Toepassingsgebieden en ontwikkeling van 3D-printen met titaniumlegeringen

Titanium is een van de meest gebruikte metalen in de additieve productie en wordt toegepast in de lucht- en ruimtevaart, gewrichtsprotheses en chirurgische instrumenten, racefiets- en fietsframes, elektronica en andere hoogwaardige producten. Titanium en titaniumlegeringen worden door diverse industrieën gewaardeerd vanwege hun hoge mechanische sterkte, hoge sterkte-gewichtsverhouding en betere corrosiebestendigheid dan roestvrij staal. Het gebruik van dit materiaal kan raketten en vliegtuigen lichter maken, waardoor brandstof wordt bespaard en het laadvermogen wordt vergroot. Het kan ook worden gebruikt voor het maken van lichtere elektronica zoals smartphones en VR-brillen, evenals in medische implantaten. Bovendien worden de voordelen nog duidelijker wanneer de inherente eigenschappen van titanium worden gecombineerd met de unieke mogelijkheden van 3D-printen. Dus, wat zijn de specifieke toepassingen van 3D-geprint titanium? Wat zijn de meest voorkomende titaniumtoepassingen? PrinterIs het te koop?

△3D-geprinte titanium onderdelen

Heupgewrichten van GE Additive, ventilatorbladen van Sciaky, raketpunten van Arcam Darker, titanium roostercomponenten van 3D Systems, titanium stents van EOS, chirurgische wervelkolomimplantaten van Zenith Tecnica

3D-printen 3D-printen van titanium maakt een efficiëntere productie mogelijk en vermindert tegelijkertijd de verspilling van grondstoffen. Als additieve technologie gebruikt 3D-printen van metaal doorgaans alleen de materialen die nodig zijn om het onderdeel te bouwen, samen met een relatief kleine hoeveelheid ondersteunend structuurmateriaal. 3D-printen maakt ook complexe ontwerpen mogelijk, zoals interne kanalen en holle of met roosters gevulde onderdelen om het gewicht te verminderen, die met geen enkele andere productiemethode mogelijk zijn. Omdat er geen mallen of gereedschappen nodig zijn, kan 3D-printen van titanium op een kosteneffectieve manier unieke onderdelen creëren, zoals patiëntspecifieke implantaten, prototypes en onderzoeksinstrumenten. Er zijn talloze voorbeelden van 3D-printen van titanium ter bevordering van de productie, de gezondheidszorg, de ruimtevaart en meer.

3D-printen met titaniumlegeringen

△In 2023 bracht Panerai de Submersible S Brabus PAM01283 uit, voorzien van een 3D-geprinte titanium kast. De afbeelding rechts laat zien dat Holthinrichs Deconstructed het eerste 3D-geprinte titanium horloge lanceerde.

3D-printen met titanium wordt al veelvuldig gebruikt voor de productie van uiteenlopende producten, zoals medische apparaten, racefietsen, luxe horloges en consumentenelektronica. Het doel is om lichtgewicht maar toch sterke producten te leveren door middel van innovatieve, vaak op maat gemaakte ontwerpen.

● Precisieproducten en elektronische producten

3D-printen kan zeer dunwandige, complexe titanium onderdelen produceren, die vaak worden gebruikt voor horlogekasten, zoals de Panerai- en Holthinrichs-horloges die hierboven zijn afgebeeld. Naar verluidt zullen horlogekasten van titaniumlegering ook een onderdeel vormen van de toekomstige Apple Watch Ultra.

△3D-geprinte afdekking van titaniumlegering voor het scharnier van de schakelaar, gebruikt in de opvouwbare Honor Magic V2-smartphone uit 2023

In 2023 lanceerde smartphonefabrikant Honor zijn nieuwe opvouwbare Magic V2, die is voorzien van een 3D-geprinte titanium schakelklep met scharnier die lichter en 150% sterker is dan de vorige aluminium versie. Honor gaf aan dat dit kleine titanium onderdeel, dat in tienduizenden aantallen 3D-geprint kan worden, de sleutel is tot de duurzaamheid en het soepele openen en sluiten van het product.

● Medische en tandheelkundige implantaten

△Het Construx Mimi Ti Spacer System, een 3D-geprint titanium implantaat van American Orthofix Medical, werd in 2021 goedgekeurd door de Amerikaanse FDA.

In de medische sector zijn 3D-geprinte titanium implantaten succesvol gebleken bij toepassingen in de wervelkolom, heup, knie en ledematen. Dit is te danken aan de inherente biocompatibiliteit en goede mechanische eigenschappen van het metaal, in combinatie met de mogelijkheid om op maat gemaakte poreuze structuren te 3D-printen (waardoor osseointegratie mogelijk wordt) en massamaatwerk voor betere resultaten voor de patiënt. 3D-geprinte titanium implantaten krijgen steeds meer goedkeuring van regelgevende instanties en de vraag ernaar neemt toe. Omdat de meeste medische implantaten zijn ontworpen voor een grote groep mensen met dezelfde aandoening, zijn ze niet voor iedereen geschikt. Mensen met zeldzame ziekten worden vaak uitgesloten. Met 3D-printing is het nu mogelijk om implantaten te produceren die specifiek zijn ontworpen voor individuele patiënten.

In 2023 voerde een chirurg in het Verenigd Koninkrijk op dezelfde dag vier polsoperaties uit, waarbij hij gebruik maakte van patiëntspecifieke 3D-geprinte titaniumplaten om eerdere polsfracturen te corrigeren. Dr. Akshay Malhotra, orthopedisch chirurg en hoofd van de afdeling handen en polsen, zei: "Zodra dit planningsproces is afgerond, worden op maat gemaakte platen geprint met titaniumpoeder, vervolgens getest, naar het Verenigd Koninkrijk verzonden en in het County Hospital gesteriliseerd ter voorbereiding op de operatie."

△De 3D-geprinte titaniumschroeven van CoreLink hebben een poreuze structuur die botgroei bevordert, en de nieuwe patiëntspecifieke titanium vingergewrichten van het FingerKit Consortium

Artsen van het Manipal Hospital in India gebruikten in 2022 3D-geprint titanium bij de behandeling van een kankerpatiënt wiens tumor zijn borstkas aantastte. Normaal gesproken zouden implantaten van deze omvang te zwaar zijn voor het menselijk lichaam, maar omdat titanium licht en zeer sterk is (minder dan 250 gram), is het ideaal voor het printen van implantaten die in het lichaam worden geplaatst. Dankzij het succes van het 3D-geprinte implantaat herstelde de patiënt volledig en kon hij zijn normale leven weer oppakken zonder afhankelijk te zijn van externe apparatuur voor de ademhaling.

△Dankzij 3D-printen met titanium heeft Angel Cycle Works het gewicht van de nieuwe Heaven-fiets aanzienlijk kunnen verlagen en het ontwerp kunnen optimaliseren.

3D-geprint titanium is tegenwoordig een veelgebruikt materiaal in racefietsen. Titanium wordt gebruikt in cranks, remhendels, stuurpennen, derailleurhangers en zelfs complete frames. Titanium is net zo sterk als aluminium en net zo licht als koolstofvezel, zonder de duurzaamheidsproblemen van koolstofvezel. Fietsfabrikant Carbon Wasp legt uit waarom ze aluminium en koolstofvezel links laten liggen en in plaats daarvan 3D-geprint titanium gebruiken voor hun nieuwste aftermarket crankarmen. Carbon Wasp zegt: "We hebben allerlei creatieve manieren bedacht om de crank aan de versnellingsbakas te bevestigen zonder de koolstofvezel samen te drukken, maar er waren altijd metalen inzetstukken nodig en het lijmen van die inzetstukken aan de koolstofvezel zou problemen opleveren. Na wat prototypes ontdekte Carbon Wasp dat een 3D-geprinte titanium crank met een rasterstructuur net zo licht is als koolstofvezel, maar sterker op plekken die veel te verduren krijgen. We denken nog steeds dat koolstofvezel het beste materiaal is voor veel andere toepassingen, waaronder het frame, maar we werken al aan andere titanium onderdelen."

Over frames gesproken: fietsfabrikant Angel Cycle Works zegt een volledig titanium frame te hebben 3D-geprint in één lichtgewicht onderdeel. Dit scheelt cruciale seconden in racetijden en maakt nieuwe geometrieën mogelijk. Hun nieuwe superbike, genaamd Heaven, is 400 gram lichter dan de vorige versie. Een ander volledig titanium frame dat dit jaar door Pilot is gelanceerd, heet Pilot Seiren. Het frame van deze racefiets is volledig 3D-geprint van titanium (verdeeld in drie delen). Het bedrijf zegt dat 3D-printen van titanium het mogelijk maakt de fiets aan te passen aan de voorkeuren van de rijder, en dat het frame geen verf of coating nodig heeft.

△Fietsenfabrikant Mythos biedt klanten een reeks 3D-geprinte titanium onderdelen aan, waaronder deze stuurstangen, terwijl Verve Cycling (rechts) nieuwe 3D-geprinte titanium cranks aanbiedt.

△GKN Aerospace is van plan een nieuwe, grootschalige 3D-printer voor titanium toe te voegen aan zijn fabriek in Texas

△Aangezien NASA er maar één nodig heeft, is het 3D-printen van titanium onderdelen voor de uitklapbare arm van de maan logischer dan traditionele productiemethoden.

● Productie

Halfgeleiderfabrikant ASML print nu 3D-geprinte in plaats van gesmede titanium voorvormen voor draagplaten (gebruikt bij de waferproductie), waardoor 64% op grondstoffen wordt bespaard en de levering sneller verloopt. Norsk Titanium, een metaalbewerkingsbedrijf dat gebruikmaakt van een DED-platform (Directed Energy Deposition), print 80 kilogram (ongeveer 176 pond) aan bijna-eindvormvoorvormen van Ti64 voor gebruik bij de productie van halfgeleiderwafers.

△3D-geprinte wielnaafbeugel van titaniumlegering, vervaardigd door de Universiteit van Washington

△Titaniumpoeder

Verschillende bedrijven, waaronder Virtual Foundry, bieden titaniumdraad aan voor extrudergebaseerd FDM (Fused Deposition Modeling). Het materiaal bestaat uit metaalpoeder ingebed in PLA en kan worden geprint met FDM-printers bij extrudertemperaturen boven de 205 °C. Na nabewerking en sinteren kunnen met deze filamenten metalen onderdelen met een metaalgehalte van meer dan 90% worden geproduceerd, waardoor ze geschikt zijn voor prototyping.

△Het metaal-3D-printlaboratorium van de universiteit, Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research, maakt onderdelen van titanium.

Kortom, de toekomst van 3D-geprint titanium is veelbelovend en zal een steeds grotere rol spelen in diverse sectoren. Door voortdurende technologische innovatie en uitbreiding van de toepassingen zal 3D-geprint titanium de maatschappij voorzien van handigere, efficiëntere en hoogwaardigere metalen onderdelen.