Галузі застосування та розвиток 3D-друку титановими сплавами

Титан є одним із найпоширеніших металів в адитивному виробництві та використовується в аерокосмічній галузі, інструментах для заміни суглобів та хірургічних інструментах, гоночних та велосипедних рамах, електроніці та інших високопродуктивних виробах. Титан та сплави на основі титану цінуються в різних галузях промисловості за їх високу механічну міцність, високе співвідношення міцності до ваги та кращу стійкість до корозії, ніж нержавіюча сталь. Використання цього матеріалу може зробити ракети та літаки легшими, тим самим заощаджуючи паливо та збільшуючи корисне навантаження. Його також можна використовувати для виготовлення легшої електроніки, такої як смартфони та окуляри віртуальної реальності, а також у медичних імплантатах. Більше того, коли властиві властивості титану поєднуються з унікальними можливостями 3D-друку, переваги будуть ще більш очевидними. Отже, які конкретні способи використання титану, надрукованого на 3D-принтері? Які поширені види титану? Принтерє на ринку?

△Титанові деталі, надруковані на 3D-принтері

Кульшові суглоби від GE Additive, лопаті вентилятора від Sciaky, наконечники ракет від Arcam Darker, титанові ґратчасті компоненти від 3D Systems, титанові стенти від EOS, хірургічні спинальні імплантати від Zenith Tecnica

3D-друк дозволяє ефективніше виробляти титан, зменшуючи при цьому відходи сировини. Як адитивна технологія, 3D-друк металом зазвичай використовує лише матеріали, необхідні для виготовлення деталі, а також відносно невелику кількість допоміжного конструкційного матеріалу. 3D-друк також дозволяє створювати складні конструкції, такі як внутрішні канали та порожнисті або ґратчасті деталі, для зменшення ваги, що неможливо зробити за допомогою жодного іншого методу виробництва. Оскільки немає форм чи інструментів, 3D-друк титаном може економічно ефективно створювати унікальні деталі, такі як імплантати для конкретних пацієнтів, прототипи та дослідницькі інструменти. Існує безліч прикладів 3D-друку титану для розвитку виробництва, охорони здоров'я, дослідження космосу тощо.

Використання титанового сплаву в 3D-друку

△У 2023 році Panerai випустила Submersible S Brabus PAM01283, оснащений титановим корпусом, надрукованим на 3D-принтері. На зображенні праворуч показано, що Holthinrichs Deconstructed випустила перший титановий годинник, надрукований на 3D-принтері.

3D-друк титаном вже широко використовується для виробництва такої різноманітної продукції, як медичні прилади, високопродуктивні велосипеди, розкішні годинники та побутова електроніка, з метою створення легких, але міцних виробів завдяки інноваційним, часто індивідуальним конструкціям.

● Прецизійні вироби та електронні вироби

3D-друк дозволяє виготовляти дуже тонкостінні, складні титанові деталі, які часто використовуються для виготовлення корпусів годинників, таких як годинники Panerai та Holthinrichs, показані вище. Кажуть, що корпуси годинників з титанового сплаву також стануть майбутньою частиною Apple Watch Ultra.

△Надрукована на 3D-принтері кришка шарніра зсуву титанового сплаву, що використовується у складному смартфоні Honor Magic V2 2023 року

У 2023 році виробник смартфонів Honor випустив свій новий складаний Magic V2, який оснащений титановою кришкою перемикання передач на шарнірах, надрукованою на 3D-принтері, яка легша та на 150% міцніша за попередню алюмінієву версію. Honor заявила, що ця невелика титанова деталь, яку можна надрукувати на 3D-принтері десятками тисяч екземплярів, є ключем до довговічності продукту та плавного складання та розкладання.

● Медичні та зубні імплантати

△Титановий імплантат Construx Mimi Ti Spacer System від American Orthofix Medical, надрукований на 3D-принтері, був схвалений Управлінням з контролю за якістю харчових продуктів і медикаментів США у 2021 році.

У медичній галузі титанові імплантати, надруковані на 3D-принтері, успішно використовуються в хребті, стегнах, колінах та кінцівках завдяки біосумісності та добрим механічним властивостям металу, а також можливості створювати на 3D-принтері пористі структури на замовлення (що забезпечує остеоінтеграцію) та масову кастомізацію для кращих результатів лікування пацієнтів. Титанові імплантати, надруковані на 3D-принтері, отримують схвалення та попит від регуляторних органів. Оскільки більшість медичних імплантатів виготовляються для великої кількості людей з однаковим захворюванням, вони підходять не всім. Люди з рідкісними захворюваннями часто виключаються. Тепер, завдяки 3D-друку, стало можливим виготовляти імплантати, спеціально розроблені для окремих пацієнтів.

У 2023 році хірург у Великій Британії провів чотири операції на зап'ясті в один день, використовуючи титанові пластини, надруковані на 3D-принтері для кожного пацієнта, для корекції раніше переломлених деформацій зап'ястя. Доктор Акшай Малхотра, консультант-ортопед-хірург та клінічний керівник відділення кистей та зап'ясть, сказав: «Після завершення цього процесу планування, пластини, виготовлені на замовлення, друкуються з використанням титанового порошку, потім тестуються, відправляються до Великої Британії та стерилізуються в окружній лікарні для підготовки до операції».

△Титанові гвинти CoreLink, надруковані за допомогою 3D-принтера, мають пористу структуру, яка сприяє росту кісток, а нові титанові суглоби пальців від FingerKit Consortium, розроблені для кожного пацієнта

Лікарі лікарні Маніпал в Індії використовували титан, надрукований на 3D-принтері, під час лікування пацієнта з раком, пухлина якого руйнувала його грудну клітку у 2022 році. Загалом кажучи, імплантати такого розміру були б занадто важкими для людського тіла, але оскільки титан легкий і дуже міцний, вагою менше 250 грамів, він ідеально підходить для друку імплантатів всередині тіла. Завдяки успіху імплантата, надрукованого на 3D-принтері, пацієнт повністю одужав і зміг повернутися до нормального життя, не покладаючись на зовнішні апарати, які допомагали йому дихати.

△Завдяки 3D-друку титаном, Angel Cycle Works змогла значно зменшити вагу та оптимізувати конструкцію нового велосипеда Heaven

3D-друкований титан поширений у сучасних високопродуктивних велосипедах. Титан використовується в шатунах, гальмівних важелях, виносах, підвісках перемикача передач і навіть у повних рамах. Титан такий же міцний, як алюміній, і легкий, як вуглецеве волокно, без проблем екологічності, характерних для вуглецевого волокна. Виробник велосипедів Carbon Wasp пояснює, чому він відмовляється від алюмінію та вуглецевого волокна на користь використання 3D-друкованого титану для створення своїх найновіших шатунів вторинного ринку. Carbon Wasp сказав: «Ми придумали всілякі креативні способи закріплення шатуна на валу коробки передач, не стискаючи вуглецеве волокно, але завжди були потрібні деякі металеві вставки, а приклеювання вставок до вуглецевого волокна спричиняло б проблеми. До нескінченних питань. Після створення прототипів Carbon Wasp виявила, що 3D-друкований титановий шатун із заповненою ґратами такий же легкий, як вуглецевий, але міцніший у дуже схильних до ударів місцях. Ми все ще вважаємо, що вуглецеве волокно найкраще підходить для багатьох інших матеріалів, включаючи раму, але ми вже працюємо над іншими титановими деталями».

Говорячи про повні рами, виробник велосипедів Angel Cycle Works стверджує, що вони надрукували повністю титанову раму з одного легкого компонента за допомогою 3D-друку, що скорочує вирішальні секунди часу гонки та дозволяє використовувати нові геометрії дизайну. Їхній новий супербайк під назвою Heaven на 400 грамів легший за попередню версію. Ще одна повністю титанова рама, випущена Pilot цього року, називається Pilot Seiren. Рама шосейного велосипеда повністю надрукована з титану, надрукованого на 3D-принтері (розділена на три частини). Компанія стверджує, що 3D-друк титану дозволяє налаштувати велосипед відповідно до вподобань велосипедиста, а рама не потребує жодного фарбування чи покриття.

△Велосипедна компанія Mythos пропонує клієнтам асортимент титанових деталей, надрукованих на 3D-принтері, включаючи ці керма, тоді як Verve Cycling (праворуч) пропонує нові титанові шатуни, надруковані на 3D-принтері.

△GKN Aerospace планує встановити новий великомасштабний титановий 3D-принтер на своєму заводі в Техасі

△Оскільки NASA потрібен лише один, 3D-друк титанових компонентів для розгортання місячної руки має більше сенсу, ніж традиційне виробництво.

● Виробництво

Виробник напівпровідників ASML тепер використовує 3D-друк замість кування титанових преформ-лотків (які використовуються у виробництві пластин), що дозволяє заощадити 64% сировини та швидше постачати матеріали. Norsk Titanium, компанія з адитивного виробництва металів, що використовує платформу спрямованого енергетичного осадження (DED), друкує 80 кілограмів (приблизно 176 фунтів) преформ майже чистої форми з Ti64 для використання у виробництві напівпровідникових пластин.

△Кронштейн маточини колеса з титанового сплаву, надрукований на 3D-принтері, виготовлений Вашингтонським університетом

△Титановий порошок

Кілька компаній, зокрема Virtual Foundry, пропонують титановий дріт для моделювання методом наплавлення (FDM) на основі екструдера. Матеріал містить металевий порошок, вбудований у PLA, і може бути надрукований за допомогою FDM-принтерів за температури екструдера вище 205 °C. Після постобробки та спікання ці нитки можуть виготовляти металеві деталі з вмістом металу понад 90%, що робить їх придатними для прототипування.

△Університетська лабораторія 3D-друку металом, Вашингтонський об'єднаний центр дослідження та розгортання земних матеріалів, виготовляє деталі з титану

Коротше кажучи, майбутній розвиток 3D-друкованого титану сповнений надій і відіграватиме більшу роль у багатьох галузях. Завдяки постійним технологічним інноваціям та розширенню застосування, 3D-друкований титан принесе суспільству більш зручні, ефективні та високоякісні металеві деталі.