Titāna sakausējuma 3D drukāšanas pielietojuma jomas un attīstība

Titāns ir viens no visbiežāk izmantotajiem metāliem aditīvajā ražošanā, un to izmanto kosmosa, locītavu endoprotezēšanas un ķirurģiskajos instrumentos, sacīkšu un velosipēdu rāmjos, elektronikā un citos augstas veiktspējas izstrādājumos. Titāns un titāna sakausējumi tiek vērtēti dažādās nozarēs to augstās mehāniskās izturības, augstās stiprības un svara attiecības un labākas korozijas izturības dēļ nekā nerūsējošais tērauds. Šī materiāla izmantošana var padarīt raķetes un lidmašīnas vieglākas, tādējādi ietaupot degvielu un palielinot kravnesību. To varētu izmantot arī vieglākas elektronikas, piemēram, viedtālruņu un VR briļļu, ražošanā, kā arī medicīnisko implantu ražošanā. Turklāt, apvienojot titāna raksturīgās īpašības ar unikālajām 3D drukāšanas iespējām, priekšrocības būs vēl acīmredzamākas. Tātad, kādi ir 3D drukātā titāna īpašie pielietojumi? Kādi ir izplatītākie titāna veidi? Printerisir tirgū?

△3D drukātas titāna detaļas

Gūžas locītavas no GE Additive, ventilatora lāpstiņas no Sciaky, raķešu uzgaļi no Arcam Darker, titāna režģa komponenti no 3D Systems, titāna stenti no EOS, ķirurģiskie mugurkaula implanti no Zenith Tecnica

3D drukāšana ļauj efektīvāk ražot titānu, vienlaikus samazinot izejvielu atkritumus. Kā piedevu tehnoloģija, metāla 3D drukāšana parasti izmanto tikai detaļas izgatavošanai nepieciešamos materiālus, kā arī relatīvi nelielu daudzumu atbalsta konstrukcijas materiāla. 3D drukāšana ļauj arī izveidot sarežģītus dizainus, piemēram, iekšējos kanālus un dobas vai ar režģi pildītas detaļas, lai samazinātu svaru, kas nav iespējams ar citām ražošanas metodēm. Tā kā nav veidņu vai instrumentu, titāna 3D drukāšana var rentabli izveidot unikālas detaļas, piemēram, pacientam specifiskus implantus, prototipus un pētniecības instrumentus. Ir neskaitāmi piemēri, kā titāns tiek drukāts 3D formātā, lai veicinātu ražošanu, veselības aprūpi, kosmosa izpēti un citas jomas.

Titāna sakausējuma 3D drukāšanas pielietojums

△2023. gadā Panerai izlaida Submersible S Brabus PAM01283, kas aprīkots ar 3D drukātu titāna korpusu. Attēlā labajā pusē redzams, ka Holthinrichs Deconstructed laida klajā pirmo 3D drukāto titāna pulksteni.

Titāna 3D drukāšana jau tiek plaši izmantota tādu dažādu produktu ražošanai kā medicīnas ierīces, sporta velosipēdi, luksusa pulksteņi un plaša patēriņa elektronika, cerot piegādāt vieglus, bet izturīgus produktus, izmantojot inovatīvus, bieži vien pielāgotus dizainus.

● Precīzijas izstrādājumi un elektroniskie izstrādājumi

Ar 3D drukas palīdzību var izgatavot ļoti plānsienu, sarežģītas titāna detaļas, kuras bieži izmanto pulksteņu korpusu, piemēram, iepriekš redzamo Panerai un Holthinrichs pulksteņu, izgatavošanai. Tiek ziņots, ka titāna sakausējuma pulksteņu korpusi būs arī gaidāmā Apple Watch Ultra sastāvdaļa.

△3D drukāts titāna sakausējuma eņģu pārslēgšanas vāciņš, kas izmantots 2023. gada Honor Magic V2 salokāmajā viedtālrunī

2023. gadā viedtālruņu ražotājs Honor laida klajā savu jauno salokāmo Magic V2, kam ir 3D drukāts titāna eņģēm piestiprināts pārslēgšanas pārsegs, kas ir vieglāks un par 150% izturīgāks nekā iepriekšējā alumīnija versija. Honor paziņoja, ka šis mazais titāna gabaliņš, ko var 3D drukāt desmitiem tūkstošu eksemplāru, ir produkta izturības un vienmērīgas locīšanas un atlocīšanas atslēga.

● Medicīniskie un zobu implanti

△American Orthofix Medical 3D drukātā titāna implanta Construx Mimi Ti starplikas sistēma tika apstiprināta ASV Pārtikas un zāļu pārvaldes (FDA) 2021. gadā.

Medicīnas nozarē 3D drukātie titāna implanti ir veiksmīgi izmantoti mugurkaula, gūžas, ceļa un ekstremitāšu locītavu implantos, pateicoties metāla dabiskajai bioloģiskajai saderībai un labajām mehāniskajām īpašībām, kā arī iespējai drukāt pielāgotas porainas struktūras (tādējādi nodrošinot osseointegrāciju) un veikt masveida pielāgošanu labāku pacientu rezultātu sasniegšanai. 3D drukātie titāna implanti iegūst regulatoru apstiprinājumu un pieprasījumu. Tā kā lielākā daļa medicīnisko implantu ir paredzēti lielam skaitam cilvēku ar vienādu veselības stāvokli, tie nav piemēroti visiem. Cilvēki ar retām slimībām bieži vien tiek izslēgti. Tagad, izmantojot 3D drukāšanu, ir iespējams izgatavot implantus, kas īpaši paredzēti individuāliem pacientiem.

2023. gadā kāds ķirurgs Apvienotajā Karalistē vienā dienā veica četras plaukstas locītavas operācijas, izmantojot pacientam pielāgotas 3D drukātas titāna plāksnes, lai koriģētu iepriekš lūzušas plaukstas locītavas deformācijas. Dr. Akšajs Malhotra, ortopēdiskais ķirurgs konsultants un roku un plaukstu locītavu klīniskais vadītājs, sacīja: “Kad šis plānošanas process ir pabeigts, pēc pasūtījuma izgatavotas plāksnes tiek drukātas, izmantojot titāna pulveri, pēc tam testētas, nosūtītas uz Apvienoto Karalisti un sterilizētas apgabala slimnīcā, gatavojoties operācijai.”

△CoreLink 3D drukātajām titāna skrūvēm ir poraina struktūra, kas veicina kaulu augšanu, un FingerKit Consortium jaunajām pacientam pielāgotajām titāna pirkstu locītavām

Manipalas slimnīcas ārsti Indijā 2022. gadā izmantoja 3D drukātu titānu, ārstējot vēža pacientu, kuram audzējs iznīcināja krūškurvi. Vispārīgi runājot, šāda izmēra implanti cilvēka ķermenim būtu pārāk smagi, taču, tā kā titāns ir viegls un ļoti izturīgs, sverot mazāk nekā 250 gramus, tas ir ideāli piemērots implantu drukāšanai ķermeņa iekšpusē. Pateicoties 3D drukātā implanta panākumiem, pacients pilnībā atveseļojās un varēja atgriezties normālā dzīvē, nepaļaujoties uz ārējām iekārtām, kas palīdzētu viņam elpot.

△Izmantojot titāna 3D drukāšanu, Angel Cycle Works spēja ievērojami samazināt jaunā Heaven velosipēda svaru un optimizēt tā dizainu.

3D drukāts titāns ir izplatīts mūsdienu sporta velosipēdos. Titānu izmanto kloķvārpstās, bremžu svirās, iznesumos, pārslēdzēju stiprinājumos un pat pilnos rāmjos. Titāns ir tikpat izturīgs kā alumīnijs un tikpat viegls kā oglekļa šķiedra, bez oglekļa šķiedras ilgtspējības problēmām. Velosipēdu ražotājs Carbon Wasp skaidro, kāpēc tas atsakās no alumīnija un oglekļa šķiedras par labu 3D drukāta titāna izmantošanai, lai izgatavotu savus jaunākos pēcpārdošanas kloķvārpstas sviras. Carbon Wasp teica: "Mēs izdomājām visādus radošus veidus, kā piestiprināt kloķvārpstu pie pārnesumkārbas vārpstas, nesaspiežot oglekļa šķiedru, taču vienmēr bija nepieciešami daži metāla ieliktņi, un ieliktņu līmēšana pie oglekļa šķiedras radītu problēmas. Uz nebeidzamajiem jautājumiem. Pēc prototipu izstrādes Carbon Wasp atklāja, ka 3D drukāts ar režģi pildīts titāna kloķvārpsta ir tikpat viegla kā ogleklis, bet stiprāka ļoti triecieniem pakļautās vietās. Mēs joprojām uzskatām, ka oglekļa šķiedra ir vislabākā daudziem citiem lietojumiem. Mēs jau strādājam pie citām titāna detaļām."

Runājot par pilniem rāmjiem, velosipēdu ražotājs Angel Cycle Works apgalvo, ka ir izgatavojis pilnībā no titāna izgatavotu rāmi 3D drukātā veidā vienā vieglā komponentā, kas samazina sacīkšu laikus par svarīgām sekundēm un ļauj izmantot jaunas dizaina ģeometrijas. Jaunais supervelosipēds ar nosaukumu Heaven ir par 400 gramiem vieglāks nekā iepriekšējā versija. Vēl viens pilnībā no titāna sakausējuma izgatavots rāmis, ko Pilot laida klajā šogad, ir Pilot Seiren. Šosejas velosipēda rāmis ir pilnībā 3D drukāts no titāna (sadalīts trīs daļās). Uzņēmums apgalvo, ka titāna 3D drukāšana ļauj pielāgot velosipēdu braucēja vēlmēm, un rāmim nav nepieciešama nekāda krāsa vai pārklājums.

△Velosipēdu uzņēmums Mythos piedāvā klientiem dažādas 3D drukātas titāna detaļas, tostarp šīs stūres, savukārt Verve Cycling (pa labi) piedāvā jaunus 3D drukātus titāna kloķvārpstas.

△GKN Aerospace plāno savā Teksasas rūpnīcā uzstādīt jaunu liela mēroga titāna 3D printeri

△Tā kā NASA ir nepieciešama tikai viena, titāna komponentu 3D drukāšana Mēness izvietojamajai rokai ir saprātīgāka nekā tradicionālā ražošana.

● Ražošana

Pusvadītāju ražotājs ASML tagad 3D drukā, nevis kalj titāna nesējpapīra sagataves (ko izmanto plākšņu ražošanā), ietaupot 64% izejvielu un piegādājot tās ātrāk. Norsk Titanium, metālu piedevu ražošanas uzņēmums, kas izmanto virzītas enerģijas uzklāšanas (DED) platformu, drukā 80 kilogramus (aptuveni 176 mārciņas) gandrīz neto formas sagatavju ar Ti64, lai tās izmantotu pusvadītāju plākšņu ražošanā.

△Vašingtonas Universitātes ražots 3D drukāts titāna sakausējuma riteņu rumbas kronšteins

△Titāna pulveris

Vairāki uzņēmumi, tostarp Virtual Foundry, piedāvā titāna stiepli ekstrūdera bāzes kausēta nogulsnēšanas modelēšanai (FDM). Materiāls satur PLA iestrādātu metāla pulveri un to var drukāt, izmantojot FDM printerus ekstrūdera temperatūrā virs 205 °C. Pēc pēcapstrādes un sintēšanas šie pavedieni var ražot metāla detaļas ar metāla saturu virs 90%, padarot tos piemērotus prototipu izgatavošanai.

△Universitātes metāla 3D drukas laboratorija, Vašingtonas Apvienotais Zemes pārpilnības materiālu izvietošanas un pētniecības centrs, izgatavo detaļas no titāna

Īsāk sakot, 3D drukātā titāna nākotnes attīstība ir pilna cerību un tai būs lielāka loma daudzās jomās. Pateicoties nepārtrauktai tehnoloģiskai inovācijai un pielietojuma paplašināšanai, 3D drukātais titāns sabiedrībai sniegs ērtākas, efektīvākas un augstas kvalitātes metāla detaļas.