Područja primjene i razvoj 3D ispisa od titanovih legura

Titan je jedan od najčešće korištenih metala u aditivnoj proizvodnji i koristi se u zrakoplovstvu, alatima za zamjenu zglobova i kirurškim alatima, okvirima za trkaće automobile i bicikle, elektronici i drugim visokoučinkovitim proizvodima. Titan i legure na bazi titana cijene se u raznim industrijama zbog njihove visoke mehaničke čvrstoće, visokog omjera čvrstoće i težine te bolje otpornosti na koroziju od nehrđajućeg čelika. Upotreba ovog materijala može učiniti rakete i zrakoplove lakšim, čime se štedi gorivo i povećava nosivost. Također bi se mogao koristiti za izradu lakše elektronike poput pametnih telefona i VR naočala, kao i u medicinskim implantatima. Štoviše, kada se inherentna svojstva titana kombiniraju s jedinstvenim mogućnostima 3D ispisa, prednosti će biti još očitije. Dakle, koje su specifične upotrebe 3D ispisanog titana? Koji su uobičajeni titani? Pisačje na tržištu?

△3D printani dijelovi od titana

Zglobovi kuka tvrtke GE Additive, lopatice ventilatora tvrtke Sciaky, vrhovi raketa tvrtke Arcam Darker, komponente rešetke od titana tvrtke 3D Systems, stentovi od titana tvrtke EOS, kirurški spinalni implantati tvrtke Zenith Tecnica

3D ispis omogućuje učinkovitiju proizvodnju titana uz smanjenje otpada sirovina. Kao aditivna tehnologija, 3D ispis metala obično koristi samo materijale potrebne za izradu dijela, uz relativno malu količinu potpornog konstrukcijskog materijala. 3D ispis također omogućuje složene dizajne, poput unutarnjih kanala i šupljih ili rešetkastih dijelova, radi smanjenja težine, što nije moguće ni s jednom drugom metodom proizvodnje. Budući da nema kalupa ili alata, 3D ispis titana može isplativo stvoriti jedinstvene dijelove poput implantata specifičnih za pacijenta, prototipova i istraživačkih alata. Postoje bezbrojni primjeri 3D ispisa titana za unapređenje proizvodnje, zdravstva, istraživanja svemira i još mnogo toga.

Upotreba titanijeve legure u 3D printanju

△Godine 2023., Panerai je izdao Submersible S Brabus PAM01283 opremljen 3D printanim kućištem od titana. Slika desno prikazuje da je Holthinrichs Deconstructed lansirao prvi 3D printani titanijski sat.

3D printanje titana već se široko koristi za proizvodnju raznolikih proizvoda poput medicinskih uređaja, sportskih bicikala, luksuznih satova i potrošačke elektronike, s nadom da će se kroz inovativne, često prilagođene dizajne isporučiti lagani, ali čvrsti proizvodi.

● Precizni proizvodi i elektronički proizvodi

3D printanje može proizvesti vrlo tankostijene, složene dijelove od titana, koji se često koriste za izradu kućišta satova, poput satova Panerai i Holthinrichs prikazanih gore. Navodi se da će kućišta satova od legure titana također biti nadolazeći dio Apple Watch Ultra.

△3D printani poklopac za pomicanje šarki od legure titana korišten u sklopivom pametnom telefonu Honor Magic V2 iz 2023.

Proizvođač pametnih telefona Honor je 2023. godine lansirao svoj novi sklopivi Magic V2, koji ima 3D printani titanski poklopac mjenjača sa šarkama koji je lakši i 150% jači od prethodne aluminijske verzije. Honor je rekao da je ovaj mali titanski komad, koji se može 3D printati u desecima tisuća primjeraka, ključ izdržljivosti proizvoda te glatkog sklapanja i rasklapanja.

● Medicinski i zubni implantati

△Američka FDA odobrila je 2021. godine 3D printani titanski implantat tvrtke American Orthofix Medical, Construx Mimi Ti Spacer System.

U medicinskoj industriji, 3D printani titanski implantati bili su uspješni u primjenama na kralježnici, kuku, koljenu i ekstremitetima zbog inherentne biokompatibilnosti metala i dobrih mehaničkih svojstava, zajedno s mogućnošću 3D printanja prilagođenih poroznih struktura (čime se omogućuje oseointegracija) i masovne prilagodbe za bolje ishode za pacijente. 3D printani titanski implantati dobivaju regulatorno odobrenje i potražnju. Budući da je većina medicinskih implantata izrađena za pokrivanje velikog broja ljudi s istim stanjem, nisu prikladni za svakoga. Osobe s rijetkim bolestima često su isključene. Sada je, uz 3D printanje, moguće proizvesti implantate posebno dizajnirane za pojedinačne pacijente.

Godine 2023., kirurg u Velikoj Britaniji izveo je četiri operacije zapešća istog dana, koristeći pacijentu specifične 3D printane titanske pločice kako bi ispravio prethodno prijelomljene deformacije zapešća. Dr. Akshay Malhotra, konzultant ortopedski kirurg i klinički voditelj za šake i zapešća, rekao je: „Nakon što je ovaj proces planiranja završen, pločice po mjeri tiskaju se pomoću titanskog praha, zatim testiraju, šalju u Veliku Britaniju i steriliziraju u Županijskoj bolnici u pripremi za operaciju.“

△CoreLinkovi 3D printani titanski vijci imaju poroznu strukturu koja potiče rast kostiju, a novi pacijentu specifični titanski zglobovi prstiju tvrtke FingerKit Consortium

Liječnici u bolnici Manipal u Indiji koristili su 3D printani titan kada su 2022. godine liječili pacijenta oboljelog od raka čiji je tumor uništavao prsa. Općenito govoreći, implantati ove veličine bili bi preteški za ljudsko tijelo, ali budući da je titan lagan i vrlo čvrst, teži manje od 250 grama, idealan je za printanje implantata unutar tijela. Zahvaljujući uspjehu 3D printanog implantata, pacijent se potpuno oporavio i mogao se vratiti normalnom životu bez oslanjanja na vanjske strojeve koji bi mu pomagali disati.

△Zahvaljujući 3D printanju titana, tvrtka Angel Cycle Works uspjela je značajno smanjiti težinu i optimizirati dizajn novog bicikla Heaven.

3D printani titan uobičajen je u današnjim biciklima visokih performansi. Titan se koristi u kurblama, ručicama kočnica, lulama, nosačima mjenjača, pa čak i u okvirima. Titan je čvrst kao aluminij i lagan kao karbonska vlakna, bez problema s održivošću karbonskih vlakana. Proizvođač bicikala Carbon Wasp objašnjava zašto napušta aluminij i karbonska vlakna u korist korištenja 3D printanog titana za izradu svojih najnovijih ručica kurbli. Carbon Wasp je rekao: „Smislili smo sve vrste kreativnih načina za stezanje kurlice na osovinu mjenjača bez stiskanja karbonskih vlakana, ali uvijek su bili potrebni neki metalni umeci, a lijepljenje umetaka na karbonska vlakna stvaralo bi probleme. Na beskrajna pitanja. Nakon izrade prototipa, Carbon Wasp je otkrio da je 3D printana titanska kurlica s rešetkom ispunjenom titanom jednako lagana kao karbonska, ali jača u područjima sklonim udarcima. I dalje mislimo da su karbonska vlakna najbolja za mnoge druge materijale, uključujući okvir, ali već radimo na drugim dijelovima od titana.“

Govoreći o punim okvirima, proizvođač bicikala Angel Cycle Works kaže da je 3D printao okvir od potpuno titana u jednoj laganoj komponenti, što skraćuje vrijeme utrke za ključne sekunde i omogućuje nove geometrije dizajna. Njihov novi superbike, nazvan Heaven, lakši je za 400 grama od prethodne verzije. Još jedan okvir od potpuno titanske legure koji je Pilot lansirao ove godine zove se Pilot Seiren. Okvir cestovnog bicikla u potpunosti je 3D printan od titana (podijeljen u tri dijela). Tvrtka kaže da 3D printanje titana omogućuje prilagodbu bicikla željama vozača, a okvir ne zahtijeva nikakvu boju ili premaz.

△Tvrtka za bicikle Mythos nudi kupcima niz 3D printanih dijelova od titana, uključujući i ove upravljače, dok Verve Cycling (desno) nudi nove 3D printane kurble od titana.

GKN Aerospace planira dodati novi veliki 3D printer od titana u svoju tvornicu u Teksasu

△Budući da NASA-i treba samo jedan, 3D printanje titanovih komponenti za lunarnu rasklopivu ruku ima više smisla od tradicionalne proizvodnje.

● Proizvodnja

Proizvođač poluvodiča ASML sada koristi 3D printanje umjesto kovanja predoblika nosača od titana (koji se koriste u proizvodnji pločica), čime se štedi 64% sirovina i brže se isporučuje. Norsk Titanium, tvrtka za aditivnu proizvodnju metala koja koristi platformu za usmjereno taloženje energije (DED), tiska 80 kilograma (otprilike 176 funti) predoblika gotovo čistog oblika s Ti64 za upotrebu u proizvodnji poluvodičkih pločica.

△3D printani nosač glavčine kotača od titanske legure proizveden od strane Sveučilišta u Washingtonu

△Titanijev prah

Nekoliko tvrtki, uključujući Virtual Foundry, nudi titansku žicu za modeliranje taljenjem pomoću ekstrudera (FDM). Materijal sadrži metalni prah ugrađen u PLA i može se tiskati pomoću FDM pisača na temperaturama ekstrudera iznad 205 °C. Nakon naknadne obrade i sinteriranja, ovi filamenti mogu proizvesti metalne dijelove s udjelom metala većim od 90%, što ih čini prikladnim za izradu prototipova.

△Sveučilišni laboratorij za 3D printanje metala, Zajednički centar za primjenu i istraživanje bogatih materijala na Zemlji u Washingtonu, izrađuje dijelove od titana

Ukratko, budući razvoj 3D printanog titana pun je nade i igrat će veću ulogu u mnogim područjima. Kontinuiranim tehnološkim inovacijama i širenjem primjene, 3D printani titan donijet će društvu praktičnije, učinkovitije i visokokvalitetnije metalne dijelove.