigesed

Indias asuva Manipali haigla arstid kasutasid 2022. aastal 3D-prinditud titaani, kui nad ravisid vähihaiget, kelle kasvaja hävitas tema rindkere. Üldiselt oleksid sellise suurusega implantaadid inimkehale liiga rasked, kuid kuna titaan on kerge ja väga tugev, kaaludes alla 250 grammi, sobib see ideaalselt implantaatide printimiseks kehasse. Tänu 3D-prinditud implantaadi edule paranes patsient täielikult ja suutis naasta oma normaalse elu juurde ilma väliste masinate abita hingamisel.

△Titaanist 3D-printimise abil suutis Angel Cycle Works oluliselt vähendada uue Heaven jalgratta kaalu ja optimeerida selle disaini.

3D-prinditud titaan on tänapäeva sportratastes tavaline. Titaani kasutatakse väntvõllides, pidurikangides, varrastes, käiguvahetajate riputusvahendites ja isegi täisraamides. Titaan on sama tugev kui alumiinium ja sama kerge kui süsinikkiud, ilma süsinikkiu jätkusuutlikkuse probleemideta. Jalgrattatootja Carbon Wasp selgitab, miks ta loobub alumiiniumist ja süsinikkiust ning kasutab oma uusimate järelturu väntvarraste ehitamiseks 3D-prinditud titaani. Carbon Wasp ütles: „Mõtlesime välja igasuguseid loomingulisi viise, kuidas väntvõlli käigukasti võlli külge kinnitada ilma süsinikkiudu pigistamata, kuid alati oli vaja mõningaid metalldetaile ja nende liimimine süsinikkiule tekitaks probleeme. Lõputute küsimuste juurde. Pärast prototüüpimist leidis Carbon Wasp, et 3D-prinditud võrega täidetud titaanist vänt on sama kerge kui süsinik, kuid tugevam väga löögikindlates kohtades. Usume endiselt, et süsinikkiud on parim paljude muude materjalide, sealhulgas raami jaoks, kuid töötame juba ka teiste titaandetailide kallal.“

Täisraamidest rääkides ütleb jalgrattatootja Angel Cycle Works, et nad 3D-printisid ühest kergest komponendist täistitaanist raami, mis lühendab võistlusaegu oluliste sekundite võrra ja võimaldab uusi disainigeomeetriaid. Nende uus superbike nimega Heaven on 400 grammi kergem kui eelmine versioon. Teine täistitaanisulamist raam, mille Pilot sel aastal turule tõi, kannab nime Pilot Seiren. Maanteeratta raam on täielikult 3D-prinditud titaanist (jagatud kolmeks osaks). Ettevõtte sõnul võimaldab titaani 3D-printimine jalgratast sõitja eelistuste järgi kohandada ning raam ei vaja värvimist ega katmist.

△Jalgrattafirma Mythos pakub klientidele laia valikut 3D-prinditud titaanist osi, sealhulgas neid lenkstange, samas kui Verve Cycling (paremal) pakub uusi 3D-prinditud titaanist väntasid.

△GKN Aerospace plaanib oma Texase tehasesse lisada uue suuremahulise titaanist 3D-printeri

△Kuna NASA vajab ainult ühte, on Kuu ümberpaigutatava käe titaanist komponentide 3D-printimine mõistlikum kui traditsiooniline tootmine.

● Tootmine

Pooljuhtide tootja ASML kasutab nüüd titaanist kandealuste toorikute (mida kasutatakse vahvlite tootmisel) sepistamise asemel 3D-printimist, säästes seeläbi 64% toorainest ja tarnides neid kiiremini. Norsk Titanium, metallilisandite tootmise ettevõte, mis kasutab suunatud energia sadestamise (DED) platvormi, trükib 80 kilogrammi (umbes 176 naela) peaaegu netokujulisi toorikuid Ti64-st pooljuhtide vahvlite tootmiseks.

△Washingtoni Ülikooli toodetud 3D-prinditud titaanisulamist velje rummuklamber

△Titaanpulber

Mitmed ettevõtted, sealhulgas Virtual Foundry, pakuvad titaantraati ekstruuderipõhiseks sulatatud sadestamise modelleerimiseks (FDM). Materjal sisaldab PLA-sse immutatud metallipulbrit ja seda saab printida FDM-printeritega ekstruuderi temperatuuril üle 205 °C. Pärast järeltöötlust ja paagutamist saavad need filamentid toota metalldetaile, mille metallisisaldus on üle 90%, mistõttu sobivad need prototüüpide valmistamiseks.

△Ülikooli metalli 3D-printimise labor, Washingtoni Maa Külluslike Materjalide Deployment and Research Joint Center, valmistab titaanist osi

Lühidalt öeldes on 3D-prinditud titaani tulevane areng lootusrikas ja mängib paljudes valdkondades suuremat rolli. Pideva tehnoloogilise innovatsiooni ja rakenduste laiendamise kaudu toob 3D-prinditud titaan ühiskonnale mugavamaid, tõhusamaid ja kvaliteetsemaid metalldetaile.