Obszary zastosowań i rozwój druku 3D stopów tytanu

Tytan jest jednym z najczęściej stosowanych metali w produkcji addytywnej i jest wykorzystywany w przemyśle lotniczym, endoprotezoplastyce stawów i narzędziach chirurgicznych, ramach wyścigowych i rowerowych, elektronice i innych produktach o wysokiej wydajności. Tytan i stopy na bazie tytanu są cenione w różnych gałęziach przemysłu ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną, wysoki stosunek wytrzymałości do masy oraz lepszą odporność na korozję niż stal nierdzewna. Zastosowanie tego materiału może zmniejszyć masę rakiet i samolotów, oszczędzając tym samym paliwo i zwiększając ładowność. Może być również wykorzystywany do produkcji lżejszych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony i gogle VR, a także w implantach medycznych. Co więcej, połączenie naturalnych właściwości tytanu z unikalnymi możliwościami druku 3D, korzyści będą jeszcze bardziej oczywiste. Jakie są zatem konkretne zastosowania tytanu drukowanego w 3D? Jakie są typowe zastosowania tytanu? Drukarkas na rynku?

△Części tytanowe drukowane w 3D

Stawy biodrowe firmy GE Additive, łopatki wentylatora firmy Sciaky, końcówki rakiet firmy Arcam Darker, tytanowe elementy kratowe firmy 3D Systems, tytanowe stenty firmy EOS, chirurgiczne implanty kręgosłupa firmy Zenith Tecnica

Drukowanie 3D Umożliwia wydajniejszą produkcję tytanu przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości odpadów surowcowych. Druk 3D metali, jako technologia addytywna, zazwyczaj wykorzystuje jedynie materiały potrzebne do zbudowania elementu, wraz ze stosunkowo niewielką ilością materiału konstrukcyjnego. Druk 3D umożliwia również tworzenie złożonych projektów, takich jak kanały wewnętrzne oraz części puste w środku lub wypełnione kratownicą, co pozwala na redukcję masy, co nie jest możliwe w przypadku żadnej innej metody produkcji. Brak form i narzędzi sprawia, że ​​druk 3D tytanu pozwala na ekonomiczne tworzenie unikatowych części, takich jak implanty dopasowane do potrzeb pacjenta, prototypy i narzędzia badawcze. Istnieje niezliczona ilość przykładów wykorzystania druku 3D tytanu w rozwoju produkcji, opieki zdrowotnej, eksploracji kosmosu i nie tylko.

Zastosowania stopu tytanu do druku 3D

△W 2023 roku Panerai wypuściło Submersible S Brabus PAM01283 z kopertą wykonaną metodą druku 3D z tytanu. Zdjęcie po prawej stronie pokazuje, że Holthinrichs Deconstructed wprowadził na rynek pierwszy zegarek z tytanu wydrukowany w technologii druku 3D.

Druk 3D z tytanu jest już szeroko stosowany do produkcji różnorodnych produktów, takich jak urządzenia medyczne, rowery wyczynowe, luksusowe zegarki i elektronika użytkowa. Celem jest dostarczenie lekkich, a jednocześnie wytrzymałych produktów o innowacyjnych, często niestandardowych wzorach.

● Produkty precyzyjne i produkty elektroniczne

Druk 3D pozwala na produkcję bardzo cienkościennych, złożonych elementów tytanowych, które są często wykorzystywane do produkcji kopert zegarków, takich jak te prezentowane na zdjęciach Panerai i Holthinrichs. Mówi się, że koperty zegarków ze stopu tytanu będą również w przyszłości częścią Apple Watch Ultra.

△Osłona zawiasu wykonana ze stopu tytanu, drukowana w technologii 3D, używana w składanym smartfonie Honor Magic V2 z 2023 r.

W 2023 roku producent smartfonów Honor wprowadził na rynek swój nowy, składany Magic V2, wyposażony w tytanową, uchylną obudowę dźwigni zmiany biegów, drukowaną w technologii 3D, która jest lżejsza i o 150% mocniejsza niż poprzednia wersja aluminiowa. Honor twierdzi, że ten niewielki element tytanowy, który można drukować w technologii 3D w dziesiątkach tysięcy egzemplarzy, jest kluczem do trwałości produktu oraz płynnego składania i rozkładania.

● Implanty medyczne i stomatologiczne

△System Construx Mimi Ti Spacer firmy American Orthofix Medical, tytanowy implant drukowany w technologii 3D, został zatwierdzony przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) w 2021 r.

W branży medycznej implanty tytanowe drukowane w technologii 3D z powodzeniem stosowano w leczeniu kręgosłupa, bioder, kolan i kończyn, ze względu na naturalną biokompatybilność i dobre właściwości mechaniczne tego metalu, a także możliwość drukowania w technologii 3D niestandardowych struktur porowatych (umożliwiających osteointegrację) i masową personalizację w celu uzyskania lepszych rezultatów leczenia. Implanty tytanowe drukowane w technologii 3D zyskują na popularności i rosnącym zapotrzebowaniu. Ponieważ większość implantów medycznych jest przeznaczona dla dużej liczby osób z tym samym schorzeniem, nie są one odpowiednie dla wszystkich. Osoby z rzadkimi chorobami często są wykluczane. Teraz, dzięki drukowi 3D, możliwe jest wytwarzanie implantów zaprojektowanych specjalnie dla indywidualnych pacjentów.

W 2023 roku chirurg w Wielkiej Brytanii przeprowadził cztery operacje nadgarstka tego samego dnia, używając indywidualnie dla każdego pacjenta drukowanych w 3D płytek tytanowych, aby skorygować wcześniej złamane deformacje nadgarstka. Dr Akshay Malhotra, konsultant chirurgii ortopedycznej i kierownik kliniczny ds. dłoni i nadgarstków, powiedział: „Po zakończeniu procesu planowania, drukowane są spersonalizowane płytki z proszku tytanowego, a następnie testowane, wysyłane do Wielkiej Brytanii i sterylizowane w szpitalu powiatowym w ramach przygotowań do operacji”.

△Śruby tytanowe firmy CoreLink drukowane w technologii 3D charakteryzują się porowatą strukturą, która wspomaga wzrost kości, a nowe, dostosowane do potrzeb pacjenta, tytanowe stawy palców firmy FingerKit Consortium

Lekarze ze szpitala Manipal w Indiach wykorzystali tytan drukowany w technologii 3D podczas leczenia pacjenta z chorobą nowotworową, którego guz niszczył klatkę piersiową w 2022 roku. Ogólnie rzecz biorąc, implanty tej wielkości byłyby zbyt ciężkie dla ludzkiego ciała, ale ponieważ tytan jest lekki i bardzo wytrzymały, ważąc mniej niż 250 gramów, idealnie nadaje się do drukowania implantów wewnątrz ciała. Dzięki sukcesowi implantu drukowanego w technologii 3D, pacjent w pełni wyzdrowiał i mógł wrócić do normalnego życia bez konieczności korzystania z zewnętrznych urządzeń wspomagających oddychanie.

△Dzięki drukowi 3D z tytanu firma Angel Cycle Works była w stanie znacząco zmniejszyć wagę i zoptymalizować konstrukcję nowego roweru Heaven

Drukowany w 3D tytan jest powszechny w dzisiejszych rowerach wyczynowych. Tytan jest stosowany w korbach, dźwigniach hamulców, mostkach, hakach przerzutki, a nawet pełnych ramach. Tytan jest tak wytrzymały jak aluminium i lekki jak włókno węglowe, bez problemów z trwałością, jakie ma włókno węglowe. Producent rowerów Carbon Wasp wyjaśnia, dlaczego rezygnuje z aluminium i włókna węglowego na rzecz tytanu drukowanego w 3D do budowy swoich najnowszych korb dostępnych na rynku wtórnym. Carbon Wasp powiedział: „Wymyśliliśmy mnóstwo kreatywnych sposobów na zamocowanie korby do wałka przekładni bez ściskania włókna węglowego, ale zawsze potrzebne były metalowe wkładki, a przyklejenie ich do włókna węglowego stwarzało problemy. Do niekończących się pytań. Po kilku prototypach Carbon Wasp odkrył, że drukowana w 3D tytanowa korba wypełniona siatką jest równie lekka jak karbon, ale mocniejsza w miejscach najbardziej narażonych na uderzenia. Nadal uważamy, że włókno węglowe jest najlepsze do wielu innych zastosowań, w tym do ramy, ale już pracujemy nad innymi elementami tytanowymi”.

Mówiąc o pełnych ramach, producent rowerów Angel Cycle Works twierdzi, że wydrukował w 3D ramę całkowicie wykonaną z tytanu w jednym lekkim elemencie, co pozwala zaoszczędzić cenne sekundy w czasie wyścigów i umożliwia zastosowanie nowych geometrii konstrukcji. Nowy superbike o nazwie Heaven jest o 400 gramów lżejszy od poprzedniej wersji. Kolejna rama wykonana całkowicie ze stopu tytanu, wprowadzona przez Pilota w tym roku, nazywa się Pilot Seiren. Rama roweru szosowego jest w całości drukowana w 3D z tytanu (podzielona na trzy części). Firma twierdzi, że druk 3D tytanu pozwala na dostosowanie roweru do preferencji kolarza, a rama nie wymaga malowania ani powlekania.

△Firma rowerowa Mythos oferuje klientom szereg części tytanowych drukowanych w technologii 3D, w tym te kierownice, podczas gdy Verve Cycling (po prawej) oferuje nowe korby tytanowe drukowane w technologii 3D.

△GKN Aerospace planuje dodać do swojej fabryki w Teksasie nową, wielkogabarytową drukarkę 3D do druku tytanu

△Ponieważ NASA potrzebuje tylko jednego, drukowanie w 3D tytanowych elementów rozkładanego ramienia księżycowego jest bardziej sensowne niż produkcja metodą tradycyjną.

● Produkcja

Producent półprzewodników ASML korzysta teraz z druku 3D zamiast kucia tytanowych tacek nośnych (stosowanych w produkcji płytek półprzewodnikowych), oszczędzając 64% surowców i dostarczając je szybciej. Norsk Titanium, firma zajmująca się produkcją addytywną metali, wykorzystująca platformę do osadzania energii kierowanej (DED), drukuje 80 kilogramów (około 176 funtów) preform o kształcie zbliżonym do gotowego wyrobu z Ti64 do wykorzystania w produkcji płytek półprzewodnikowych.

△Wspornik piasty koła wykonany w technologii druku 3D ze stopu tytanu, wyprodukowany przez Uniwersytet Waszyngtoński

△Proszek tytanowy

Kilka firm, w tym Virtual Foundry, oferuje drut tytanowy do modelowania metodą osadzania topionego materiału (FDM) z wykorzystaniem wytłaczarki. Materiał ten zawiera proszek metaliczny zatopiony w PLA i może być drukowany za pomocą drukarek FDM w temperaturach wytłaczarki powyżej 205°C. Po obróbce końcowej i spiekaniu, filamenty te pozwalają na produkcję elementów metalowych o zawartości metalu przekraczającej 90%, co czyni je odpowiednimi do prototypowania.

△Uniwersyteckie laboratorium druku 3D z metalu, w Waszyngtońskim Centrum Wdrażania i Badań Materiałów Obfitych Ziemi, wytwarza części z tytanu

Krótko mówiąc, przyszły rozwój druku 3D z tytanu jest pełen nadziei i będzie odgrywał coraz większą rolę w wielu dziedzinach. Dzięki ciągłym innowacjom technologicznym i rozwojowi zastosowań, druk 3D z tytanu zapewni społeczeństwu wygodniejsze, wydajniejsze i wysokiej jakości części metalowe.