زمینه‌های کاربرد و توسعه چاپ سه‌بعدی آلیاژ تیتانیوم

تیتانیوم یکی از فلزات رایج در تولید افزایشی است و در هوافضا، ابزارهای تعویض مفصل و جراحی، فریم‌های مسابقه‌ای و دوچرخه، الکترونیک و سایر محصولات با کارایی بالا استفاده می‌شود. تیتانیوم و آلیاژهای مبتنی بر تیتانیوم به دلیل استحکام مکانیکی بالا، نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت در برابر خوردگی بهتر نسبت به فولاد ضد زنگ، توسط صنایع مختلف ارزشمند هستند. استفاده از این ماده می‌تواند موشک‌ها و هواپیماها را سبک‌تر کند، در نتیجه در مصرف سوخت صرفه‌جویی کرده و توانایی حمل بار را افزایش دهد. همچنین می‌توان از آن برای ساخت لوازم الکترونیکی سبک‌تر مانند تلفن‌های هوشمند و عینک‌های واقعیت مجازی و همچنین در ایمپلنت‌های پزشکی استفاده کرد. علاوه بر این، هنگامی که خواص ذاتی تیتانیوم با قابلیت‌های منحصر به فرد چاپ سه‌بعدی ترکیب می‌شود، مزایا حتی آشکارتر خواهد شد. بنابراین، کاربردهای خاص تیتانیوم چاپ سه‌بعدی چیست؟ تیتانیوم رایج چیست؟ چاپگردر بازار موجود است؟

△ قطعات تیتانیومی چاپ سه بعدی شده

مفاصل ران از GE Additive، پره‌های فن از Sciaky، نوک موشک از Arcam Darker، اجزای شبکه تیتانیومی از 3D Systems، استنت‌های تیتانیومی از EOS، ایمپلنت‌های جراحی ستون فقرات از Zenith Tecnica

چاپ سه بعدی امکان تولید کارآمدتر تیتانیوم را فراهم می‌کند و در عین حال ضایعات مواد اولیه را کاهش می‌دهد. به عنوان یک فناوری افزایشی، چاپ سه‌بعدی فلز معمولاً فقط از مواد مورد نیاز برای ساخت قطعه، همراه با مقدار نسبتاً کمی از مواد ساختاری پشتیبانی، استفاده می‌کند. چاپ سه‌بعدی همچنین امکان طراحی‌های پیچیده، مانند کانال‌های داخلی و قطعات توخالی یا پر شده با شبکه را برای کاهش وزن فراهم می‌کند، که با هیچ روش تولید دیگری امکان‌پذیر نیست. از آنجا که هیچ قالب یا ابزاری وجود ندارد، چاپ سه‌بعدی تیتانیوم می‌تواند قطعات منحصر به فردی مانند ایمپلنت‌های مخصوص بیمار، نمونه‌های اولیه و ابزارهای تحقیقاتی را به صورت مقرون به صرفه ایجاد کند. نمونه‌های بی‌شماری از چاپ سه‌بعدی تیتانیوم برای پیشرفت در تولید، مراقبت‌های بهداشتی، اکتشافات فضایی و موارد دیگر وجود دارد.

کاربردهای آلیاژ تیتانیوم چاپ سه بعدی

△ در سال ۲۰۲۳، شرکت پانرای ساعت Submersible S Brabus PAM01283 مجهز به قاب تیتانیومی چاپ سه‌بعدی را عرضه کرد. تصویر سمت راست نشان می‌دهد که شرکت Holthinrichs Deconstructed اولین ساعت تیتانیومی چاپ سه‌بعدی را عرضه کرده است.

چاپ سه‌بعدی تیتانیوم در حال حاضر به طور گسترده برای تولید محصولات متنوعی مانند دستگاه‌های پزشکی، دوچرخه‌های اسپرت، ساعت‌های لوکس و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شود، با این امید که از طریق طرح‌های نوآورانه و اغلب سفارشی، محصولات سبک اما قوی ارائه شود.

● محصولات دقیق و محصولات الکترونیکی

چاپ سه‌بعدی می‌تواند قطعات تیتانیومی پیچیده و با دیواره‌های بسیار نازک تولید کند که اغلب برای ساخت قاب ساعت، مانند ساعت‌های Panerai و Holthinrichs که در بالا نشان داده شده است، استفاده می‌شوند. گفته می‌شود که قاب ساعت‌های آلیاژ تیتانیوم نیز به زودی در Apple Watch Ultra به کار خواهد رفت.

△پوشش تغییر شکل لولا از جنس آلیاژ تیتانیوم چاپ سه‌بعدی که در گوشی هوشمند تاشو Honor Magic V2 مدل ۲۰۲۳ استفاده شده است

در سال ۲۰۲۳، شرکت سازنده گوشی‌های هوشمند آنر، گوشی تاشو جدید خود، Magic V2، را عرضه کرد که دارای یک پوشش شیفت لولایی تیتانیومی چاپ سه‌بعدی است که سبک‌تر و ۱۵۰٪ قوی‌تر از نسخه آلومینیومی قبلی است. آنر اعلام کرد که این قطعه تیتانیومی کوچک که می‌تواند در ده‌ها هزار نسخه چاپ سه‌بعدی شود، کلید دوام و تاشو و باز شدن روان این محصول است.

● ایمپلنت‌های پزشکی و دندانی

△ سیستم فاصله دهنده Construx Mimi Ti ایمپلنت تیتانیومی چاپ سه بعدی American Orthofix Medical در سال 2021 توسط سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) تأیید شد.

در صنعت پزشکی، ایمپلنت‌های تیتانیومی چاپ سه‌بعدی به دلیل زیست‌سازگاری ذاتی فلز و خواص مکانیکی خوب، همراه با توانایی چاپ سه‌بعدی ساختارهای متخلخل سفارشی (که در نتیجه امکان ادغام استخوانی را فراهم می‌کند) و سفارشی‌سازی انبوه برای نتایج بهتر بیمار، در کاربردهای ستون فقرات، لگن، زانو و اندام‌ها موفق بوده‌اند. ایمپلنت‌های تیتانیومی چاپ سه‌بعدی در حال کسب تأییدیه و تقاضای نظارتی هستند. از آنجایی که اکثر ایمپلنت‌های پزشکی برای پوشش تعداد زیادی از افراد با شرایط یکسان ساخته می‌شوند، برای همه مناسب نیستند. افراد مبتلا به بیماری‌های نادر اغلب از این امر مستثنی هستند. اکنون، با چاپ سه‌بعدی، می‌توان ایمپلنت‌هایی را تولید کرد که به‌طور خاص برای بیماران خاص طراحی شده‌اند.

در سال ۲۰۲۳، یک جراح در بریتانیا چهار عمل جراحی مچ دست را در یک روز انجام داد و با استفاده از صفحات تیتانیومی چاپ سه‌بعدی مخصوص بیمار، بدشکلی‌های مچ دست که قبلاً شکسته بودند را اصلاح کرد. دکتر آکشای مالهوترا، جراح ارتوپد مشاور و سرپرست بالینی دست و مچ دست، گفت: «پس از اتمام این فرآیند برنامه‌ریزی، صفحات سفارشی با استفاده از پودر تیتانیوم چاپ می‌شوند، سپس آزمایش می‌شوند، به بریتانیا ارسال می‌شوند و در بیمارستان کانتی برای آماده‌سازی جهت جراحی استریل می‌شوند.»

△ پیچ‌های تیتانیومی چاپ سه‌بعدی CoreLink دارای ساختار متخلخلی هستند که رشد استخوان را تقویت می‌کند، و مفاصل انگشت تیتانیومی جدید مخصوص بیمار از کنسرسیوم FingerKit

پزشکان بیمارستان مانیپال در هند در سال ۲۰۲۲ از تیتانیوم چاپ سه‌بعدی شده برای درمان یک بیمار سرطانی که تومور سینه‌اش را از بین می‌برد، استفاده کردند. به طور کلی، ایمپلنت‌هایی با این اندازه برای بدن انسان بسیار سنگین هستند، اما از آنجا که تیتانیوم سبک و بسیار قوی است و وزن آن کمتر از ۲۵۰ گرم است، برای چاپ ایمپلنت در داخل بدن ایده‌آل است. به لطف موفقیت ایمپلنت چاپ سه‌بعدی، بیمار به طور کامل بهبود یافت و توانست بدون تکیه بر دستگاه‌های خارجی برای کمک به تنفس، به زندگی عادی خود بازگردد.

△ شرکت Angel Cycle Works از طریق چاپ سه‌بعدی تیتانیوم توانست وزن دوچرخه جدید Heaven را به میزان قابل توجهی کاهش داده و طراحی آن را بهینه کند.

تیتانیوم چاپ سه‌بعدی در دوچرخه‌های عملکردی امروزی رایج است. تیتانیوم در میل‌لنگ‌ها، اهرم‌های ترمز، دسته‌ها، آویزهای شانژمان و حتی فریم‌های کامل استفاده می‌شود. تیتانیوم به اندازه آلومینیوم محکم و به اندازه فیبر کربن سبک است، بدون مشکلات پایداری فیبر کربن. شرکت تولیدکننده دوچرخه Carbon Wasp توضیح می‌دهد که چرا آلومینیوم و فیبر کربن را کنار گذاشته و از تیتانیوم چاپ سه‌بعدی برای ساخت جدیدترین بازوهای میل‌لنگ خود استفاده می‌کند. Carbon Wasp گفت: "ما انواع روش‌های خلاقانه را برای بستن میل‌لنگ به شفت گیربکس بدون فشردن فیبر کربن ارائه دادیم، اما همیشه به برخی از درج‌های فلزی نیاز بود و چسباندن درج‌ها به فیبر کربن مشکلاتی را به همراه داشت. به سوالات بی‌پایان. پس از چند نمونه‌سازی، Carbon Wasp دریافت که میل‌لنگ تیتانیومی پر شده با شبکه چاپ سه‌بعدی به اندازه کربن سبک است اما در نواحی بسیار مستعد ضربه، قوی‌تر است. ما هنوز فکر می‌کنیم که فیبر کربن برای بسیاری از مواد دیگر، از جمله فریم، بهترین است، اما در حال حاضر روی سایر قطعات تیتانیومی کار می‌کنیم."

صحبت از فریم‌های کامل شد، شرکت سازنده دوچرخه Angel Cycle Works می‌گوید که یک فریم تمام تیتانیومی را در یک قطعه سبک وزن چاپ سه‌بعدی کرده است که ثانیه‌های حیاتی را از زمان مسابقه کم می‌کند و هندسه‌های طراحی جدیدی را امکان‌پذیر می‌سازد. سوپربایک جدید آن، Heaven، ۴۰۰ گرم سبک‌تر از نسخه قبلی است. یکی دیگر از فریم‌های تمام تیتانیومی که امسال توسط Pilot عرضه شد، Pilot Seiren نام دارد. فریم این دوچرخه جاده‌ای کاملاً از تیتانیوم چاپ سه‌بعدی شده است (به سه قسمت تقسیم شده است). این شرکت می‌گوید چاپ سه‌بعدی تیتانیوم به آن اجازه می‌دهد تا دوچرخه را مطابق سلیقه دوچرخه‌سوار سفارشی کند و فریم نیازی به رنگ یا پوشش ندارد.

△شرکت دوچرخه‌سازی Mythos طیف وسیعی از قطعات تیتانیومی چاپ سه‌بعدی‌شده، از جمله این دسته فرمان‌ها را به مشتریان ارائه می‌دهد، در حالی که Verve Cycling (سمت راست) میل‌لنگ‌های تیتانیومی چاپ سه‌بعدی‌شده جدیدی را ارائه می‌دهد.

△شرکت هوافضای GKN قصد دارد یک چاپگر سه‌بعدی تیتانیومی جدید در مقیاس بزرگ را به کارخانه تگزاس خود اضافه کند.

△ از آنجایی که ناسا فقط به یک قطعه نیاز دارد، چاپ سه‌بعدی اجزای تیتانیومی برای بازوی قابل استقرار ماه‌نشین، نسبت به تولید سنتی منطقی‌تر است.

● ساخت و تولید

شرکت ASML، تولیدکننده نیمه‌هادی، اکنون به جای آهنگری پیش‌فرم‌های سینی حامل تیتانیومی (که در تولید ویفر استفاده می‌شود)، از چاپ سه‌بعدی استفاده می‌کند و با این کار ۶۴ درصد در مواد اولیه صرفه‌جویی کرده و آنها را سریع‌تر تحویل می‌دهد. شرکت Norsk Titanium، یک شرکت تولید افزایشی فلز، با استفاده از پلتفرم رسوب انرژی هدایت‌شده (DED)، در حال چاپ ۸۰ کیلوگرم (تقریباً ۱۷۶ پوند) پیش‌فرم‌های تقریباً به شکل نهایی با Ti64 برای استفاده در تولید ویفر نیمه‌هادی است.

△ براکت توپی چرخ از جنس آلیاژ تیتانیوم چاپ سه‌بعدی، ساخت دانشگاه واشنگتن

△ پودر تیتانیوم

چندین شرکت، از جمله Virtual Foundry، سیم تیتانیوم را برای مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده (FDM) مبتنی بر اکسترودر ارائه می‌دهند. این ماده حاوی پودر فلزی است که در PLA جاسازی شده و می‌توان آن را با استفاده از چاپگرهای FDM در دمای اکسترودر بالاتر از 205 درجه سانتیگراد چاپ کرد. پس از پردازش و پخت، این رشته‌ها می‌توانند قطعات فلزی با محتوای فلزی بیش از 90٪ تولید کنند که آنها را برای نمونه‌سازی مناسب می‌سازد.

△ آزمایشگاه چاپ سه‌بعدی فلز دانشگاه، مرکز مشترک واشنگتن برای استقرار و تحقیقات مواد فراوان زمینی، قطعاتی از تیتانیوم می‌سازد

خلاصه اینکه، توسعه آینده تیتانیوم چاپ سه‌بعدی پر از امید است و نقش بیشتری در بسیاری از زمینه‌ها ایفا خواهد کرد. از طریق نوآوری مداوم در فناوری و گسترش کاربرد، تیتانیوم چاپ سه‌بعدی قطعات فلزی راحت‌تر، کارآمدتر و باکیفیت‌تری را برای جامعه به ارمغان خواهد آورد.