Bruksområder og utvikling av 3D-printing av titanlegeringer

Titan er et av de mest brukte metallene i additiv produksjon og brukes i luftfart, leddproteser og kirurgiske verktøy, racing- og sykkelrammer, elektronikk og andre høyytelsesprodukter. Titan og titanbaserte legeringer verdsettes av ulike bransjer for sin høye mekaniske styrke, høye styrke-til-vekt-forhold og bedre korrosjonsbestandighet enn rustfritt stål. Bruken av dette materialet kan gjøre raketter og fly lettere, og dermed spare drivstoff og øke nyttelasten. Det kan også brukes til å lage lettere elektronikk som smarttelefoner og VR-briller, samt i medisinske implantater. Dessuten, når de iboende egenskapene til titan kombineres med de unike egenskapene til 3D-printing, vil fordelene bli enda mer åpenbare. Så, hva er de spesifikke bruksområdene for 3D-printet titan? Hva er de vanlige titan-legeringene Printerer på markedet?

△3D-printede titandeler

Hofteledd fra GE Additive, vifteblader fra Sciaky, rakettspisser fra Arcam Darker, titangitterkomponenter fra 3D Systems, titanstenter fra EOS, kirurgiske spinalimplantater fra Zenith Tecnica

3D-utskrift muliggjør mer effektiv produksjon av titan samtidig som det reduserer råvaresvinn. Som en additiv teknologi bruker 3D-printing av metall vanligvis bare materialene som trengs for å bygge delen, sammen med en relativt liten mengde støttende strukturmateriale. 3D-printing muliggjør også komplekse design, for eksempel interne kanaler og hule eller gitterfylte deler for å redusere vekt, som ikke er mulig med noen annen produksjonsmetode. Fordi det ikke er noen former eller verktøy, kan 3D-printing av titan kostnadseffektivt lage unike deler som pasientspesifikke implantater, prototyper og forskningsverktøy. Det finnes utallige eksempler på 3D-printing av titan for å fremme produksjon, helsevesen, romutforskning og mer.

Bruksområder for 3D-printing av titanlegering

△I 2023 lanserte Panerai Submersible S Brabus PAM01283 utstyrt med en 3D-printet titanurkasse. Bildet til høyre viser at Holthinrichs Deconstructed lanserte den første 3D-printede titanklokken.

3D-printing av titan er allerede mye brukt til å produsere produkter så forskjellige som medisinsk utstyr, ytelsessykler, luksusklokker og forbrukerelektronikk, med håp om å levere lette, men sterke produkter gjennom innovative, ofte spesialtilpassede design.

● Presisjonsprodukter og elektroniske produkter

3D-printing kan produsere svært tynnveggede, komplekse titandiler, som ofte brukes til å lage klokkekasser, slik som Panerai- og Holthinrichs-klokkene vist ovenfor. Det sies at klokkekasser i titanlegering også vil bli en kommende del av Apple Watch Ultra.

△3D-printet hengseldeksel i titanlegering brukt i den sammenleggbare smarttelefonen Honor Magic V2 fra 2023

I 2023 lanserte smarttelefonprodusenten Honor sin nye sammenleggbare Magic V2, som har et 3D-printet titandeksel med hengsler som er lettere og 150 % sterkere enn den forrige aluminiumsversjonen. Honor sa at denne lille titandelen, som kan 3D-printes i titusenvis, er nøkkelen til produktets holdbarhet og smidige sammenleggbarhet og utfolding.

● Medisinske og tannimplantater

△American Orthofix Medicals 3D-printede titanimplantat Construx Mimi Ti Spacer System ble godkjent av det amerikanske FDA i 2021.

I medisinindustrien har 3D-printede titanimplantater vært vellykkede i applikasjoner innen ryggraden, hoften, knærne og ekstremitetene på grunn av metallets iboende biokompatibilitet og gode mekaniske egenskaper, kombinert med muligheten til å 3D-printe tilpassede porøse strukturer (og dermed muliggjøre osseointegrasjon) og massetilpasning for bedre pasientresultater. 3D-printede titanimplantater får stadig mer myndighetsgodkjenning og etterspørsel. Siden de fleste medisinske implantater er laget for å dekke et stort antall mennesker med samme tilstand, er de ikke egnet for alle. Personer med sjeldne sykdommer blir ofte ekskludert. Nå, med 3D-printing, er det mulig å produsere implantater spesielt designet for individuelle pasienter.

I 2023 utførte en kirurg i Storbritannia fire håndleddsoperasjoner samme dag, ved hjelp av pasientspesifikke 3D-printede titanplater for å korrigere tidligere brukne håndleddsdeformiteter. Dr. Akshay Malhotra, konsulentortepolyptisk kirurg og klinisk leder for hender og håndledd, sa: «Når denne planleggingsprosessen er fullført, printes skreddersydde plater med titanpulver, testes deretter, sendes til Storbritannia og steriliseres på fylkessykehuset som forberedelse til operasjonen.»

△CoreLinks 3D-printede titanskruer har en porøs struktur som fremmer beinvekst, og FingerKit Consortiums nye pasientspesifikke titanfingerledd

Leger ved Manipal Hospital i India brukte 3D-printet titan da de behandlet en kreftpasient med en svulst som ødela brystkassen hans i 2022. Generelt sett ville implantater av denne størrelsen være for tunge for menneskekroppen å bære, men fordi titan er lett og svært sterkt, og veier mindre enn 250 gram, er det ideelt for å printe implantater inne i kroppen. Takket være suksessen til det 3D-printede implantatet, ble pasienten helt frisk og kunne gå tilbake til sitt normale liv uten å være avhengig av eksterne maskiner for å hjelpe ham med å puste.

△Gjennom 3D-printing av titan klarte Angel Cycle Works å redusere vekten betydelig og optimalisere designet til den nye Heaven-sykkelen.

3D-printet titan er vanlig i dagens ytelsessykler. Titan brukes i krank, bremsehendler, styrestem, girbøyler og til og med fullrammer. Titan er like sterkt som aluminium og like lett som karbonfiber, uten bærekraftsproblemene med karbonfiber. Sykkelprodusenten Carbon Wasp forklarer hvorfor de dropper aluminium og karbonfiber til fordel for å bruke 3D-printet titan til å bygge sine nyeste ettermarkedskrankarmer. Carbon Wasp sa: «Vi kom opp med alle slags kreative måter å klemme kranken til girkassen uten å klemme karbonfiberen, men det var alltid noen metallinnsatser som var nødvendige, og det å lime innleggene til karbonfiberen ville by på problemer. Til de endeløse spørsmålene. Etter litt prototyping fant Carbon Wasp ut at en 3D-printet gitterfylt titanskrank er like lett som karbon, men sterkere i svært støtutsatte områder. Vi tror fortsatt at karbonfiber er best for mange andre bruksområder, inkludert rammen, men vi jobber allerede med andre titandeler.»

Når det gjelder helrammer, sier sykkelprodusenten Angel Cycle Works at de har 3D-printet en hel-titanramme i én lettvektskomponent, noe som reduserer viktige sekunder i løpstider og muliggjør nye designgeometrier. Den nye supersykkelen deres, kalt Heaven, er 400 gram lettere enn den forrige versjonen. En annen ramme i hel-titan-legering lansert av Pilot i år heter Pilot Seiren. Landeveissykkelens ramme er fullstendig 3D-printet av titan (delt inn i tre deler). Selskapet sier at 3D-printing av titan lar dem tilpasse sykkelen til førerens preferanser, og rammen krever ingen maling eller belegg.

△Sykkelselskapet Mythos tilbyr kundene en rekke 3D-printede titandeler, inkludert disse styret, mens Verve Cycling (til høyre) tilbyr nye 3D-printede titankranksett.

△GKN Aerospace planlegger å legge til en ny storskala titan 3D-printer til fabrikken sin i Texas

△Siden NASA bare trenger én, er det mer fornuftig å 3D-printe titankomponenter til den utfoldbare månearmen enn tradisjonell produksjon.

● Produksjon

Halvlederprodusenten ASML 3D-printer nå i stedet for å smi titanbærerbrett-preformer (brukes i waferproduksjon), noe som sparer 64 % i råvarer og leverer dem raskere. Norsk Titanium, et selskap for additiv metallproduksjon som bruker en plattform for rettet energiavsetning (DED), printer 80 kilogram (omtrent 176 pund) preformer med nesten netto form med Ti64 for bruk i produksjon av halvlederwafere.

△3D-printet navfeste i titanlegering produsert av University of Washington

△Titanpulver

Flere selskaper, inkludert Virtual Foundry, tilbyr titantråd for ekstruderbasert smeltet avsetningsmodellering (FDM). Materialet inneholder metallpulver innebygd i PLA og kan skrives ut med FDM-skrivere ved ekstrudertemperaturer over 205 °C. Etter etterbehandling og sintring kan disse filamentene produsere metalldeler med et metallinnhold på over 90 %, noe som gjør dem egnet for prototyping.

△Universitetslaboratorium for metall 3D-printing, Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research, lager deler av titan

Kort sagt, den fremtidige utviklingen av 3D-printet titan er full av håp og vil spille en større rolle på mange felt. Gjennom kontinuerlig teknologisk innovasjon og utvidelse av applikasjoner vil 3D-printet titan bringe mer praktiske, effektive og høykvalitets metalldeler til samfunnet.