钛3D打印–终极指南

   2023-11-27 IP属地 陕西70170

  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。

  钛和钛基合金具有高机械强度、高强度重量比以及比不锈钢更好的耐腐蚀性。这种材料能使火箭和飞机更轻,从而节省燃料并提高有效载荷能力。它还能使智能手机和VR眼镜等电子产品重量更轻。医疗植入物也是如此。此外,如果将钛的固有品质与3D打印的独特功能结合起来,优势将成倍增加。

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打印技术能以更低的原材料消耗和更少的废料,更高效地制造这种昂贵的金属。作为一种快速成型技术,金属3D打印通常只使用制造零件所需的材料量,以及相对较少的支撑结构用量。

  3D打印还能实现复杂的设计,如内部通道、空心或格子填充部件以减轻重量,这是其他任何制造方法都无法实现的。由于不需要模具或工具,钛合金3D打印技术可以制造出具有成本效益的独一无二的部件,如病人专用植入物、原型和研究工具。

  3D打印钛在制造业、医疗保健、太空探索等领域的应用不胜枚举。让我们来看看为什么钛如此适合增材制造,以及它目前的应用领域。

  一、3D打印钛合金用途

  精密产品和电子产品

  3D打印可以制造出非常薄壁、错综复杂的钛金属零件,这也是它被用于制造手表表壳的原因,如图中的沛纳海和Holthinrichs手表,据传即将成为Apple Watch Ultra的一部分。

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(来源:荣耀

  2023年,智能手机制造商Honor推出了新款折叠手机Magic V2,采用了3D打印的钛合金铰链移盖,比之前的铝合金版本更轻,强度也提高了150%。该公司称,这一小块钛金属可以通过3D打印技术打印出数以万计的钛金属片,这也是该产品能够持久、顺畅地折叠和展开的关键所在。

  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

(来源:Orthofix)

  在医疗行业,3D打印钛植入物成功应用于脊柱、髋关节、膝关节和四肢,这是因为这种金属本身具有生物兼容性和良好的机械性能,再加上3D打印能够定制多孔结构(实现骨整合)和大规模定制,从而为患者带来更好的治疗效果。

  3D打印钛植入物正获得越来越多的监管批准和需求。由于大多数医疗植入物都是为一大批患有相同病症的人制造的,因此并不适合所有人。患有罕见疾病的人往往被排除在外。现在,有了3D打印技术,就有可能生产出专为个别患者设计的植入体。

  2023年,英国的一名外科医生在同一天内完成了四次手腕手术,用病人专用的3D打印钛板矫正了先前断裂的腕骨畸形。"北米德兰兹大学医院(University Hospitals of North Midlands)的骨科顾问外科医生兼手部和腕部手术临床负责人阿克谢-马尔霍特拉博士说:"一旦完成这一规划过程,就会使用钛粉打印出定制的钢板,然后进行测试,运往英国,并在县医院进行消毒,为手术做好准备。

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。

  2022年,印度马尼帕尔医院(Manipal Hospitals)的医生遇到了一位肿瘤正在摧毁其肋骨的癌症患者,于是他们求助于3D打印钛。一般来说,这种程度的植入物太重,人体难以承受,但由于钛金属重量轻、强度高,因此可以3D打印出重量不到250克的病人专用替代物。得益于3D打印植入物的成功,患者完全康复并恢复了正常生活,无需依赖外部机器帮助呼吸。

  在一项使用为患者量身定制的3D打印钛合金Talas骨进行踝骨置换手术的试验中,患者报告了积极的结果。骨骼置换意味着患者无需进行全踝关节置换。距骨是病人非常特殊的解剖特征,需要根据病人的CT扫描数据设计独特的3D部件。

  美国食品和药物管理局已于2023年批准了大量3D打印钛植入物,主要涉及脊柱植入物。

  Restor3d的首款全金属(钛)3D打印踝关节成形术患者专用器械将于2023年获得批准。

  SurGenTec公司的后路3D打印钛骶髂关节融合系统Tilink-P将于2023年获得批准。

  FloSpine用于支撑脊柱的3D打印植入物Tri-Largo颈椎椎间架系统将于2023年获得FDA批准。

  Eminent Spine公司的3D颈椎椎间融合系统(3D打印钛配置)将于2023年获得FDA批准。

  ChoiceSpine的钛制Blackhawk Ti 3D打印颈椎垫片系统将于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

(来源:Angle Cycle Works)

  3D打印钛合金在当今的高性能自行车中几乎很常见,其中每一盎司的重量都很重要,并且高强度至关重要。钛用于曲柄、刹车手柄、把立、拨链器吊架,甚至全车架,事实证明,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挑战。

  最近,自行车制造商Carbon Wasp详细介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。

  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)。该公司表示,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。

  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

(来源:吉凯恩航空航天公司)

  在航空航天业,目前有几种基于钛的快速成型部件已投入商业和军事使用,还有许多其他原型正在通过美国联邦航空局(FAA)的认证。3D打印钛因其较低的"买飞比"而备受推崇,"买飞比"是一个航空术语,指初始材料重量与打印部件重量之间的相关性。

  一些专门从事航空、国防和航天市场的合同制造商,如Primus Aerospace、StarHagen Aerospace和Zeda,已经投资了能够生产钛部件原型和最终部件的3D打印机。

  2023年,吉凯恩宇航公司(GKN Aerospace)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,用于3D打印钛飞机结构。该打印机被称为Cell 3,可以制造五米长的钛金属部件。

由于NASA只需要一个,因此3D打印冷操作月球可展开臂的钛合金勺比传统制造更有意义

(来源:NASA喷气推进实验室)

  制造业

  出于完全不同的原因,半导体制造商ASML转向了3D打印钛,现在其钛载体托盘预型件(用于晶圆生产)是3D打印的,而不是锻造的,这样可以节省64%的原材料,而且交付速度更快。Norsk Titanium是一家使用定向能沉积(DED)平台的金属增材制造公司,该公司正在用Ti64打印80公斤(约176磅)的近净成形预型件(用于半导体晶片生产)。

  Norsk与荷兰合作伙伴Hittech集团合作开发了这种预型件,据Norsk称,这种预型件用于ASML的光刻系统。同样位于荷兰的ASML公司,在过去几年芯片短缺的背景下,一直是全球讨论最多的公司之一。具体来说,ASML以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(来源:华盛顿大学)

  就连美国海军也开始采用3D打印钛,以节省时间和金钱,并消除对国外供应链的依赖。由于国内没有能力制造高性能离心泵所需的大型钛铸件,海军受到交货时间长和供应链利用高成本、碳密集型钛原材料的困扰。但很快,通过与国内新合作伙伴IperionX公司合作生产回收钛粉,与Carver Pump公司合作进行快速成型制造,海军将有能力大幅缩短关键零部件的交付周期,提高设备可用性,并可持续地重新构建美国关键的钛金属供应链。

  二、了解金属钛

钛粉(来源:PyroGenesis Additive)

  纯钛通常不用于工程应用,但在生物医学市场上却常用于膝关节和髋关节植入等部件。钛基合金--可提供特定机械性能的金属成分受控混合物--广泛应用于需要获得非常特定零件性能的行业。长期以来,金属材料供应商一直向制造商提供用于铸造的钛,现在他们也开始提供专门为快速成型制造而配制的钛粉。

  用于增材制造的钛

  5级钛6Al-4V是增材制造中最常用的钛合金,是航空航天、汽车和军事领域原型和功能部件的理想材料。它也是制造具有复杂几何形状和精度的零件以及生产工具的绝佳材料。

  23级钛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级钛的强度高于Ti-6Al-4V等传统钛合金,抗氧化性和抗蠕变性也优于Ti-15V-3Cr等传统钛合金。在所有钛合金中,21级钛的氢吸收效率最低。它是骨科植入物和航空航天发动机应用的理想选择。Beta钛广泛用于牙齿矫正。

  1、2级Cp-Ti(纯钛)因其与人体的生物相容性而广泛应用于医疗领域。

  TA15是一种含有铝和添加剂的近α钛合金。TA15制成的部件具有高比强度、高承载能力和耐温性能,因此可用于飞机和发动机制造中的重型部件。

  三、如何3D打印钛

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

  (来源:Trumpf)

  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,"大多数钛合金AM部件都是采用粉末床技术制造的。"粉末床熔融技术用于生产航空和赛车用轻质部件以及医疗植入物,而粘结剂喷射技术则通常用于用钛生产较小的医疗器械"。

激光粉末床融合(来源:GE)

  四、3D打印钛的特性

Atherton Cycles的3D打印钛合金凸耳(来源:Atherton)

  在这两种粉末床工艺中,最重要的问题是材料的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输给原料的随时间变化的温度曲线上。

  3D打印使钛金属经受多方面、复杂的热加工循环,从而影响材料的机械性能。由于每台打印机都不一样,材料也各不相同,需要微调的范围也很大,因此很难确定它们之间的趋势和关系。最近在这一领域进行了大量研究,大多数研究都指出3D打印钛部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,证实其工艺生产的钛符合ASTM和AMS标准对打印锻造材料的要求。

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

  这些数据是通过与美国国家制造科学中心(NCMS)、陆军研究实验室(ARL)和先进制造、材料和工艺(AMMP)计划合作,使用Ti-6Al-4V(Ti64)材料(也称为ASTM 5级)进行测试而生成的。

  这些数据表明,印刷后的材料在所有轴向(包括通过印刷层的Z方向)的屈服强度、极限拉伸强度和伸长率都超过了ASTM标准规定的最低要求。

  随着医疗制造商在其生产能力中越来越多地采用增材制造技术,美国FDA批准的基于钛的3D打印外科植入物的数量持续增长。


 
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