Področja uporabe in razvoj 3D-tiskanja s titanovimi zlitinami

Titan je ena najpogosteje uporabljenih kovin v aditivni proizvodnji in se uporablja v vesoljski industriji, pri zamenjavi sklepov in kirurških orodjih, dirkalnih in kolesarskih okvirjih, elektroniki in drugih visokozmogljivih izdelkih. Titan in zlitine na osnovi titana cenijo različne industrije zaradi visoke mehanske trdnosti, visokega razmerja med trdnostjo in težo ter boljše odpornosti proti koroziji kot nerjaveče jeklo. Uporaba tega materiala lahko olajša rakete in letala, s čimer se prihrani gorivo in poveča nosilnost. Lahko bi ga uporabili tudi za izdelavo lažje elektronike, kot so pametni telefoni in očala za navidezno resničnost, pa tudi v medicinskih vsadkih. Poleg tega bodo prednosti še bolj očitne, če se inherentne lastnosti titana združijo z edinstvenimi zmogljivostmi 3D-tiskanja. Kakšne so torej specifične uporabe 3D-natisnjenega titana? Kateri so običajni titani? Tiskalnikje na trgu?

△3D natisnjeni titanovi deli

Kolčni sklepi podjetja GE Additive, lopatice ventilatorjev podjetja Sciaky, konice raket podjetja Arcam Darker, titanske rešetkaste komponente podjetja 3D Systems, titanski stenti podjetja EOS, kirurški hrbtenični vsadki podjetja Zenith Tecnica

3D-tiskanje Omogoča učinkovitejšo proizvodnjo titana, hkrati pa zmanjšuje količino odpadnih surovin. Kot aditivna tehnologija 3D-tiskanje kovin običajno uporablja le materiale, potrebne za izdelavo dela, skupaj z relativno majhno količino podpornega strukturnega materiala. 3D-tiskanje omogoča tudi kompleksne zasnove, kot so notranji kanali in votli ali mrežasto napolnjeni deli, za zmanjšanje teže, kar ni mogoče z nobeno drugo proizvodno metodo. Ker ni kalupov ali orodij, lahko 3D-tiskanje titana stroškovno učinkovito ustvari unikatne dele, kot so vsadki, prototipi in raziskovalna orodja, specifični za pacienta. Obstaja nešteto primerov 3D-tiskanja titana za napredek proizvodnje, zdravstva, raziskovanja vesolja in še več.

Uporaba titanove zlitine pri 3D-tiskanju

Leta 2023 je Panerai izdal Submersible S Brabus PAM01283, opremljeno s 3D-natisnjenim titanovim ohišjem. Slika na desni prikazuje, da je Holthinrichs Deconstructed izdal prvo 3D-natisnjeno titanovo uro.

3D-tiskanje s titanom se že pogosto uporablja za izdelavo tako raznolikih izdelkov, kot so medicinski pripomočki, zmogljiva kolesa, luksuzne ure in potrošniška elektronika, z upanjem, da bodo z inovativnimi, pogosto po meri izdelanimi dizajni, zagotovili lahke, a hkrati močne izdelke.

● Precizni izdelki in elektronski izdelki

3D-tiskanje omogoča izdelavo zelo tankostenskih, kompleksnih titanovih delov, ki se pogosto uporabljajo za izdelavo ohišij ur, kot sta na primer uri Panerai in Holthinrichs, prikazani zgoraj. Pravijo, da bodo ohišja ur iz titanove zlitine prav tako del prihajajoče ure Apple Watch Ultra.

△3D-natisnjen pokrovček za prestavljanje tečajev iz titanove zlitine, uporabljen v zložljivem pametnem telefonu Honor Magic V2 iz leta 2023

Leta 2023 je proizvajalec pametnih telefonov Honor predstavil svoj novi zložljivi Magic V2, ki ima 3D-natisnjen titanov pokrov prestavne ročice na tečajih, ki je lažji in 150 % močnejši od prejšnje aluminijaste različice. Honor je dejal, da je ta majhen titanov kos, ki ga je mogoče 3D-natisniti v več deset tisoč izvodih, ključ do vzdržljivosti izdelka ter gladkega zlaganja in razstavljanja.

● Medicinski in zobni vsadki

△Ameriška agencija za hrano in zdravila (FDA) je leta 2021 odobrila 3D-natisnjeni titanov vsadek Construx Mimi Ti Spacer System podjetja American Orthofix Medical.

V medicinski industriji so bili 3D-natisnjeni titanovi vsadki uspešni pri uporabi v hrbtenici, kolkih, kolenih in okončinah zaradi inherentne biokompatibilnosti kovine in dobrih mehanskih lastnosti, skupaj z možnostjo 3D-tiskanja po meri izdelanih poroznih struktur (kar omogoča oseointegracijo) in množične prilagoditve za boljše rezultate pri bolnikih. 3D-natisnjeni titanovi vsadki pridobivajo regulativno odobritev in povpraševanje. Ker je večina medicinskih vsadkov izdelanih za veliko število ljudi z isto boleznijo, niso primerni za vsakogar. Ljudje z redkimi boleznimi so pogosto izključeni. Zdaj je s 3D-tiskanjem mogoče izdelati vsadke, posebej zasnovane za posamezne bolnike.

Leta 2023 je kirurg v Združenem kraljestvu na isti dan opravil štiri operacije zapestja, pri čemer je uporabil pacientu specifične titanove ploščice, natisnjene s 3D-natisnitvijo, za korekcijo predhodno zlomljenih deformacij zapestja. Dr. Akshay Malhotra, ortopedski kirurg in klinični vodja za roke in zapestja, je povedal: »Ko je ta postopek načrtovanja končan, se ploščice po meri natisnejo s titanovim prahom, nato se testirajo, pošljejo v Združeno kraljestvo in sterilizirajo v okrajni bolnišnici v pripravi na operacijo.«

△CoreLinkovi 3D-natisnjeni titanovi vijaki imajo porozno strukturo, ki spodbuja rast kosti, in novi pacientu specifični titanovi prstni sklepi konzorcija FingerKit

Zdravniki v bolnišnici Manipal v Indiji so leta 2022 pri zdravljenju bolnika z rakom, čigar tumor je uničeval prsni koš, uporabili 3D-natisnjen titan. Na splošno bi bili vsadki te velikosti za človeško telo pretežki, ker pa je titan lahek in zelo trden, saj tehta manj kot 250 gramov, je idealen za tiskanje vsadkov v telesu. Zahvaljujoč uspehu 3D-natisnjenega vsadka si je bolnik popolnoma opomogel in se lahko vrnil v normalno življenje, ne da bi se zanašal na zunanje naprave, ki bi mu pomagale pri dihanju.

△S 3D-tiskanjem titana je podjetje Angel Cycle Works uspelo znatno zmanjšati težo in optimizirati zasnovo novega kolesa Heaven

3D-natisnjen titan je pogost pri današnjih športnih kolesih. Titan se uporablja v gonilkah, zavornih ročicah, nosilcih prestav, nosilcih menjalnikov in celo v polnih okvirjih. Titan je tako močan kot aluminij in lahek kot ogljikova vlakna, brez težav s trajnostjo ogljikovih vlaken. Proizvajalec koles Carbon Wasp pojasnjuje, zakaj se je odpovedal aluminiju in ogljikovim vlaknom v korist uporabe 3D-natisnjenega titana za izdelavo svojih najnovejših gonilk za nadomestni trg. Carbon Wasp je dejal: »Izmislili smo si vse vrste kreativnih načinov za pritrditev gonilke na gred menjalnika, ne da bi stisnili ogljikova vlakna, vendar so bili vedno potrebni nekateri kovinski vložki, lepljenje vložkov na ogljikova vlakna pa bi imelo težave. Na neskončna vprašanja. Po nekaj prototipov je Carbon Wasp ugotovil, da je 3D-natisnjena titanova gonilka, napolnjena z mrežo, prav tako lahka kot karbon, vendar močnejša na območjih, ki so zelo nagnjena k udarcem. Še vedno menimo, da so ogljikova vlakna najboljša za številne druge uporabe, vključno z okvirjem, vendar že delamo na drugih titanovih delih.«

Ko govorimo o polnih okvirjih, proizvajalec koles Angel Cycle Works pravi, da so s 3D-tiskalnikom natisnili okvir iz titana v eni lahki komponenti, kar skrajša čas dirke za ključne sekunde in omogoči nove geometrije zasnove. Njihov novi superkolo, imenovan Heaven, je 400 gramov lažji od prejšnje različice. Drug okvir iz titanove zlitine, ki ga je Pilot predstavil letos, se imenuje Pilot Seiren. Okvir cestnega kolesa je v celoti natisnjen iz titana (razdeljen na tri dele). Podjetje pravi, da jim 3D-tiskanje titana omogoča, da kolo prilagodijo željam kolesarja, okvir pa ne potrebuje nobene barve ali premaza.

△Kolesarsko podjetje Mythos ponuja strankam vrsto 3D-natisnjenih titanovih delov, vključno s tem krmilom, medtem ko Verve Cycling (desno) ponuja nove 3D-natisnjene titanove gonilke.

△GKN Aerospace načrtuje, da bo v svojo tovarno v Teksasu dodal nov obsežni 3D-tiskalnik iz titana

△Ker NASA potrebuje le eno, je 3D-tiskanje titanovih komponent za lunino razstavljivo roko bolj smiselno kot tradicionalna proizvodnja.

● Proizvodnja

Proizvajalec polprevodnikov ASML zdaj namesto kovanja uporablja 3D-tiskanje predoblik iz titana (ki se uporabljajo pri proizvodnji rezin), s čimer prihrani 64 % surovin in jih hitreje dobavlja. Norsk Titanium, podjetje za aditivno proizvodnjo kovin, ki uporablja platformo za usmerjeno nanašanje energije (DED), tiska 80 kilogramov (približno 176 funtov) predoblik skoraj neto oblike s Ti64 za uporabo v proizvodnji polprevodniških rezin.

△3D-natisnjen nosilec pesta kolesa iz titanove zlitine, ki ga je izdelala Univerza v Washingtonu

△Titanov prah

Več podjetij, vključno z Virtual Foundry, ponuja titanovo žico za modeliranje z nanosom taljenega materiala (FDM) na osnovi ekstruderja. Material vsebuje kovinski prah, vdelan v PLA, in ga je mogoče tiskati s FDM tiskalniki pri temperaturah ekstruderja nad 205 °C. Po naknadni obdelavi in ​​sintranju lahko ti filamenti proizvedejo kovinske dele z vsebnostjo kovine več kot 90 %, zaradi česar so primerni za izdelavo prototipov.

△Univerzitetni laboratorij za 3D-tiskanje kovin, Washingtonski skupni center za uporabo in raziskave bogatih materialov na Zemlji, izdeluje dele iz titana

Skratka, prihodnji razvoj 3D-tiskanega titana je poln upanja in bo imel večjo vlogo na številnih področjih. Z nenehnimi tehnološkimi inovacijami in širjenjem uporabe bo 3D-tiskani titan družbi prinesel bolj priročne, učinkovite in visokokakovostne kovinske dele.