Användningsområden och utveckling av 3D-utskrift av titanlegeringar

Titan är en av de vanligaste metallerna inom additiv tillverkning och används inom flyg- och rymdteknik, ledplastik och kirurgiska verktyg, racing- och cykelramar, elektronik och andra högpresterande produkter. Titan och titanbaserade legeringar värderas av olika industrier för sin höga mekaniska hållfasthet, höga hållfasthets-/viktförhållande och bättre korrosionsbeständighet än rostfritt stål. Användningen av detta material kan göra raketer och flygplan lättare, vilket sparar bränsle och ökar nyttolasten. Det skulle också kunna användas för att tillverka lättare elektronik som smartphones och VR-glasögon, samt i medicinska implantat. Dessutom, när titans inneboende egenskaper kombineras med de unika egenskaperna hos 3D-utskrift, blir fördelarna ännu mer uppenbara. Så, vilka är de specifika användningsområdena för 3D-utskrivet titan? Vilka är de vanligaste titan... Skrivares på marknaden?

△3D-printade titandelar

Höftleder från GE Additive, fläktblad från Sciaky, raketspetsar från Arcam Darker, titangitterkomponenter från 3D Systems, titanstentar från EOS, kirurgiska ryggradsimplantat från Zenith Tecnica

3D-utskrift möjliggör effektivare tillverkning av titan samtidigt som råmaterialspill minskas. Som en additiv teknik använder 3D-utskrift av metall vanligtvis endast de material som behövs för att bygga delen, tillsammans med en relativt liten mängd stödstrukturmaterial. 3D-utskrift möjliggör också komplexa konstruktioner, såsom interna kanaler och ihåliga eller gitterfyllda delar för att minska vikten, vilket inte är möjligt med någon annan tillverkningsmetod. Eftersom det inte finns några formar eller verktyg kan 3D-utskrift av titan kostnadseffektivt skapa unika delar såsom patientspecifika implantat, prototyper och forskningsverktyg. Det finns otaliga exempel på 3D-utskrift av titan för att främja tillverkning, sjukvård, rymdutforskning och mer.

Användningsområden för 3D-utskrift av titanlegering

△År 2023 släppte Panerai Submersible S Brabus PAM01283 utrustad med ett 3D-printat titanboett. Bilden till höger visar att Holthinrichs Deconstructed lanserade den första 3D-printade titanklockan.

Titan 3D-printing används redan i stor utsträckning för att producera produkter så skilda som medicintekniska produkter, prestandacyklar, lyxklockor och konsumentelektronik, med förhoppningen att leverera lätta men starka produkter genom innovativa, ofta specialanpassade designer.

● Precisionsprodukter och elektroniska produkter

3D-utskrift kan producera mycket tunnväggiga, komplexa titandiel, vilka ofta används för att tillverka klockboetter, som till exempel Panerai- och Holthinrichs-klockorna som visas ovan. Det sägs att klockboetter i titanlegering också kommer att bli en kommande del av Apple Watch Ultra.

△3D-printat gångjärnsskydd i titanlegering som används i den hopfällbara smarttelefonen Honor Magic V2 från 2023

År 2023 lanserade smarttelefontillverkaren Honor sin nya vikbara Magic V2, som har ett 3D-printat titanskydd med gångjärn som är lättare och 150 % starkare än den tidigare aluminiumversionen. Honor sa att denna lilla titanbit, som kan 3D-printas i tiotusentals exemplar, är nyckeln till produktens hållbarhet och smidiga i- och utfällning.

● Medicinska och dentala implantat

△American Orthofix Medicals 3D-printade titanimplantat Construx Mimi Ti Spacer System godkändes av amerikanska FDA år 2021.

Inom medicinindustrin har 3D-printade titanimplantat varit framgångsrika inom ryggraden, höfterna, knäna och extremiteterna tack vare metallens inneboende biokompatibilitet och goda mekaniska egenskaper, i kombination med möjligheten att 3D-printa anpassade porösa strukturer (vilket möjliggör osseointegration) och massanpassning för bättre patientresultat. 3D-printade titanimplantat får alltmer myndighetsgodkännande och efterfrågan. Eftersom de flesta medicinska implantat är tillverkade för att täcka ett stort antal personer med samma tillstånd är de inte lämpliga för alla. Personer med sällsynta sjukdomar utesluts ofta. Nu, med 3D-printing, är det möjligt att producera implantat som är specifikt utformade för enskilda patienter.

År 2023 utförde en kirurg i Storbritannien fyra handledsoperationer samma dag med patientspecifika 3D-printade titanplattor för att korrigera tidigare frakturerade handledsdeformiteter. Dr Akshay Malhotra, konsultortopedkirurg och klinisk ansvarig för händer och handleder, sa: "När denna planeringsprocess är klar trycks skräddarsydda plattor med titanpulver, testas sedan, skickas till Storbritannien och steriliseras på County Hospital som förberedelse inför operationen."

△CoreLinks 3D-printade titanskruvar har en porös struktur som främjar bentillväxt, och FingerKit Consortiums nya patientspecifika titanfingerleder

Läkare på Manipal Hospital i Indien använde 3D-printad titan när de behandlade en cancerpatient vars tumör förstörde hans bröstkorg år 2022. Generellt sett skulle implantat av denna storlek vara för tunga för människokroppen att bära, men eftersom titan är lätt och mycket starkt och väger mindre än 250 gram, är det idealiskt för att printa implantat inuti kroppen. Tack vare det 3D-printade implantatets framgång återhämtade sig patienten helt och kunde återgå till sitt normala liv utan att förlita sig på externa maskiner för att hjälpa honom att andas.

△Genom 3D-utskrift av titan kunde Angel Cycle Works minska vikten avsevärt och optimera designen på den nya Heaven-cykeln.

3D-printad titan är vanligt i dagens prestandacyklar. Titan används i vevarmar, bromshandtag, styrstammar, växelhängare och till och med helramar. Titan är lika starkt som aluminium och lika lätt som kolfiber, utan hållbarhetsproblemen med kolfiber. Cykeltillverkaren Carbon Wasp förklarar varför de överger aluminium och kolfiber till förmån för att använda 3D-printad titan för att bygga sina senaste eftermarknadsvevarmar. Carbon Wasp sa: ”Vi kom på alla möjliga kreativa sätt att klämma fast vevarmen på växellådans axel utan att klämma kolfibern, men det krävdes alltid några metallinsatser, och att limma insatserna på kolfibern skulle innebära problem. Till de oändliga frågorna. Efter lite prototypframtagning fann Carbon Wasp att en 3D-printad gitterfylld titanvevarm är lika lätt som kolfiber men starkare i mycket stötutsatta områden. Vi tror fortfarande att kolfiber är bäst för många andra användningsområden. material, inklusive ramen, men vi arbetar redan med andra titandelar.”

På tal om helramar säger cykeltillverkaren Angel Cycle Works att de 3D-printat en helt i titanram i en lättviktskomponent, vilket minskar avgörande sekunder av tävlingstider och möjliggör nya designgeometrier. Deras nya superbike, kallad Heaven, är 400 gram lättare än den tidigare versionen. En annan ram helt i titanlegering som lanseras av Pilot i år heter Pilot Seiren. Landsvägscykelns ram är helt 3D-printad från titan (uppdelad i tre delar). Företaget säger att 3D-printning av titan gör det möjligt att anpassa cykeln efter förarens önskemål, och ramen kräver ingen färg eller ytbehandling.

△Cykelföretaget Mythos erbjuder kunderna ett utbud av 3D-printade titandelar, inklusive dessa styren, medan Verve Cycling (höger) erbjuder nya 3D-printade titanvevarmar.

△GKN Aerospace planerar att lägga till en ny storskalig titan 3D-skrivare till sin fabrik i Texas

△Eftersom NASA bara behöver en, är det mer meningsfullt att 3D-printa titankomponenter till den utfällbara månarmen än traditionell tillverkning.

● Tillverkning

Halvledartillverkaren ASML 3D-printar nu istället för att smida titanbärtrågspreformar (används i waferproduktion), vilket sparar 64 % råmaterial och levererar dem snabbare. Norsk Titanium, ett företag inom additiv tillverkning av metaller som använder en plattform för riktad energideponering (DED), printar 80 kilogram (cirka 176 pund) nästan färdigformspreformar med Ti64 för användning i halvledarwaferproduktion.

△3D-printad hjulnavfäste i titanlegering tillverkad av University of Washington

△Titanpulver

Flera företag, inklusive Virtual Foundry, erbjuder titantråd för extruderbaserad fused deposition modeling (FDM). Materialet innehåller metallpulver inbäddat i PLA och kan skrivas ut med FDM-skrivare vid extrudertemperaturer över 205 °C. Efter efterbehandling och sintring kan dessa filament producera metalldelar med ett metallinnehåll på över 90 %, vilket gör dem lämpliga för prototypframställning.

△Universitetslaboratorium för metallutskrift vid Washington Joint Center for Earth Abundant Materials Deployment and Research, tillverkar delar av titan

Kort sagt, den framtida utvecklingen av 3D-printad titan är full av hopp och kommer att spela en större roll inom många områden. Genom kontinuerlig teknisk innovation och utökad applikation kommer 3D-printad titan att ge samhället mer praktiska, effektiva och högkvalitativa metalldelar.