תחומי יישום ופיתוח של הדפסת תלת מימד מסגסוגת טיטניום

טיטניום הוא אחת המתכות הנפוצות ביותר בייצור תוספי והוא משמש בתעופה וחלל, החלפת מפרקים וכלי ניתוח, שלדות מרוצים ואופניים, אלקטרוניקה ומוצרים אחרים בעלי ביצועים גבוהים. טיטניום וסגסוגות מבוססות טיטניום מוערכות על ידי תעשיות שונות בזכות חוזק מכני גבוה, יחס חוזק-משקל גבוה ועמידות טובה יותר בפני קורוזיה מפלדת אל-חלד. השימוש בחומר זה יכול להפוך רקטות ומטוסים לקלים יותר, ובכך לחסוך בדלק ולהגדיל את כושר המטען. ניתן להשתמש בו גם לייצור אלקטרוניקה קלה יותר כמו סמארטפונים ומשקפי מציאות מדומה, כמו גם בשתלים רפואיים. יתר על כן, כאשר התכונות הטבועות של טיטניום משולבות עם היכולות הייחודיות של הדפסה תלת-ממדית, היתרונות יהיו ברורים עוד יותר. אז מהם השימושים הספציפיים של טיטניום מודפס בתלת-ממד? מהם השימושים הנפוצים בטיטניום... מַדפֶּסֶתבשוק?

△חלקי טיטניום מודפסים בתלת מימד

מפרקי ירך מבית GE Additive, להבי מאוורר מבית Sciaky, קצוות רקטיים מבית Arcam Darker, רכיבי סריג טיטניום מבית 3D Systems, סטנטים מטיטניום מבית EOS, שתלים כירורגיים בעמוד השדרה מבית Zenith Tecnica

הדפסה תלת-ממדית מאפשר ייצור יעיל יותר של טיטניום תוך הפחתת בזבוז חומרי גלם. כטכנולוגיה תוספתית, הדפסה תלת-ממדית של מתכת משתמשת בדרך כלל רק בחומרים הדרושים לבניית החלק, יחד עם כמות קטנה יחסית של חומר מבני תומך. הדפסה תלת-ממדית מאפשרת גם עיצובים מורכבים, כגון תעלות פנימיות וחלקים חלולים או מלאי סריג כדי להפחית משקל, שאינם אפשריים באף שיטת ייצור אחרת. מכיוון שאין תבניות או כלים, הדפסה תלת-ממדית של טיטניום יכולה ליצור בצורה חסכונית חלקים ייחודיים כגון שתלים ספציפיים למטופל, אבות טיפוס וכלי מחקר. ישנן אינספור דוגמאות של הדפסה תלת-ממדית של טיטניום לקידום ייצור, שירותי בריאות, חקר החלל ועוד.

שימושים בסגסוגת טיטניום בהדפסה תלת-ממדית

△בשנת 2023, חברת Panerai הוציאה את שעון Submersible S Brabus PAM01283, המצויד במארז טיטניום מודפס בתלת מימד. התמונה מימין מראה שחברת Holthinrichs Deconstructed השיקה את שעון הטיטניום המודפס בתלת מימד הראשון.

הדפסת תלת-ממד מטיטניום כבר נמצאת בשימוש נרחב לייצור מוצרים מגוונים כמו מכשירים רפואיים, אופני ביצועים, שעוני יוקרה ומוצרי אלקטרוניקה, בתקווה לספק מוצרים קלים אך חזקים באמצעות עיצובים חדשניים, שלעתים קרובות מותאמים אישית.

● מוצרים מדויקים ומוצרים אלקטרוניים

הדפסה תלת-ממדית יכולה לייצר חלקי טיטניום מורכבים בעלי דופן דקה מאוד, המשמשים לעתים קרובות לייצור מארזי שעונים, כמו שעוני Panerai ו-Holthinrichs המוצגים למעלה. נאמר כי מארזי שעונים מסגסוגת טיטניום יהיו גם חלק עתידי של Apple Watch Ultra.

△כיסוי ציר מסגסוגת טיטניום מודפס בתלת מימד ששימש בסמארטפון המתקפל Honor Magic V2 2023

בשנת 2023, יצרנית הסמארטפונים Honor השיקה את דגם ה-Magic V2 המתקפל החדש שלה, הכולל כיסוי טיטניום עם צירים מודפס בתלת מימד, קל יותר וחזק ב-150% מגרסת האלומיניום הקודמת. Honor מסרה כי חתיכת טיטניום קטנה זו, שניתן להדפיס בתלת מימד בעשרות אלפים, היא המפתח לעמידות המוצר ולקיפול ופריסה חלקים.

● שתלים רפואיים ודנטליים

△שתל הטיטניום המודפס בתלת מימד של חברת American Orthofix Medical, Construx Mimi Ti Spacer System, אושר על ידי ה-FDA האמריקאי בשנת 2021.

בתעשייה הרפואית, שתלי טיטניום מודפסים בתלת-ממד זכו להצלחה ביישומי עמוד שדרה, ירך, ברכיים וגפיים הודות לביו-קומפטביליות הטבועה של המתכת ולתכונות המכניות הטובות שלה, בשילוב עם היכולת להדפיס בתלת-ממד מבנים נקבוביים בהתאמה אישית (ובכך לאפשר אוסאואינטגרציה) והתאמה אישית המונית לתוצאות טובות יותר עבור מטופלים. שתלי טיטניום מודפסים בתלת-ממד זוכים לאישור רגולטורי וביקוש. מכיוון שרוב השתלים הרפואיים מיועדים לכסות מספר רב של אנשים עם אותו מצב, הם אינם מתאימים לכולם. אנשים עם מחלות נדירות לעיתים קרובות מודרים. כיום, בעזרת הדפסה תלת-ממדית, ניתן לייצר שתלים המיועדים במיוחד למטופלים בודדים.

בשנת 2023, מנתח בבריטניה ביצע ארבעה ניתוחי שורש כף היד באותו יום, תוך שימוש בפלטות טיטניום מודפסות בתלת-ממד ספציפיות למטופל כדי לתקן עיוותים של שורש כף היד שבוצעו בעבר שברים. ד"ר אקשיי מלהוטרה, מנתח אורתופדי יועץ ומוביל קליני של ידיים ופרקי כף היד, אמר: "לאחר השלמת תהליך התכנון הזה, לוחות בהתאמה אישית מודפסים באמצעות אבקת טיטניום, לאחר מכן נבדקים, נשלחים לבריטניה ועוברים עיקור בבית החולים המחוזי כהכנה לניתוח."

△ברגי הטיטניום המודפסים בתלת-ממד של CoreLink כוללים מבנה נקבובי המקדם צמיחת עצם, ומפרקי האצבעות החדשים מטיטניום הספציפיים למטופל של קונסורציום FingerKit

רופאים בבית החולים מניפל בהודו השתמשו בטיטניום מודפס בתלת-ממד כאשר טיפלו בחולה סרטן שהגידול שלו הרס את חזהו בשנת 2022. באופן כללי, שתלים בגודל זה יהיו כבדים מדי לגוף האדם לשאת, אך מכיוון שטיטניום הוא קל משקל וחזק מאוד, ושוקל פחות מ-250 גרם, הוא אידיאלי להדפסת שתלים בתוך הגוף. הודות להצלחת השתל המודפס בתלת-ממד, המטופל החלים לחלוטין והצליח לחזור לחייו הרגילים מבלי להסתמך על מכונות חיצוניות שיעזרו לו לנשום.

△באמצעות הדפסת תלת מימד מטיטניום, Angel Cycle Works הצליחה להפחית משמעותית את המשקל ולמטב את העיצוב של אופני Heaven החדשים.

טיטניום מודפס בתלת-ממד נפוץ באופני ביצועים של ימינו. טיטניום משמש בקראנקים, ידיות בלמים, גבעולים, מתלים למעבירי הילוכים ואפילו שלדות מלאות. טיטניום חזק כמו אלומיניום וקל כמו סיבי פחמן, ללא בעיות הקיימות של סיבי פחמן. יצרנית האופניים Carbon Wasp מסבירה מדוע היא נוטשת אלומיניום וסיבי פחמן לטובת שימוש בטיטניום מודפס בתלת-ממד כדי לבנות את זרועות הארכובה החדישות ביותר שלה. Carbon Wasp אמרה: "המצאנו כל מיני דרכים יצירתיות להדק את הארכובה לציר תיבת ההילוכים מבלי ללחוץ על סיבי הפחמן, אבל תמיד היו כמה מוספים מתכתיים נדרשים, והדבקת המוספים לסיבי הפחמן הייתה גורמת לבעיות. לשאלות האינסופיות. לאחר קצת אב טיפוס, Carbon Wasp גילתה שקראנק טיטניום מלא סריג מודפס בתלת-ממד קל בדיוק כמו פחמן אך חזק יותר באזורים מועדים מאוד לפגיעות. אנחנו עדיין חושבים שסיבי פחמן הוא הטוב ביותר לשימושים רבים אחרים של חומרים, כולל השלדה, אבל אנחנו כבר עובדים על חלקי טיטניום אחרים."

אם כבר מדברים על שלדות מלאות, יצרנית האופניים Angel Cycle Works טוענת כי הדפסה בתלת-ממד שלדה מטיטניום מרכיב קל משקל אחד, מה שחוסך שניות מכריעות בזמני מרוץ ומאפשר גיאומטריות עיצוב חדשות. הסופרבייק החדש שלה, שנקרא Heaven, קל ב-400 גרם מהגרסה הקודמת. שלדה נוספת, העשויה כולה מסגסוגת טיטניום, שהשיקה Pilot השנה נקראת Pilot Seiren. שלדת אופני הכביש מודפסת כולה בתלת-ממד מטיטניום (מחולקת לשלושה חלקים). החברה טוענת כי הדפסת תלת-ממד של טיטניום מאפשרת לה להתאים אישית את האופניים להעדפות הרוכב, והשלדה אינה דורשת צבע או ציפוי.

△חברת האופניים Mythos מציעה ללקוחות מגוון חלקי טיטניום מודפסים בתלת מימד, כולל כידון זה, בעוד ש-Verve Cycling (מימין) מציעה קראנקים חדשים מטיטניום מודפסים בתלת מימד.

△GKN Aerospace מתכננת להוסיף מדפסת תלת מימד חדשה בקנה מידה גדול מטיטניום למפעל שלה בטקסס.

△מכיוון שנאס"א זקוקה רק לאחד, הדפסה תלת-ממדית של רכיבי טיטניום עבור הזרוע הנפתחת לירח הגיונית יותר מאשר ייצור מסורתי.

● ייצור

יצרנית המוליכים למחצה ASML מדפיסה כעת תלת-ממד במקום ליצור תבניות טיטניום (המשמשות בייצור פרוסות סיליקון), וחוסכת 64% בחומרי גלם ומספקת אותם מהר יותר. Norsk Titanium, חברת ייצור תוספי מתכת המשתמשת בפלטפורמת DED (directed energy deposition), מדפיסה 80 קילוגרמים (כ-176 פאונד) של תבניות טיטניום (nearly suspension forms) לשימוש בייצור פרוסות סיליקון.

△תושבת ציר גלגל מסגסוגת טיטניום מודפסת בתלת מימד, מתוצרת אוניברסיטת וושינגטון

△ אבקת טיטניום

מספר חברות, כולל Virtual Foundry, מציעות חוטי טיטניום עבור מודלים של התמזגות (FDM) מבוססי מכונות אקסטרודר. החומר מכיל אבקת מתכת משובצת ב-PLA וניתן להדפיס אותו באמצעות מדפסות FDM בטמפרטורות מכונות אקסטרודר מעל 205 מעלות צלזיוס. לאחר עיבוד שלאחר וסינטור, חוטים אלה יכולים לייצר חלקי מתכת עם תכולת מתכת של מעל 90%, מה שהופך אותם למתאימים לאב טיפוס.

△מעבדת הדפסה תלת-ממדית של מתכות באוניברסיטה, המרכז המשותף של וושינגטון לפריסה ומחקר של חומרים שופעים בכדור הארץ, מייצרת חלקים מטיטניום

בקיצור, הפיתוח העתידי של טיטניום מודפס בתלת מימד מלא תקווה וימלא תפקיד גדול יותר בתחומים רבים. באמצעות חדשנות טכנולוגית מתמשכת והרחבת יישומים, טיטניום מודפס בתלת מימד יביא לחברה חלקי מתכת נוחים, יעילים ואיכותיים יותר.