Titanyum alaşımlı 3D baskının uygulama alanları ve gelişimi

Titanyum, eklemeli imalatta en yaygın kullanılan metallerden biridir ve havacılık, eklem protezi ve cerrahi aletler, yarış ve bisiklet çerçeveleri, elektronik ve diğer yüksek performanslı ürünlerde kullanılır. Titanyum ve titanyum bazlı alaşımlar, yüksek mekanik dayanımları, yüksek mukavemet-ağırlık oranları ve paslanmaz çeliğe göre daha iyi korozyon dirençleri nedeniyle çeşitli endüstriler tarafından değerlidir. Bu malzemenin kullanımı, roketleri ve uçakları daha hafif hale getirerek yakıt tasarrufu sağlar ve yük taşıma kapasitesini artırır. Ayrıca akıllı telefonlar ve VR gözlükleri gibi daha hafif elektronik cihazların yanı sıra tıbbi implantlarda da kullanılabilir. Dahası, titanyumun doğal özellikleri 3D baskının benzersiz yetenekleriyle birleştiğinde, avantajlar daha da belirgin hale gelir. Peki, 3D baskılı titanyumun özel kullanım alanları nelerdir? Yaygın titanyum kullanım alanları nelerdir? YazıcıPiyasada neler var?

△3D yazıcıda üretilen titanyum parçalar

GE Additive'den kalça eklemleri, Sciaky'den fan kanatları, Arcam Darker'dan roket uçları, 3D Systems'den titanyum kafes bileşenleri, EOS'tan titanyum stentler, Zenith Tecnica'dan cerrahi omurga implantları.

3 boyutlu baskı Titanyumun daha verimli üretilmesini sağlarken hammadde israfını da azaltır. Katmanlı bir teknoloji olan metal 3D baskı, genellikle parçayı oluşturmak için gereken malzemeleri ve nispeten az miktarda destekleyici yapısal malzemeyi kullanır. 3D baskı ayrıca, ağırlığı azaltmak için iç kanallar ve içi boş veya kafes dolgulu parçalar gibi diğer üretim yöntemleriyle mümkün olmayan karmaşık tasarımlara da olanak tanır. Kalıp veya alet gerektirmediği için, titanyum 3D baskı, hastaya özel implantlar, prototipler ve araştırma araçları gibi benzersiz parçaları uygun maliyetle üretebilir. Üretim, sağlık hizmetleri, uzay araştırmaları ve daha birçok alanda titanyumun 3D baskı ile geliştirilmesine dair sayısız örnek bulunmaktadır.

3D baskıda titanyum alaşımının kullanımı

△2023 yılında Panerai, 3D baskı yöntemiyle üretilmiş titanyum kasaya sahip Submersible S Brabus PAM01283 modelini piyasaya sürdü. Sağdaki resim, Holthinrichs Deconstructed'ın ilk 3D baskı yöntemiyle üretilmiş titanyum saati piyasaya sürdüğünü gösteriyor.

Titanyum 3D baskı, halihazırda tıbbi cihazlardan performans bisikletlerine, lüks saatlerden tüketici elektroniğine kadar çok çeşitli ürünlerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır ve bu sayede yenilikçi, genellikle özel tasarımlar aracılığıyla hafif ancak güçlü ürünler sunulması hedeflenmektedir.

● Hassas ürünler ve elektronik ürünler

3D baskı teknolojisi, genellikle yukarıda gösterilen Panerai ve Holthinrichs saatleri gibi saat kasalarının yapımında kullanılan çok ince duvarlı, karmaşık titanyum parçalar üretebiliyor. Titanyum alaşımlı saat kasalarının, Apple Watch Ultra'nın da yakında piyasaya sürülecek bir parçası olacağı söyleniyor.

△2023 Honor Magic V2 katlanabilir akıllı telefonda kullanılan 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş titanyum alaşımlı menteşe kapağı

2023 yılında akıllı telefon üreticisi Honor, önceki alüminyum versiyona göre daha hafif ve %150 daha güçlü olan 3D baskılı titanyum menteşeli kaydırma kapağına sahip yeni katlanabilir Magic V2'yi piyasaya sürdü. Honor, on binlerce adet 3D baskı ile üretilebilen bu küçük titanyum parçanın, ürünün dayanıklılığının ve sorunsuz katlanıp açılmasının anahtarı olduğunu belirtti.

● Tıbbi ve diş implantları

△American Orthofix Medical'in 3 boyutlu yazıcıyla üretilen titanyum implantı Construx Mimi Ti Spacer System, 2021 yılında ABD Gıda ve İlaç İdaresi (FDA) tarafından onaylandı.

Tıp sektöründe, 3 boyutlu yazıcıyla üretilen titanyum implantlar, metalin doğal biyouyumluluğu ve iyi mekanik özelliklerinin yanı sıra, özel gözenekli yapıların 3 boyutlu yazıcıyla basılabilmesi (böylece kemik entegrasyonunu mümkün kılıyor) ve daha iyi hasta sonuçları için kitlesel kişiselleştirme yeteneği sayesinde omurga, kalça, diz ve ekstremite uygulamalarında başarılı olmuştur. 3 boyutlu yazıcıyla üretilen titanyum implantlar, düzenleyici onay ve talep kazanmaktadır. Çoğu tıbbi implant, aynı rahatsızlığa sahip çok sayıda insanı kapsayacak şekilde üretildiğinden, herkes için uygun değildir. Nadir hastalıkları olan kişiler genellikle kapsam dışındadır. Şimdi, 3 boyutlu yazıcıyla, bireysel hastalar için özel olarak tasarlanmış implantlar üretmek mümkün hale gelmiştir.

2023 yılında, İngiltere'de bir cerrah, daha önce kırılmış bilek deformitelerini düzeltmek için hastaya özel 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş titanyum plakalar kullanarak aynı gün dört bilek ameliyatı gerçekleştirdi. Ortopedi cerrahı ve el ve bilek klinik sorumlusu Dr. Akshay Malhotra şunları söyledi: "Bu planlama süreci tamamlandıktan sonra, kişiye özel plakalar titanyum tozu kullanılarak basılıyor, ardından test ediliyor, İngiltere'ye gönderiliyor ve ameliyata hazırlık olarak İl Hastanesi'nde sterilize ediliyor."

△CoreLink'in 3 boyutlu yazıcıyla üretilen titanyum vidaları, kemik büyümesini destekleyen gözenekli bir yapıya sahipken, FingerKit Konsorsiyumu'nun yeni hastaya özel titanyum parmak eklemleri de bu alanda öne çıkıyor.

Hindistan'daki Manipal Hastanesi'ndeki doktorlar, 2022 yılında göğsünü tahrip eden bir kanser hastasını tedavi ederken 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş titanyum kullandılar. Genel olarak, bu büyüklükteki implantlar insan vücudu için çok ağır olurdu, ancak titanyum hafif ve son derece güçlü olduğu için (250 gramdan daha az ağırlığında), vücut içine implant basmak için idealdir. 3 boyutlu yazıcıyla üretilen implantın başarısı sayesinde hasta tamamen iyileşti ve nefes almasına yardımcı olacak harici cihazlara ihtiyaç duymadan normal hayatına dönebildi.

△Angel Cycle Works, titanyum 3D baskı teknolojisi sayesinde yeni Heaven bisikletinin ağırlığını önemli ölçüde azaltmayı ve tasarımını optimize etmeyi başardı.

3D baskı yöntemiyle üretilen titanyum, günümüzün performans bisikletlerinde yaygın olarak kullanılıyor. Titanyum, kranklarda, fren kollarında, gidon boğazlarında, vites değiştirici askılarında ve hatta komple kadrolarda kullanılıyor. Titanyum, alüminyum kadar güçlü ve karbon fiber kadar hafiftir, ancak karbon fiberin sürdürülebilirlik sorunlarına sahip değildir. Bisiklet üreticisi Carbon Wasp, en yeni satış sonrası krank kollarını üretmek için alüminyum ve karbon fiber yerine 3D baskı yöntemiyle üretilen titanyumu tercih etmesinin nedenini şöyle açıklıyor: “Karbon fiberi sıkıştırmadan krankı vites kutusu miline sabitlemenin her türlü yaratıcı yolunu bulduk, ancak her zaman bazı metal parçalar gerekiyordu ve bu parçaları karbon fibere yapıştırmak sorunlara yol açacaktı. Bu sonsuz sorulara cevap olarak, bazı prototipleme çalışmalarından sonra Carbon Wasp, 3D baskı yöntemiyle üretilen kafes dolgulu titanyum krankın karbon kadar hafif ancak darbelere çok yatkın bölgelerde daha güçlü olduğunu keşfetti. Birçok başka kullanım için, örneğin kadro için, karbon fiberin en iyi malzeme olduğunu düşünüyoruz, ancak diğer titanyum parçalar üzerinde de çalışıyoruz.”

Tam çerçevelerden bahsetmişken, bisiklet üreticisi Angel Cycle Works, tüm titanyum çerçeveyi tek bir hafif bileşen halinde 3D yazıcıyla ürettiğini ve bunun yarış sürelerinden önemli saniyeler kazandırdığını ve yeni tasarım geometrilerine olanak sağladığını söylüyor. Heaven adı verilen yeni süper bisikleti, önceki versiyona göre 400 gram daha hafif. Pilot'un bu yıl piyasaya sürdüğü bir diğer tamamen titanyum alaşımlı çerçeve ise Pilot Seiren olarak adlandırılıyor. Yol bisikletinin çerçevesi tamamen titanyumdan (üç parçaya bölünmüş) 3D yazıcıyla üretiliyor. Şirket, titanyumun 3D yazıcıyla üretilmesinin, bisikleti sürücünün tercihine göre özelleştirmeye olanak sağladığını ve çerçevenin herhangi bir boya veya kaplama gerektirmediğini belirtiyor.

△Bisiklet şirketi Mythos, müşterilerine bu gidonlar da dahil olmak üzere çeşitli 3D baskılı titanyum parçalar sunarken, Verve Cycling (sağda) yeni 3D baskılı titanyum kranklar sunuyor.

△GKN Aerospace, Teksas'taki fabrikasına yeni bir büyük ölçekli titanyum 3D yazıcı eklemeyi planlıyor.

△NASA'nın yalnızca bir tanesine ihtiyacı olduğundan, Ay'a konuşlandırılabilir kol için titanyum bileşenlerin 3D yazıcıyla üretilmesi, geleneksel üretim yöntemlerine göre daha mantıklı.

● Üretim

Yarı iletken üreticisi ASML, artık titanyum taşıyıcı tepsi ön kalıplarını (yonga üretiminde kullanılan) dövme yerine 3D baskı yöntemiyle üretiyor; bu sayede hammadde maliyetlerinden %64 tasarruf sağlıyor ve teslimat sürelerini hızlandırıyor. Yönlendirilmiş enerji biriktirme (DED) platformu kullanan metal katkılı üretim şirketi Norsk Titanium ise, yarı iletken yonga üretiminde kullanılmak üzere Ti64 ile 80 kilogram (yaklaşık 176 pound) neredeyse nihai şekle sahip ön kalıp basıyor.

△Washington Üniversitesi tarafından üretilen 3 boyutlu yazıcıyla basılmış titanyum alaşımlı jant göbeği braketi

△Titanyum tozu

Virtual Foundry de dahil olmak üzere birçok şirket, ekstrüder tabanlı eriyik biriktirme modelleme (FDM) için titanyum tel sunmaktadır. Bu malzeme, PLA içine gömülü metal tozu içerir ve 205 °C'nin üzerindeki ekstrüder sıcaklıklarında FDM yazıcılar kullanılarak basılabilir. Son işlem ve sinterleme sonrasında, bu filamentler %90'ın üzerinde metal içeriğine sahip metal parçalar üretebilir ve bu da onları prototipleme için uygun hale getirir.

△Washington Birleşik Dünya Kaynaklı Malzemelerin Kullanımı ve Araştırma Merkezi'ndeki üniversite metal 3D baskı laboratuvarı, titanyumdan parçalar üretiyor.

Özetle, 3D baskılı titanyumun gelecekteki gelişimi umut dolu ve birçok alanda daha büyük bir rol oynayacak. Sürekli teknolojik yenilik ve uygulama genişlemesi sayesinde, 3D baskılı titanyum topluma daha kullanışlı, verimli ve yüksek kaliteli metal parçalar kazandıracak.