Oblasti použitia a vývoj 3D tlače z titánových zliatin

Titán je jedným z najčastejšie používaných kovov v aditívnej výrobe a používa sa v leteckom priemysle, pri výmene kĺbov a chirurgických nástrojoch, v závodných a bicyklových rámoch, elektronike a iných vysokovýkonných produktoch. Titán a zliatiny na báze titánu sú cenené v rôznych odvetviach pre ich vysokú mechanickú pevnosť, vysoký pomer pevnosti k hmotnosti a lepšiu odolnosť proti korózii ako nehrdzavejúca oceľ. Použitie tohto materiálu môže znížiť ľahšie rakety a lietadlá, čím sa šetrí palivo a zvyšuje užitočné zaťaženie. Mohol by sa tiež použiť na výrobu ľahšej elektroniky, ako sú smartfóny a VR okuliare, ako aj v lekárskych implantátoch. Navyše, keď sa inherentné vlastnosti titánu spoja s jedinečnými možnosťami 3D tlače, výhody budú ešte zreteľnejšie. Aké je teda konkrétne využitie 3D tlačeného titánu? Aké sú bežné druhy titánu? Tlačiareňje na trhu?

△3D tlačené titánové diely

Bedrové kĺby od GE Additive, lopatky ventilátorov od Sciaky, hroty rakiet od Arcam Darker, titánové mriežkové komponenty od 3D Systems, titánové stenty od EOS, chirurgické spinálne implantáty od Zenith Tecnica

3D tlač Umožňuje efektívnejšiu výrobu titánu a zároveň znižuje množstvo odpadu zo surovín. Ako aditívna technológia, 3D tlač kovov zvyčajne používa iba materiály potrebné na výrobu dielu spolu s relatívne malým množstvom podporného konštrukčného materiálu. 3D tlač tiež umožňuje zložité návrhy, ako sú vnútorné kanály a duté alebo mriežkovo vyplnené diely, na zníženie hmotnosti, čo nie je možné dosiahnuť žiadnou inou výrobnou metódou. Keďže neexistujú žiadne formy ani nástroje, 3D tlač titánu dokáže nákladovo efektívne vytvárať jedinečné diely, ako sú implantáty špecifické pre pacienta, prototypy a výskumné nástroje. Existuje nespočetné množstvo príkladov 3D tlače titánu na podporu výroby, zdravotnej starostlivosti, prieskumu vesmíru a ďalších oblastí.

Použitie titánovej zliatiny v 3D tlači

V roku 2023 spoločnosť Panerai uviedla na trh model Submersible S Brabus PAM01283 s titánovým puzdrom vytlačeným 3D tlačou. Obrázok vpravo ukazuje, že spoločnosť Holthinrichs Deconstructed uviedla na trh prvé titánové hodinky vytlačené 3D tlačou.

3D tlač titánu sa už široko používa na výrobu tak rôznorodých produktov, ako sú zdravotnícke pomôcky, výkonné bicykle, luxusné hodinky a spotrebná elektronika, s nádejou, že prostredníctvom inovatívnych, často zákazkových dizajnov bude možné dodávať ľahké, no zároveň pevné produkty.

● Presné výrobky a elektronické výrobky

3D tlač dokáže vyrobiť veľmi tenkostenné, zložité titánové diely, ktoré sa často používajú na výrobu puzdier hodiniek, ako sú napríklad hodinky Panerai a Holthinrichs zobrazené vyššie. Hovorí sa, že puzdrá hodiniek z titánovej zliatiny budú tiež pripravovanou súčasťou Apple Watch Ultra.

△Kryt pántu posuvného mechanizmu z titánovej zliatiny vytlačený 3D tlačou, použitý v skladacom smartfóne Honor Magic V2 z roku 2023

V roku 2023 výrobca smartfónov Honor uviedol na trh svoj nový skladací Magic V2, ktorý je vybavený 3D tlačeným titánovým krytom radiacej páky, ktorý je ľahší a o 150 % pevnejší ako predchádzajúca hliníková verzia. Honor uviedol, že tento malý titánový kúsok, ktorý sa dá 3D tlačiť v desiatkach tisíc kusov, je kľúčom k odolnosti produktu a plynulému skladaniu a rozkladaniu.

● Lekárske a zubné implantáty

△Titánový implantát Construx Mimi Ti Spacer System od spoločnosti American Orthofix Medical, vytlačený 3D tlačou, bol schválený americkým Úradom pre kontrolu potravín a liečiv (FDA) v roku 2021.

V medicínskom priemysle sú 3D tlačené titánové implantáty úspešné v oblasti chrbtice, bedrových kĺbov, kolien a končatín vďaka inherentnej biokompatibilite a dobrým mechanickým vlastnostiam kovu, spolu s možnosťou 3D tlače vlastných pórovitých štruktúr (čím sa umožňuje osseointegrácia) a hromadného prispôsobenia pre lepšie výsledky u pacientov. 3D tlačené titánové implantáty získavajú regulačné schválenie a dopyt. Keďže väčšina lekárskych implantátov je vyrobená tak, aby pokryla veľký počet ľudí s rovnakým ochorením, nie sú vhodné pre každého. Ľudia so zriedkavými chorobami sú často vylúčení. Teraz je vďaka 3D tlači možné vyrábať implantáty špeciálne navrhnuté pre jednotlivých pacientov.

V roku 2023 chirurg v Spojenom kráľovstve vykonal v ten istý deň štyri operácie zápästia, pričom na korekciu predtým zlomených deformácií zápästia použil 3D tlačené titánové platničky špecifické pre pacienta. Dr. Akshay Malhotra, konzultant ortopedický chirurg a klinický vedúci pre ruky a zápästia, povedal: „Po dokončení tohto plánovacieho procesu sa platničky na mieru vytlačia pomocou titánového prášku, potom sa otestujú, odošlú do Spojeného kráľovstva a sterilizujú v okresnej nemocnici v rámci prípravy na operáciu.“

△3D tlačené titánové skrutky od spoločnosti CoreLink majú poréznu štruktúru, ktorá podporuje rast kostí, a nové titánové kĺby prstov od konzorcia FingerKit Consortium špecifické pre pacienta

Lekári v nemocnici Manipal v Indii použili titán vytlačený 3D tlačou pri liečbe pacienta s rakovinou, ktorému nádor ničil hrudník v roku 2022. Vo všeobecnosti by implantáty tejto veľkosti boli pre ľudské telo príliš ťažké, ale keďže titán je ľahký a veľmi pevný, váži menej ako 250 gramov, je ideálny na tlač implantátov vo vnútri tela. Vďaka úspechu 3D tlačeného implantátu sa pacient úplne zotavil a mohol sa vrátiť k bežnému životu bez toho, aby sa spoliehal na externé prístroje, ktoré by mu pomáhali dýchať.

△Vďaka 3D tlači titánu dokázala spoločnosť Angel Cycle Works výrazne znížiť hmotnosť a optimalizovať dizajn nového bicykla Heaven.

3D tlačený titán je bežný v dnešných výkonnostných bicykloch. Titán sa používa v kľukách, brzdových páčkách, predstavcoch, prehadzovačkách a dokonca aj v plných rámoch. Titán je rovnako pevný ako hliník a ľahký ako uhlíkové vlákno, bez problémov s udržateľnosťou uhlíkových vlákien. Výrobca bicyklov Carbon Wasp vysvetľuje, prečo sa vzdáva hliníka a uhlíkových vlákien v prospech použitia 3D tlačeného titánu na výrobu svojich najnovších kľukových ramien s náhradnými dielmi. Carbon Wasp povedal: „Prišli sme so všetkými možnými kreatívnymi spôsobmi, ako upnúť kľuku k hriadeľu prevodovky bez toho, aby sa uhlíkové vlákno stlačilo, ale vždy boli potrebné nejaké kovové vložky a lepenie vložiek na uhlíkové vlákno by spôsobilo problémy. K nekonečným otázkam. Po nejakom prototypovaní Carbon Wasp zistil, že 3D tlačená titánová kľuka s mriežkovou výplňou je rovnako ľahká ako uhlíková, ale pevnejšia v oblastiach veľmi náchylných na nárazy. Stále si myslíme, že uhlíkové vlákno je najlepšie na mnoho iných použití, vrátane materiálov vrátane rámu, ale už pracujeme na iných titánových dieloch.“

Keď už hovoríme o celorámových bicykloch, výrobca bicyklov Angel Cycle Works uvádza, že vytlačil celotitánový rám z jedného ľahkého komponentu pomocou 3D tlače, čo skracuje časy pretekov o kľúčové sekundy a umožňuje nové konštrukčné geometrie. Jeho nový superbike s názvom Heaven je o 400 gramov ľahší ako predchádzajúca verzia. Ďalší celotitánový rám, ktorý tento rok uviedla na trh spoločnosť Pilot, sa volá Pilot Seiren. Rám cestného bicykla je kompletne vytlačený z titánu (rozdelený na tri časti). Spoločnosť tvrdí, že 3D tlač titánu umožňuje prispôsobiť bicykel preferenciám jazdca a rám nevyžaduje žiadny náter ani povrchovú úpravu.

△Cyklistická spoločnosť Mythos ponúka zákazníkom rad titánových dielov vytlačených 3D tlačou vrátane týchto riadidiel, zatiaľ čo Verve Cycling (vpravo) ponúka nové titánové kľuky vytlačené 3D tlačou.

Spoločnosť GKN Aerospace plánuje pridať do svojej továrne v Texase novú veľkoformátovú 3D tlačiareň z titánu

△Keďže NASA potrebuje iba jeden, 3D tlač titánových komponentov pre lunárne rozložiteľné rameno má väčší zmysel ako tradičná výroba.

● Výroba

Výrobca polovodičov ASML teraz používa 3D tlač namiesto kovania titánových nosných misiek (používaných pri výrobe doštičiek), čím šetrí 64 % surovín a dodáva ich rýchlejšie. Norsk Titanium, spoločnosť zaoberajúca sa aditívnou výrobou kovov s využitím platformy s riadenou depozíciou energie (DED), tlačí 80 kilogramov (približne 176 libier) predliskov takmer čistého tvaru s Ti64 na použitie pri výrobe polovodičových doštičiek.

△3D tlačená konzola náboja kolesa z titánovej zliatiny vyrobená Washingtonskou univerzitou

△Titánový prášok

Niekoľko spoločností vrátane Virtual Foundry ponúka titánový drôt na modelovanie tavenou depozíciou (FDM) na báze extrudéra. Materiál obsahuje kovový prášok zabudovaný do PLA a je možné ho tlačiť pomocou FDM tlačiarní pri teplotách extrudéra nad 205 °C. Po následnom spracovaní a spekaní môžu tieto vlákna produkovať kovové diely s obsahom kovu viac ako 90 %, vďaka čomu sú vhodné na výrobu prototypov.

△Univerzitné laboratórium 3D tlače kovov, Washingtonské spoločné centrum pre nasadenie a výskum bohatých materiálov na Zemi, vyrába diely z titánu

Stručne povedané, budúci vývoj 3D tlačeného titánu je plný nádeje a bude hrať väčšiu úlohu v mnohých oblastiach. Vďaka neustálej technologickej inovácii a rozširovaniu aplikácií prinesie 3D tlačený titán spoločnosti pohodlnejšie, efektívnejšie a kvalitnejšie kovové súčiastky.