Domenii de aplicare și dezvoltare a imprimării 3D din aliaje de titan

Titanul este unul dintre cele mai utilizate metale în fabricația aditivă și este utilizat în industria aerospațială, în instrumente chirurgicale și de înlocuire a articulațiilor, în cadre de curse și biciclete, în electronică și alte produse de înaltă performanță. Titanul și aliajele pe bază de titan sunt apreciate de diverse industrii pentru rezistența lor mecanică ridicată, raportul rezistență-greutate ridicat și rezistența la coroziune mai bună decât oțelul inoxidabil. Utilizarea acestui material poate face rachetele și aeronavele mai ușoare, economisind astfel combustibil și crescând capacitatea de încărcare. Ar putea fi folosit și pentru a fabrica electronice mai ușoare, cum ar fi smartphone-urile și ochelarii VR, precum și în implanturile medicale. Mai mult, atunci când proprietățile inerente ale titanului sunt combinate cu capacitățile unice ale imprimării 3D, avantajele vor fi și mai evidente. Așadar, care sunt utilizările specifice ale titanului imprimat 3D? Care sunt titanul comun? Imprimantăeste pe piață?

△Piese din titan imprimate 3D

Articulații de șold de la GE Additive, pale de ventilator de la Sciaky, vârfuri de rachetă de la Arcam Darker, componente de rețea din titan de la 3D Systems, stenturi din titan de la EOS, implanturi chirurgicale spinale de la Zenith Tecnica

Imprimare 3D permite o fabricare mai eficientă a titanului, reducând în același timp risipa de materii prime. Ca tehnologie aditivă, imprimarea 3D a metalelor utilizează de obicei doar materialele necesare pentru a construi piesa, împreună cu o cantitate relativ mică de material structural de susținere. Imprimarea 3D permite, de asemenea, modele complexe, cum ar fi canale interne și piese goale sau umplute cu rețea, pentru a reduce greutatea, care nu sunt posibile cu nicio altă metodă de fabricație. Deoarece nu există matrițe sau scule, imprimarea 3D a titanului poate crea în mod rentabil piese unice, cum ar fi implanturi specifice pacientului, prototipuri și instrumente de cercetare. Există nenumărate exemple de imprimare 3D a titanului pentru a avansa producția, asistența medicală, explorarea spațiului și multe altele.

Utilizări ale aliajului de titan pentru imprimarea 3D

În 2023, Panerai a lansat modelul Submersible S Brabus PAM01283, echipat cu o carcasă din titan imprimată 3D. Imaginea din dreapta arată că Holthinrichs Deconstructed a lansat primul ceas din titan imprimat 3D.

Imprimarea 3D din titan este deja utilizată pe scară largă pentru a produce produse diverse, precum dispozitive medicale, biciclete performante, ceasuri de lux și electronice de larg consum, cu speranța de a oferi produse ușoare, dar rezistente, prin designuri inovatoare, adesea personalizate.

● Produse de precizie și produse electronice

Imprimarea 3D poate produce piese complexe din titan cu pereți foarte subțiri, care sunt adesea folosite pentru fabricarea carcaselor de ceasuri, cum ar fi ceasurile Panerai și Holthinrichs prezentate mai sus. Se spune că carcasele de ceasuri din aliaj de titan vor fi, de asemenea, o parte viitoare a Apple Watch Ultra.

Capac de schimbător de viteze din aliaj de titan imprimat 3D, utilizat în smartphone-ul pliabil Honor Magic V2 din 2023

În 2023, producătorul de smartphone-uri Honor a lansat noul său produs pliabil Magic V2, care dispune de un capac de schimbător cu balamale din titan imprimat 3D, mai ușor și cu 150% mai rezistent decât versiunea anterioară din aluminiu. Honor a declarat că această mică piesă de titan, care poate fi imprimată 3D în zeci de mii de exemplare, este cheia durabilității produsului și a plierii și desfacerii line.

● Implanturi medicale și dentare

Implantul din titan imprimat 3D de la American Orthofix Medical, sistemul Construx Mimi Ti Spacer, a fost aprobat de FDA din SUA în 2021.

În industria medicală, implanturile de titan imprimate 3D au avut succes în aplicații la nivelul coloanei vertebrale, șoldului, genunchiului și extremităților datorită biocompatibilității inerente și proprietăților mecanice bune ale metalului, coroborate cu capacitatea de a imprima 3D structuri poroase personalizate (permițând astfel osteointegrarea) și personalizarea în masă pentru rezultate mai bune pentru pacienți. Implanturile de titan imprimate 3D câștigă aprobare și cerere din partea autorităților de reglementare. Deoarece majoritatea implanturilor medicale sunt fabricate pentru a acoperi un număr mare de persoane cu aceeași afecțiune, acestea nu sunt potrivite pentru toată lumea. Persoanele cu boli rare sunt adesea excluse. Acum, cu imprimarea 3D, este posibil să se producă implanturi special concepute pentru pacienți individuali.

În 2023, un chirurg din Marea Britanie a efectuat patru intervenții chirurgicale la încheietura mâinii în aceeași zi, folosind plăci de titan imprimate 3D specifice pacientului pentru a corecta deformitățile fracturate anterior ale încheieturii mâinii. Dr. Akshay Malhotra, chirurg ortoped consultant și responsabil clinic pentru mâini și încheieturi, a declarat: „Odată ce acest proces de planificare este finalizat, plăcile personalizate sunt imprimate folosind pulbere de titan, apoi testate, expediate în Marea Britanie și sterilizate la Spitalul Județean în pregătirea operației.”

△Șuruburile din titan imprimate 3D de la CoreLink prezintă o structură poroasă care promovează creșterea osoasă, iar noile articulații din titan specifice pacientului create de FingerKit Consortium

Medicii de la Spitalul Manipal din India au folosit titan imprimat 3D când au tratat un pacient cu cancer a cărui tumoare îi distrugea pieptul în 2022. În general, implanturile de această dimensiune ar fi prea grele pentru corpul uman, dar deoarece titanul este ușor și foarte rezistent, cântărind mai puțin de 250 de grame, este ideal pentru imprimarea implanturilor în interiorul corpului. Datorită succesului implantului imprimat 3D, pacientul și-a revenit complet și a putut reveni la viața sa normală fără a se baza pe mașini externe pentru a-l ajuta să respire.

Prin imprimare 3D din titan, Angel Cycle Works a reușit să reducă semnificativ greutatea și să optimizeze designul noii biciclete Heaven.

Titanul imprimat 3D este un material comun în bicicletele performante de astăzi. Titanul este utilizat în angrenaje, manete de frână, pipe, suporturi de schimbător și chiar cadre complete. Titanul este la fel de rezistent ca aluminiul și la fel de ușor ca fibra de carbon, fără problemele de sustenabilitate ale fibrei de carbon. Producătorul de biciclete Carbon Wasp explică de ce renunță la aluminiu și la fibra de carbon în favoarea utilizării titanului imprimat 3D pentru a construi cele mai recente brațe de angrenaj aftermarket. Carbon Wasp a declarat: „Am venit cu tot felul de modalități creative de a fixa angrenajul pe arborele cutiei de viteze fără a strânge fibra de carbon, dar au fost întotdeauna necesare niște inserții metalice, iar lipirea inserțiilor pe fibra de carbon ar fi avut probleme. La nesfârșitele întrebări. După câteva prototipuri, Carbon Wasp a descoperit că un angrenaj din titan umplut cu rețea imprimat 3D este la fel de ușor ca carbonul, dar mai rezistent în zonele foarte predispuse la impact. Încă credem că fibra de carbon este cea mai bună pentru multe alte utilizări în materiale, inclusiv pentru cadru, dar deja lucrăm la alte piese din titan.”

Apropo de cadre complete, producătorul de biciclete Angel Cycle Works spune că a imprimat 3D un cadru din titan într-o singură componentă ușoară, ceea ce reduce secunde cruciale din timpii de cursă și permite noi geometrii de design. Noua sa superbike, numită Heaven, este cu 400 de grame mai ușoară decât versiunea anterioară. Un alt cadru din aliaj de titan lansat de Pilot anul acesta se numește Pilot Seiren. Cadrul bicicletei de șosea este imprimat în întregime 3D din titan (împărțit în trei părți). Compania spune că imprimarea 3D a titanului îi permite să personalizeze bicicleta după preferințele ciclistului, iar cadrul nu necesită nicio vopsea sau acoperire.

Compania de biciclete Mythos oferă clienților o gamă de piese din titan imprimate 3D, inclusiv aceste ghidoane, în timp ce Verve Cycling (dreapta) oferă noi angrenaje din titan imprimate 3D.

GKN Aerospace intenționează să adauge o nouă imprimantă 3D din titan la scară largă la fabrica sa din Texas

Întrucât NASA are nevoie doar de unul, imprimarea 3D a componentelor din titan pentru brațul lunar desfășurabil are mai mult sens decât fabricația tradițională.

● Producție

Producătorul de semiconductori ASML imprimă acum 3D în loc să forjeze preforme de tăvi purtătoare din titan (utilizate în producția de napolitane), economisind 64% la materiile prime și livrându-le mai rapid. Norsk Titanium, o companie de producție aditivă metalică care utilizează o platformă de depunere direcționată de energie (DED), imprimă 80 de kilograme (aproximativ 176 de livre) de preforme cu formă aproape netă cu Ti64 pentru utilizare în producția de napolitane semiconductoare.

Suport de butuc de roată din aliaj de titan imprimat 3D, fabricat de Universitatea din Washington

△Pulbere de titan

Mai multe companii, inclusiv Virtual Foundry, oferă sârmă de titan pentru modelarea prin depunere topită (FDM) pe bază de extruder. Materialul conține pulbere metalică încorporată în PLA și poate fi imprimat folosind imprimante FDM la temperaturi de extruder de peste 205 °C. După post-procesare și sinterizare, aceste filamente pot produce piese metalice cu un conținut de metal de peste 90%, ceea ce le face potrivite pentru prototipare.

Laboratorul universitar de imprimare 3D a metalelor, Centrul Comun pentru Implementarea și Cercetarea Materialelor Abundente din Pământ din Washington, produce piese din titan

Pe scurt, dezvoltarea viitoare a titanului imprimat 3D este plină de speranță și va juca un rol mai important în multe domenii. Prin inovația tehnologică continuă și extinderea aplicațiilor, titanul imprimat 3D va aduce societății piese metalice mai convenabile, mai eficiente și mai de înaltă calitate.