钛及钛合金行业

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钛合金3D打印的应用领域与发展

   2023-10-25 IP属地 陕西35260

  是增材制造中最常用的金属之一,广泛应用于航空航天、关节置换和手术工具、赛车和自行车车架、电子产品和其他高性能产品。钛和钛基合金因其高机械强度、高强度重量比以及比不锈钢更好的耐腐蚀性而受到各行业的重视,使用这种材料能够使火箭和飞机更轻,从而节省燃料并增加有效载荷能力。它还可用于制造重量更轻的电子产品,例如智能手机和VR护目镜,在医疗植入物领域也是如此。而且,将钛的固有特性与3D打印的独特功能结合起来,优势会更加明显。那么,3D打印钛的具体用途有哪些?市面上常见的钛打印机有哪些?

△3D打印钛部件:GE Additive的髋关节、Sciaky的风扇叶片、Arcam Darker的火箭尖端、3D Systems的钛晶格组件、EOS的钛支架、Zenith Tecnica的外科脊柱植入物


3D打印钛合金的用途


△2023年Panerai发布了配备3D打印钛金属表壳的Submersible S Brabus PAM01283,右图为Holthinrichs Deconstructed推出了首款3D打印钛金属手表

  钛3D打印已经广泛用于生产医疗设备、高性能自行车、豪华手表和消费电子产品等各种产品,希望通过创新的、通常是定制的设计提供轻质而坚固的产品。

  ●精密产品和电子产品

  3D打印可以制造非常薄壁、复杂的钛金属部件,常常用于制造表壳,例如上图所示的Panerai和Holthinrichs手表,据说钛合金表壳也将成为Apple Watch Ultra即将推出的部件。

△2023款荣耀Magic V2折叠智能手机使用的3D打印钛合金铰链移位盖

  2023年,智能手机制造商荣耀推出了新款折叠Magic V2,采用3D打印钛铰链移位盖,比之前的铝制版本更轻,强度提高150%。荣耀表示,这个可以3D打印数万个的小钛片是该产品耐用且平滑折叠和展开的关键。

  ●医疗和牙科植入物

△美国Orthofix Medical的3D打印钛植入物Construx Mimi Ti Spacer System于2021年获得美国FDA批准

  在医疗行业,3D打印钛植入物在脊柱、髋部、膝盖和四肢应用中取得了成功,因为金属固有的生物相容性和良好的机械性能,再加上3D打印定制多孔结构的能力(从而实现骨整合)和大规模定制更好的患者治疗效果。3D打印钛植入物正在获得监管部门的批准和需求,由于大多数医疗植入物的制造目的是为了覆盖大量具有相同状况的人群,因此它们并不适合所有人,患有罕见疾病的人常常被排除在外。现在,通过3D打印,可以生产专门为个别患者设计的植入物。

  2023年,英国的一位外科医生在同一天进行了四次腕部手术,使用患者专用的3D打印钛板矫正先前骨折的腕骨畸形。整形外科医生顾问兼手部和腕部临床负责人Akshay Malhotra博士说:“一旦完成这个规划过程,就会使用钛粉打印定制板,然后进行测试,运往英国并在县医院进行消毒,准备手术。”

△Corelink的3D打印钛螺钉具有促进骨骼生长的多孔结构,以及FingerKit Consortium的新型患者专用钛手指关节

  印度马尼帕尔医院的医生在2022年接诊一位肿瘤正在摧毁胸腔的癌症患者时,使用了3D打印钛金属。一般来说,这种大小的植入物对于人体来说太重而无法承受,但由于钛的重量轻且高由于强度高,重量小于250克,非常适合打印体内植入物。由于3D打印植入物的成功,患者完全康复并能够恢复正常生活,无需依赖外部机器帮助呼吸。

  在使用患者专用3D打印钛距骨进行踝骨置换手术的一系列试验中,都得到了积极的结果,骨置换意味着患者不需要进行完整的踝关节置换,距骨是患者特定的解剖特征,需要根据患者的CT扫描数据独特设计3D部件。

  美国FDA已于2023年批准了3D打印钛植入物,主要涵盖脊柱植入物。

  ■Restor3d将于2023年获得批准,生产首款用于踝关节置换术的全金属(钛)3D打印患者专用器械。

  ■SurGenTec的后路3D打印钛合金骶髂关节融合系统Tilink-P将于2023年获得许可。

  ■FloSpin e将于2023年获得FDA批准,用于支撑脊柱的3D打印植入物,称为Tri-Largo颈椎间笼系统。

  ■Eminent Spine的3D打印钛配置3D颈椎椎间融合系统将于2023年获得FDA批准。

  ■ChoiceSpine的Blackhawk Ti 3D打印钛制宫颈垫片系统将于2023年获得FDA批准。

  ■Corelink的Siber Ti骶髂关节融合系统(多孔、纳米表面、3D打印钛植入物)将于2023年获得FDA批准。

  ●自行车

△通过钛3D打印,Angel Cycle Works能够大幅减轻新Heaven自行车的重量并优化设计

  3D打印钛合金在当今的高性能自行车中很常见。钛用于曲柄、刹车手柄、把立、拨链器吊架,甚至全车架。钛与铝一样坚固,与碳纤维一样轻,而且没有碳纤维的可持续性的问题。自行车制造商Carbon Wasp绍了其为何放弃铝和碳纤维,转而使用3D打印钛来制造其最新售后曲柄臂。Carbon Wasp表示:“我们想出了各种创造性的方法,将曲柄夹在变速箱轴上,而不挤压碳纤维,但总是需要一些金属嵌件,但将嵌件粘合到碳纤维上会遇到了无穷无尽的问题。经过一些原型设计后,Carbon Wasp发现3D打印的晶格填充钛曲柄与碳一样轻,但在非常容易受到冲击的区域更坚固。我们仍然认为碳纤维是许多其他用途的最佳材料,包括框架,但我们已经在研究其他钛零件。”说到全车架,自行车制造商Angel Cycle Works表示,它在一个轻质部件中3D打印了全钛合金车架,这在比赛时间中占据了关键的几秒,并实现了新的设计几何形状。其新型超级摩托车名为Heaven,比之前的版本轻400克。Pilot今年推出的另一款全钛合金车架名为Pilot Seiren。这款公路自行车的车架完全由钛合金3D打印而成(分为三个部分)。公司表示,3D打印钛合金使其能够根据骑手的喜好定制自行车,并且车架不需要任何油漆或涂层。

△自行车公司Mythos为客户提供一系列3D打印钛零件,包括这些车把,而Verve Cycling(右)则提供了新的3D打印钛曲柄。

  Pilot的Tim Blankers表示:“打印工艺能够生产更薄的壁厚,从而使车架更轻、更坚固,且没有应力点。框架重量略高于一公斤。Pilot还可以在需要刚性的地方添加材料,以优化动力传输。”

  市场上有大量用于自行车的3D打印钛合金部件,其中有2023年推出的:

  ■Silca今年早些时候展示了其最新的3D打印产品系列,包括一系列钛制变速器吊架。

  ■Verve Cycling和Metron Additive Manufacturing推出了3D打印钛曲柄,称为InfoCrank 3D Ti。

  ■Moots为其新款Routt CRD自行车推出了新型3D打印钛合金勾爪和配件。

  ■Canyon宣布与美国可持续3D打印钛专家IperionX建立合作伙伴关系,这表明该品牌可能很快就会推出钛3D打印部件。

  ■Cane Creek推出了新型钛金属3D打印Electric Wings曲柄,该曲柄与碳曲柄组一样轻,但与铝曲柄组一样耐用。

  ●航天

△吉凯恩航空航天公司(GKN Aerospace)计划在其德克萨斯州工厂添加一台新型大型钛金属3D打印机

  在航空航天工业中,一些钛基增材制造零件目前已用于商业和军事用途,还有许多其他原型正在获得美国联邦航空管理局的认证。Primus Aerospace、StarHagen Aerospace和Zeda等几家专注于航空航天、国防和太空市场的合约制造商已投资购买能够生产原型和最终零件钛部件的3D打印机。

  2023年,吉凯恩航空航天公司宣布计划建造一个巨大的3D打印单元,作为其位于德克萨斯州的新全球技术中心的一部分,该中心将3D打印钛飞机结构。该打印机名为Cell 3,可以打印五米长的钛合金部件。

△由于NASA只需要一个,因此3D打印月球可展开臂的钛合金部件比传统制造更有意义

  ●制造业

  半导体制造商ASML现在采用3D打印而不是锻造的钛承载托盘预制件(用于晶圆生产),节省了64%的原材料,并且交付速度更快。Norsk Titanium是一家使用定向能量沉积(DED)平台的金属增材制造公司,Norsk正在用Ti64打印80公斤(约176磅)的近净形状预成型件,用于半导体晶圆生产。

  Norsk与荷兰合作伙伴Hittech Group合作开发了预制件,据Norsk称,该预制件用于ASML的光刻系统。同样总部位于荷兰的ASML一直是过去几年在芯片短缺的背景下全球最常被讨论的公司之一。ASML因生产世界上唯一的极紫外(EUV)光刻机而闻名。

△华盛顿大学制造的3D打印钛合金轮毂支架

  美国海军也在转向3D打印钛合金,以节省时间和金钱并消除对外国供应链的依赖。美国海军面临交货时间长和利用高成本和碳密集型钛原材料的供应链的困扰。但很快,随着新的合作伙伴IperionX回收钛粉和Carver Pump增材制造,美国海军将有能力显着缩短关键零件的交货时间,提高设备可用性,并可持续地重新支持美国关键的钛金属供应链。


钛材料


△钛粉

  纯钛通常不用于工程应用,但在生物医学市场中很常见,用于膝盖和髋部植入物等零件。钛基合金是能够提供特定机械性能的金属成分的受控混合物,广泛用于需要实现特定零件性能的行业,长期以来一直为制造商提供铸造用钛的金属材料供应商现在提供专为增材制造而配制的钛粉末。

  Virtual Foundry等几家公司可提供用于基于挤出机的熔融沉积建模(FDM)的钛丝。这种材料含有嵌入PLA中的金属粉末,可以使用FDM打印机在挤出机温度高于205°C的情况下进行打印。经过后处理和烧结后,这些细丝可以生产出金属含量超过90%的金属部件,使其适合制作原型。

△大学金属3D打印实验室华盛顿地球丰富材料部署与研究联合中心用钛制造零件


用于增材制造的钛


  ■Ti 6Al-4V,5级是增材制造中最常用的钛合金,非常适合航空航天、汽车领域以及军事应用中的原型和功能部件。它也是制造具有复杂几何形状和精度的零件以及生产工装的优良材料。

  ■23级Ti 6Al-4V是一种生物相容性合金,常用于医疗植入物和假肢。

  ■Beta 21S钛合金比Ti-6Al-4V等传统钛合金具有更高的强度,并且与Ti-15V-3Cr等传统钛合金相比具有优异的抗氧化性和抗蠕变性。21级钛是所有钛合金中吸氢效率最低的之一。它是骨科植入物和航空航天发动机应用的理想选择。β钛广泛应用于正畸领域。

  ■由于钛与人体的生物相容性,Cp-Ti(纯钛)1、2级广泛应用于医疗领域,用途广泛。

  ■TA15是一种添加了铝和的近α钛合金。TA15制成的部件具有高比强度,加上高承载能力和耐温性,使其可用于飞机和发动机制造中的重型部件。


钛供应商(公司)


  材料制造商提供了多种专为3D打印而配制的各种粒径和纯度的钛和钛合金,包括:

  ■Carpenter Technology:TI 6AL-4V ELI

  ■Heraeus:Ti6Al4V Gr.5和Gr.23

  ■Sandvik:Osprey TI-6AL-4V Gr.5和Gr.23

  ■GKN:CPTi–Gr.1和Gr.2,Ti64–Gr.2 5和Gr。23、Ti6242、Ti5553、Beta 21S

  ■AP&C(GE Additive公司):CPTi–Gr.1和Gr.2、Ti-6AI-4V Gr.5和Gr.23、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr

  ■AstroAlloys:TruForm Ti-6Al-4V Gr.5和Gr.23、Ti-48Al-2Nb-2Cr、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

  ■Uniformity Labs:Ti64 Gr.23

  ■Tekna:Ti64

  ■PyroGenesis Additive:CPTi–Gr.1、Ti-6AI-4V Gr.5和Gr.23

  ■IperionX:回收钛

△打印轻型自行车部件后,用真空吸尘器吸走未使用的钛粉,以便在Trumpf TruPrint 3000内重复使用


3D打印钛工艺


  有多种金属3D打印技术可用于加工钛基合金,但最常用的是使用钛粉的粉末床熔融工艺(激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融)。根据咨询公司Ampower的一份报告,“大多数钛增材制造零件都是采用粉末床技术制造的,粉末床熔融用于生产航空和赛车的轻质部件以及医疗植入物,而粘合剂喷射通常用于生产较小的钛医疗器械。”

△激光粉末床融合工艺

  ●激光粉末床熔化(LPBF),也称为选择性激光熔化(SLM),是一种利用高功率激光器使用的粉末金属的制造技术。LPBF通过在前一层材料上添加一层材料来生产零件。根据要加工的钛基合金的特性,必须优化和调整LPBF加工参数,以控制孔隙率、微观结构和最终材料特性。

  ●电子束粉末床熔化(EB PBF),也称为电子束熔化(EBM),是一种类似的工艺,但使用更高功率的电子束而不是激光。Ampower表示,电子束的高工艺温度导致单层冷却速度较慢,因此与LPBF相比,微观结构更粗糙。

  ●在粉末床融合过程中,金属3D打印机从选择性扫描的金属粉末床开始工作。所有几何信息均通过先前在3D建模软件中定义的CAD模型提供给打印系统。粉末材料的特征主要是颗粒形态(不规则或球形)和粒度分布等特征。需要球形形态,以便在打印过程进行时粉末具有良好的流动性。粉末的制造过程决定了其最终特性。金属粉末可以通过气体雾化、旋转雾化、等离子体旋转电极工艺和水雾化来制造。最重要的是,优质粉末才能生产优质零件。

  ●其他适合钛的增材制造方法包括直接能量沉积(DED)、快速等离子体沉积(RPD)和粘合剂喷射。


钛金属3D打印机


△Arcam EBM Spectra L和雷尼绍RenAM 500Q均采用钛金属打印。

  当前的3D打印系统市场提供了各种各样的金属3D打印机,用于加工不同的钛基合金。

  ●粉床熔融(PBF)

  ■3D Systems提供三种类型的钛材料,与其多种PBF 3D打印机兼容。

  ■EOS提供五种钛材料选项,适用于其四台金属粉末床熔融3D打印机。

  ■GE Additive为其SLM 3D打印机Concept Laser系列提供钛和钛合金。

  ■SLM Solutions为其选择性激光熔化3D打印机系列提供三种钛合金。

  ■Velo3D为其PBF 3D打印机提供钛解决方案。

  ■Trumpf的激光金属熔合3D打印机专为钛零件生产而设计。

  ■雷尼绍金属3D打印机广泛用于生产医疗和牙科领域的钛零件。

  ■AddUp的FormUp350激光金属融合3D打印机与钛兼容。

  ●粘合剂喷射

  ■Digital metal在其粘合剂喷射3D打印机上提供了一种钛合金。

  ■Desktop metal在其Studio、X系列和Production System打印机上提供钛金属。

  ●电子束熔炼(EBM)

  GE Additive为其EBM 3D打印机提供钛和钛合金。

  ●冷融合

  Spee3D于2022年宣布,现在能够使用钛进行3D打印。

  ●熔融沉积成型(FDM)和挤压

  Desktop metal使用其挤出粘合金属沉积技术为三台打印机提供填充钛合金的专有丝材。


3D打印钛的特性


△Atherton Cycles的3D打印钛合金凸耳

  两种粉末床工艺中的一个重要问题是材料微观结构在打印过程中如何演变,以及能量密度和传递的热量如何与材料晶格相互作用。这种相互作用反映在激光束或电子束传递到原料的随时间变化的温度分布中。

  3D打印使钛材料经历多方面且复杂的热处理循环,从而影响材料的机械性能。建立趋势和它们之间的关系很困难,因为每台打印机都不同,材料也各不相同,并且有一系列范围需要微调。最近该领域有很多研究,大多数都指出3D打印钛零件具有卓越的结构完整性。2021年3月,金属3D打印机制造商MELD Manufacturing发布数据,确认其工艺生产的钛符合打印时的锻造材料的ASTM和AMS标准要求。

△来自专门从事钛3D打印的合同制造商Zenith Tecnica的定制钛部件

  这些数据是通过国家制造科学中心(NCMS)、陆军研究实验室(ARL)和先进制造、材料和工艺(AMMP)项目使用Ti-6Al-4V(Ti64)材料生成的,被称为ASTM 5级,用于测试。数据表明,打印材料在所有轴(包括穿过打印层的Z方向)上都超过了ASTM标准中规定的屈服强度、极限拉伸强度和伸长率的最低要求。

  总之,3D打印钛的未来发展充满希望,将在众多领域发挥更大的作用。通过持续的技术创新和应用拓展,3D打印钛将为社会带来更多便捷、高效和优质的金属部件。


 
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