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Campi di applicazione e sviluppo della stampa 3D in lega di titanio
Il titanio è uno dei metalli più comunemente utilizzati nella produzione additiva e trova impiego nell'industria aerospaziale, nella sostituzione articolare e negli strumenti chirurgici, nei telai per auto da corsa e biciclette, nell'elettronica e in altri prodotti ad alte prestazioni. Il titanio e le leghe a base di titanio sono apprezzati da diversi settori per la loro elevata resistenza meccanica, l'alto rapporto resistenza-peso e la migliore resistenza alla corrosione rispetto all'acciaio inossidabile. L'utilizzo di questo materiale può rendere razzi e aeromobili più leggeri, consentendo così di risparmiare carburante e aumentare la capacità di carico utile. Potrebbe anche essere utilizzato per realizzare dispositivi elettronici più leggeri come smartphone e visori VR, nonché in impianti medici. Inoltre, quando le proprietà intrinseche del titanio vengono combinate con le capacità uniche della stampa 3D, i vantaggi saranno ancora più evidenti. Quindi, quali sono gli usi specifici del titanio stampato in 3D? Quali sono gli usi comuni del titanio? Stampantece ne sono sul mercato?
△Componenti in titanio stampati in 3D
Giunti dell'anca di GE Additive, pale di ventilatore di Sciaky, punte di razzo di Arcam Darker, componenti reticolari in titanio di 3D Systems, stent in titanio di EOS, impianti spinali chirurgici di Zenith Tecnica
Stampa 3D Consente una produzione più efficiente del titanio, riducendo al contempo gli sprechi di materia prima. Essendo una tecnologia additiva, la stampa 3D di metalli utilizza in genere solo i materiali necessari per costruire il pezzo, insieme a una quantità relativamente piccola di materiale strutturale di supporto. La stampa 3D permette inoltre di realizzare progetti complessi, come canali interni e parti cave o riempite con reticolo per ridurre il peso, impossibili da ottenere con qualsiasi altro metodo di produzione. Non essendo necessari stampi o attrezzature, la stampa 3D del titanio consente di creare in modo economicamente vantaggioso pezzi unici, come impianti personalizzati per il paziente, prototipi e strumenti di ricerca. Esistono innumerevoli esempi di stampa 3D del titanio per far progredire la produzione, la sanità, l'esplorazione spaziale e altro ancora.
stampa 3D leghe di titanio usi
△Nel 2023, Panerai ha lanciato il Submersible S Brabus PAM01283, dotato di cassa in titanio stampata in 3D. L'immagine a destra mostra che Holthinrichs Deconstructed ha presentato il primo orologio in titanio stampato in 3D.
La stampa 3D in titanio è già ampiamente utilizzata per produrre articoli diversi come dispositivi medici, biciclette ad alte prestazioni, orologi di lusso ed elettronica di consumo, con l'obiettivo di realizzare prodotti leggeri ma resistenti attraverso design innovativi e spesso personalizzati.
● Prodotti di precisione e prodotti elettronici
La stampa 3D permette di produrre componenti in titanio complessi e dalle pareti sottilissime, spesso utilizzati per realizzare le casse degli orologi, come quelli Panerai e Holthinrichs mostrati sopra. Si dice che anche le casse in lega di titanio saranno una caratteristica del prossimo Apple Watch Ultra.
△Copertura della cerniera in lega di titanio stampata in 3D utilizzata nello smartphone pieghevole Honor Magic V2 del 2023
Nel 2023, il produttore di smartphone Honor ha lanciato il suo nuovo Magic V2 pieghevole, dotato di una cover con cerniera in titanio stampata in 3D, più leggera e il 150% più resistente rispetto alla precedente versione in alluminio. Honor ha affermato che questo piccolo componente in titanio, che può essere stampato in 3D in decine di migliaia di esemplari, è la chiave della durata del prodotto e della fluidità di apertura e chiusura.
● Impianti medici e dentali
△L'impianto in titanio stampato in 3D Construx Mimi Ti Spacer System di American Orthofix Medical è stato approvato dalla FDA statunitense nel 2021.
Nel settore medicale, gli impianti in titanio stampati in 3D hanno riscosso successo in applicazioni per colonna vertebrale, anca, ginocchio ed estremità grazie all'intrinseca biocompatibilità del metallo e alle sue buone proprietà meccaniche, unite alla possibilità di stampare in 3D strutture porose personalizzate (che consentono l'osteointegrazione) e alla personalizzazione di massa per migliori risultati per il paziente. Gli impianti in titanio stampati in 3D stanno ottenendo l'approvazione normativa e la domanda. Poiché la maggior parte degli impianti medicali è progettata per un gran numero di persone con la stessa patologia, non sono adatti a tutti. Le persone affette da malattie rare sono spesso escluse. Ora, grazie alla stampa 3D, è possibile produrre impianti progettati specificamente per i singoli pazienti.
Nel 2023, un chirurgo nel Regno Unito ha eseguito quattro interventi chirurgici al polso nello stesso giorno, utilizzando placche di titanio stampate in 3D su misura per ciascun paziente, al fine di correggere deformità del polso precedentemente causate da fratture. Il dottor Akshay Malhotra, chirurgo ortopedico e responsabile clinico per la chirurgia della mano e del polso, ha dichiarato: "Una volta completata la fase di pianificazione, le placche personalizzate vengono stampate utilizzando polvere di titanio, quindi testate, spedite nel Regno Unito e sterilizzate presso il County Hospital in preparazione all'intervento chirurgico".
△Le viti in titanio stampate in 3D di CoreLink presentano una struttura porosa che favorisce la crescita ossea, e le nuove articolazioni per dita in titanio specifiche per il paziente del FingerKit Consortium
Nel 2022, i medici del Manipal Hospital in India hanno utilizzato il titanio stampato in 3D per curare un paziente affetto da un tumore che stava devastando il torace. In genere, impianti di queste dimensioni sarebbero troppo pesanti da sopportare per il corpo umano, ma poiché il titanio è leggero e molto resistente, con un peso inferiore a 250 grammi, si presta perfettamente alla stampa di impianti da impiantare all'interno del corpo. Grazie al successo dell'impianto stampato in 3D, il paziente è guarito completamente ed è stato in grado di tornare alla sua vita normale senza bisogno di respiratori esterni.
△Grazie alla stampa 3D in titanio, Angel Cycle Works è riuscita a ridurre significativamente il peso e a ottimizzare il design della nuova bicicletta Heaven.
Il titanio stampato in 3D è ormai una realtà consolidata nelle biciclette ad alte prestazioni. Viene utilizzato per pedivelle, leve dei freni, attacchi manubrio, forcellino del cambio e persino telai completi. Il titanio è resistente come l'alluminio e leggero come la fibra di carbonio, senza i problemi di sostenibilità di quest'ultima. Il produttore di biciclette Carbon Wasp spiega perché ha deciso di abbandonare alluminio e fibra di carbonio a favore del titanio stampato in 3D per la realizzazione delle sue ultime pedivelle aftermarket. Carbon Wasp ha dichiarato: "Abbiamo ideato diverse soluzioni creative per fissare la pedivella all'albero del cambio senza comprimere la fibra di carbonio, ma erano sempre necessari degli inserti metallici, e incollarli alla fibra di carbonio avrebbe creato problemi. Dopo aver realizzato diversi prototipi, Carbon Wasp ha scoperto che una pedivella in titanio con struttura reticolare stampata in 3D è leggera quanto il carbonio, ma più resistente nelle zone soggette a forti impatti. Riteniamo ancora che la fibra di carbonio sia il materiale migliore per molti altri usi, incluso il telaio, ma stiamo già lavorando su altre parti in titanio."
A proposito di telai completi, il produttore di biciclette Angel Cycle Works afferma di aver stampato in 3D un telaio interamente in titanio in un unico componente leggero, che permette di guadagnare secondi preziosi sui tempi di gara e consente nuove geometrie di design. La sua nuova superbike, chiamata Heaven, è 400 grammi più leggera della versione precedente. Un altro telaio interamente in lega di titanio lanciato quest'anno da Pilot si chiama Pilot Seiren. Il telaio di questa bici da strada è interamente stampato in 3D in titanio (diviso in tre parti). L'azienda afferma che la stampa 3D del titanio consente di personalizzare la bici in base alle preferenze del ciclista e che il telaio non richiede verniciatura o rivestimenti.
△L'azienda di biciclette Mythos offre ai clienti una gamma di componenti in titanio stampati in 3D, tra cui questi manubri, mentre Verve Cycling (a destra) offre nuove pedivelle in titanio stampate in 3D.
△GKN Aerospace prevede di aggiungere una nuova stampante 3D di grandi dimensioni per il titanio al suo stabilimento in Texas.
△Dato che alla NASA ne serve solo uno, la stampa 3D di componenti in titanio per il braccio dispiegabile lunare ha più senso rispetto alla produzione tradizionale.
● Produzione
Il produttore di semiconduttori ASML sta ora utilizzando la stampa 3D anziché la forgiatura per realizzare preforme in titanio per i vassoi porta-wafer, risparmiando il 64% di materie prime e velocizzando i tempi di consegna. Norsk Titanium, un'azienda specializzata nella produzione additiva di metalli tramite una piattaforma di deposizione di energia diretta (DED), sta stampando 80 chilogrammi (circa 176 libbre) di preforme quasi definitive in Ti64 da utilizzare nella produzione di wafer di semiconduttori.
△Staffa per mozzo ruota in lega di titanio stampata in 3D e prodotta dall'Università di Washington
△Polvere di titanio
△Il laboratorio universitario di stampa 3D di metalli del Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research realizza componenti in titanio.