Titaaniseosten 3D-tulostuksen sovellusalueet ja kehitys

Titaani on yksi yleisimmin käytetyistä metalleista lisäainevalmistuksessa, ja sitä käytetään ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, nivelten korvaus- ja kirurgisissa työkaluissa, kilpa- ja polkupyörien rungoissa, elektroniikassa ja muissa korkean suorituskyvyn tuotteissa. Titaania ja titaanipohjaisia ​​seoksia arvostetaan useilla teollisuudenaloilla niiden korkean mekaanisen lujuuden, korkean lujuus-painosuhteen ja paremman korroosionkestävyyden vuoksi kuin ruostumattomalla teräksellä. Tämän materiaalin käyttö voi tehdä raketeista ja lentokoneista kevyempiä, mikä säästää polttoainetta ja lisää hyötykuormaa. Sitä voitaisiin käyttää myös kevyemmän elektroniikan, kuten älypuhelimien ja VR-lasien, valmistukseen sekä lääketieteellisissä implanteissa. Lisäksi, kun titaanin luontaiset ominaisuudet yhdistetään 3D-tulostuksen ainutlaatuisiin ominaisuuksiin, edut ovat entistä ilmeisempiä. Mitkä ovat siis 3D-tulostetun titaanin erityiset käyttötarkoitukset? Mitkä ovat yleisimmät titaanin ominaisuudet? Tulostinon markkinoilla?

△3D-tulostetut titaaniosia

Lonkkanivelet GE Additivelta, tuulettimen lavat Sciakylta, raketin kärjet Arcam Darkerilta, titaanista valmistetut ristikkokomponentit 3D Systemsiltä, ​​titaanistenttit EOSilta, kirurgiset selkäydinimplantit Zenith Tecnicalta

3D-tulostus mahdollistaa titaanin tehokkaamman valmistuksen ja vähentää samalla raaka-ainehävikkiä. Lisäaineteknologiana metallin 3D-tulostuksessa käytetään tyypillisesti vain osan rakentamiseen tarvittavat materiaalit sekä suhteellisen pieni määrä tukirakennemateriaalia. 3D-tulostus mahdollistaa myös monimutkaiset mallit, kuten sisäiset kanavat ja ontot tai ristikkotäytteiset osat painon vähentämiseksi, jotka eivät ole mahdollisia millään muulla valmistusmenetelmällä. Koska muotteja tai työkaluja ei ole, titaanin 3D-tulostus voi kustannustehokkaasti luoda ainutlaatuisia osia, kuten potilaskohtaisia ​​implantteja, prototyyppejä ja tutkimustyökaluja. On lukemattomia esimerkkejä titaanin 3D-tulostuksesta valmistuksen, terveydenhuollon, avaruustutkimuksen ja muiden alojen edistämiseksi.

3D-tulostuksen titaaniseosten käyttötarkoitukset

△Vuonna 2023 Panerai julkaisi Submersible S Brabus PAM01283 -kellon, jossa oli 3D-tulostettu titaanikuori. Oikealla oleva kuva näyttää, että Holthinrichs Deconstructed julkaisi ensimmäisen 3D-tulostetun titaanikellonsa.

Titaanista valmistettua 3D-tulostusta käytetään jo laajalti erilaisten tuotteiden, kuten lääkinnällisten laitteiden, suorituskykyisten polkupyörien, luksuskellojen ja kulutuselektroniikan, valmistukseen. Toiveena on toimittaa kevyitä mutta kestäviä tuotteita innovatiivisten ja usein räätälöityjen mallien avulla.

● Tarkkuustuotteet ja elektroniikkatuotteet

3D-tulostuksella voidaan tuottaa erittäin ohutseinäisiä ja monimutkaisia ​​titaaniosia, joita käytetään usein kellokoteloiden valmistukseen, kuten yllä näkyvissä Panerai- ja Holthinrichs-kelloissa. Titaaniseoksesta valmistettujen kellokoteloiden sanotaan olevan myös tuleva osa Apple Watch Ultraa.

△3D-tulostettu titaaniseoksesta valmistettu saranallinen siirtokansi, jota käytettiin vuoden 2023 Honor Magic V2 -taittoälypuhelimessa

Älypuhelinvalmistaja Honor julkaisi vuonna 2023 uuden taittuvan Magic V2 -puhelimensa, jossa on 3D-tulostettu titaanista valmistettu saranoitu vaihdekepin kansi, joka on kevyempi ja 150 % vahvempi kuin edellinen alumiiniversio. Honorin mukaan tämä pieni titaanikappale, jota voidaan 3D-tulostaa kymmeniätuhansia kappaleita, on avain tuotteen kestävyyteen ja sujuvaan taittamiseen ja avaamiseen.

● Lääketieteelliset ja hammasimplantit

△American Orthofix Medicalin 3D-tulostettu titaani-implantti Construx Mimi Ti Spacer System sai Yhdysvaltain FDA:n hyväksynnän vuonna 2021.

Lääketieteen teollisuudessa 3D-tulostetut titaani-implantit ovat olleet menestyksekkäitä selkärangan, lonkan, polven ja raajojen sovelluksissa metallin luontaisen bioyhteensopivuuden ja hyvien mekaanisten ominaisuuksien ansiosta. Lisäksi niillä voidaan 3D-tulostaa räätälöityjä huokoisia rakenteita (mikä mahdollistaa osseointegraation) ja räätälöidä massatuotantoa parempien potilastulosten saavuttamiseksi. 3D-tulostetut titaani-implantit ovat saamassa viranomaishyväksyntää ja kysyntää. Koska useimmat lääketieteelliset implantit on suunniteltu kattamaan suuri määrä ihmisiä, joilla on sama sairaus, ne eivät sovi kaikille. Harvinaisia ​​sairauksia sairastavat jäävät usein pois. Nykyään 3D-tulostuksen avulla on mahdollista valmistaa implantteja, jotka on erityisesti suunniteltu yksittäisille potilaille.

Vuonna 2023 brittiläinen kirurgi suoritti samana päivänä neljä ranneleikkausta käyttäen potilaskohtaisia ​​3D-tulostettuja titaanilevyjä korjatakseen aiemmin murtuneita ranteen epämuodostumia. Käsien ja ranteiden kliininen johtaja, ortopedinen konsultti ja tohtori Akshay Malhotra, sanoi: "Kun tämä suunnitteluprosessi on valmis, mittatilaustyönä tehdyt levyt tulostetaan titaanijauheesta, testataan, lähetetään Isoon-Britanniaan ja steriloidaan County Hospitalissa leikkausta varten."

△CoreLinkin 3D-tulostetuissa titaaniruuveissa on huokoinen rakenne, joka edistää luun kasvua, ja FingerKit Consortiumin uudet potilaskohtaiset titaanista valmistetut sorminivelet

Intian Manipal-sairaalan lääkärit käyttivät 3D-tulostettua titaania hoitaessaan vuonna 2022 syöpäpotilasta, jonka kasvain tuhosi hänen rintakehänsä. Yleisesti ottaen tämän kokoiset implantit olisivat liian raskaita ihmiskeholle, mutta koska titaani on kevyttä ja erittäin vahvaa, alle 250 grammaa painaen, se sopii erinomaisesti implanttien tulostamiseen kehon sisälle. 3D-tulostetun implantin menestyksen ansiosta potilas toipui täysin ja pystyi palaamaan normaaliin elämäänsä ilman ulkoisia hengitysapulaitteita.

△Titaanista tehdyn 3D-tulostuksen avulla Angel Cycle Works pystyi merkittävästi vähentämään uuden Heaven-pyörän painoa ja optimoimaan sen suunnittelun.

3D-tulostettu titaani on yleinen materiaali nykypäivän suorituskykyisissä pyörissä. Titaania käytetään kampiakselissa, jarruvivuissa, ohjainkannattimissa, vaihtajan korvakkeissa ja jopa täysrungoissa. Titaani on yhtä vahvaa kuin alumiini ja yhtä kevyttä kuin hiilikuitu, ilman hiilikuidun kestävyysongelmia. Pyörävalmistaja Carbon Wasp selittää, miksi se hylkää alumiinin ja hiilikuidun ja käyttää sen sijaan 3D-tulostettua titaania uusimpien jälkimarkkinakampivarsien rakentamiseen. Carbon Wasp sanoi: "Keksimme kaikenlaisia ​​luovia tapoja kiinnittää kampiakseli vaihdelaatikon akseliin puristamatta hiilikuitua, mutta aina tarvittiin metallisia inserttejä, ja inserttien liimaaminen hiilikuituun aiheuttaisi ongelmia. Loputtomiin kysymyksiin vastataan. Prototyyppien tekemisen jälkeen Carbon Wasp havaitsi, että 3D-tulostettu, ristikkotäytteinen titaanikampi on yhtä kevyt kuin hiili, mutta vahvempi erittäin iskualttiilla alueilla. Mielestämme hiilikuitu on edelleen paras moniin muihin käyttötarkoituksiin. materiaaleihin, mukaan lukien runkoon, mutta työskentelemme jo muiden titaaniosien parissa."

Täysrunkoisista rungoista puheen ollen, pyörävalmistaja Angel Cycle Works kertoo 3D-tulostaneensa kokonaan titaanista valmistetun rungon yhdeksi kevyeksi komponentiksi, mikä parantaa kilpailuaikoja ratkaisevilla sekunneilla ja mahdollistaa uudet suunnittelugeometriat. Sen uusi superbike, nimeltään Heaven, on 400 grammaa kevyempi kuin edellinen versio. Toinen Pilotin tänä vuonna lanseeraama kokonaan titaaniseoksesta valmistettu runko on nimeltään Pilot Seiren. Maantiepyörän runko on kokonaan 3D-tulostettu titaanista (jaettu kolmeen osaan). Yhtiö kertoo, että titaanin 3D-tulostus mahdollistaa pyörän mukauttamisen kuljettajan mieltymysten mukaan, eikä runko vaadi maalia tai pinnoitetta.

△Polkupyöräyritys Mythos tarjoaa asiakkailleen laajan valikoiman 3D-tulostettuja titaaniosia, mukaan lukien nämä ohjaustangot, kun taas Verve Cycling (oikealla) tarjoaa uusia 3D-tulostettuja titaanikampia.

△GKN Aerospace suunnittelee uuden suuren titaanista valmistetun 3D-tulostimen lisäämistä Texasin tehtaalleen

△Koska NASA tarvitsee vain yhden, titaanikomponenttien 3D-tulostus kuuhankkeeseen asennettavaan käsivarteen on järkevämpää kuin perinteinen valmistus.

● Valmistus

Puolijohdevalmistaja ASML tulostaa nyt kiekkojen tuotannossa käytettäviä titaanisia kantoalustan aihioita 3D-tulostuksella takomisen sijaan, mikä säästää 64 % raaka-aineissa ja nopeuttaa toimituksia. Norsk Titanium, metallien lisäaineiden valmistusyritys, joka käyttää suunnattua energiankerrostusta (DED) ja tulostaa 80 kilogrammaa (noin 176 paunaa) lähes nettomuotoisia aihioita Ti64-teräksestä puolijohdekiekkojen tuotantoa varten.

△Washingtonin yliopiston valmistama 3D-tulostettu titaaniseoksesta valmistettu vanteen napakiinnike

△Titaanijauhe

Useat yritykset, mukaan lukien Virtual Foundry, tarjoavat titaanilankaa ekstruuderipohjaiseen sulatettuun laskeutumismallinnukseen (FDM). Materiaali sisältää PLA:han upotettua metallijauhetta, ja sitä voidaan tulostaa FDM-tulostimilla yli 205 °C:n ekstruuderin lämpötiloissa. Jälkikäsittelyn ja sintrauksen jälkeen näillä filamenteilla voidaan tuottaa metalliosia, joiden metallipitoisuus on yli 90 %, mikä tekee niistä sopivia prototyyppien valmistukseen.

△Yliopiston metallien 3D-tulostuslaboratorio, Washingtonin Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research, valmistaa osia titaanista

Lyhyesti sanottuna 3D-tulostetun titaanin tuleva kehitys on täynnä toivoa ja sillä on suurempi rooli monilla aloilla. Jatkuvan teknologisen innovaation ja sovellusten laajentumisen ansiosta 3D-tulostettu titaani tuo yhteiskuntaan kätevämpiä, tehokkaampia ja korkealaatuisempia metalliosia.