鈦合金3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展

鈦是增材制造中最常用的金屬之一,，廣泛應(yīng)用于航空航天,、關(guān)節(jié)置換和手術(shù)工具,、賽車和自行車車架、電子產(chǎn)品和其他高性能產(chǎn)品,。鈦和鈦基合金因其高機(jī)械強(qiáng)度,、高強(qiáng)度重量比以及比不銹鋼更好的耐腐蝕性而受到各行業(yè)的重視,，使用這種材料能夠使火箭和飛機(jī)更輕，從而節(jié)省燃料并增加有效載荷能力,。它還可用于制造重量更輕的電子產(chǎn)品,，例如智能手機(jī)和 VR 護(hù)目鏡，在醫(yī)療植入物領(lǐng)域也是如此,。而且,，將鈦的固有特性與3D打印的獨(dú)特功能結(jié)合起來，優(yōu)勢會更加明顯,。那么,，3D打印鈦的具體用途有哪些？市面上常見的鈦打印機(jī)有哪些,？


△3D 打印鈦部件：GE Additive 的髖關(guān)節(jié),、Sciaky 的風(fēng)扇葉片、Arcam Darker 的火箭尖端,、3D Systems 的鈦晶格組件,、EOS 的鈦支架、Zenith Tecnica 的外科脊柱植入物

3D 打印可以更高效地制造鈦金屬,，同時(shí)降低原材料的浪費(fèi),。作為一種增材技術(shù)，金屬3D打印通常僅使用構(gòu)建零件所需的材料,，以及相對少量的支撐結(jié)構(gòu)材料,。3D 打印還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如內(nèi)部通道以及中空或晶格填充部件以減輕重量,，這是任何其他制造方法都無法實(shí)現(xiàn)的,。由于沒有模具或工具，鈦3D打印可以制造出具有成本效益的獨(dú)一無二的零件,，例如患者專用植入物,、原型和研究工具。3D打印鈦推進(jìn)制造,、醫(yī)療保健,、太空探索等領(lǐng)域的例子不勝枚舉，接下來南極熊將介紹為什么鈦如此適合增材制造以及它目前的應(yīng)用領(lǐng)域,。

3D打印鈦合金的用途


△2023 年P(guān)anerai發(fā)布了配備 3D 打印鈦金屬表殼的 Submersible S Brabus PAM01283,，右圖為Holthinrichs Deconstructed 推出了首款 3D 打印鈦金屬手表

鈦3D打印已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備、高性能自行車,、豪華手表和消費(fèi)電子產(chǎn)品等各種產(chǎn)品,，希望通過創(chuàng)新的、通常是定制的設(shè)計(jì)提供輕質(zhì)而堅(jiān)固的產(chǎn)品,。

●精密產(chǎn)品和電子產(chǎn)品
3D 打印可以制造非常薄壁,、復(fù)雜的鈦金屬部件,，常常用于制造表殼，例如上圖所示的Panerai和Holthinrichs手表,，據(jù)說鈦合金表殼也將成為 Apple Watch Ultra 即將推出的部件,。


△2023款榮耀Magic V2折疊智能手機(jī)使用的3D打印鈦合金鉸鏈移位蓋

2023 年，智能手機(jī)制造商榮耀推出了新款折疊Magic V2,，采用 3D 打印鈦鉸鏈移位蓋,，比之前的鋁制版本更輕，強(qiáng)度提高 150%,。榮耀表示,，這個(gè)可以3D打印數(shù)萬個(gè)的小鈦片是該產(chǎn)品耐用且平滑折疊和展開的關(guān)鍵。

●醫(yī)療和牙科植入物


△美國 Orthofix Medical 的 3D 打印鈦植入物 Construx Mimi Ti Spacer System 于 2021 年獲得美國 FDA 批準(zhǔn)

在醫(yī)療行業(yè),，3D 打印鈦植入物在脊柱,、髖部、膝蓋和四肢應(yīng)用中取得了成功,，因?yàn)榻饘俟逃械纳�物相容性和良好的機(jī)械性能,，再加上 3D 打印定制多孔結(jié)構(gòu)的能力（從而實(shí)現(xiàn)骨整合）和大規(guī)模定制更好的患者治療效果。3D打印鈦植入物正在獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)和需求,，由于大多數(shù)醫(yī)療植入物的制造目的是為了覆蓋大量具有相同狀況的人群,，因此它們并不適合所有人，患有罕見疾病的人常常被排除在外�,，F(xiàn)在,，通過 3D 打印，可以生產(chǎn)專門為個(gè)別患者設(shè)計(jì)的植入物,。

2023 年,，英國的一位外科醫(yī)生在同一天進(jìn)行了四次腕部手術(shù)，使用患者專用的3D 打印鈦板矯正先前骨折的腕骨畸形,。整形外科醫(yī)生顧問兼手部和腕部臨床負(fù)責(zé)人 Akshay Malhotra 博士說：“一旦完成這個(gè)規(guī)劃過程,，就會使用鈦粉打印定制板，然后進(jìn)行測試,，運(yùn)往英國并在縣醫(yī)院進(jìn)行消毒,，準(zhǔn)備手術(shù)�,！�


△CoreLink 的 3D 打印鈦螺釘具有促進(jìn)骨骼生長的多孔結(jié)構(gòu),，以及 FingerKit Consortium 的新型患者專用鈦手指關(guān)節(jié)

印度馬尼帕爾醫(yī)院的醫(yī)生在2022年接診一位腫瘤正在摧毀胸腔的癌癥患者時(shí)，使用了3D打印鈦金屬,。一般來說,，這種大小的植入物對于人體來說太重而無法承受,，但由于鈦的重量輕且高由于強(qiáng)度高,，重量小于 250 克,，非常適合打印體內(nèi)植入物。由于3D打印植入物的成功,，患者完全康復(fù)并能夠恢復(fù)正常生活,，無需依賴外部機(jī)器幫助呼吸。

在使用患者專用 3D 打印鈦距骨進(jìn)行踝骨置換手術(shù)的一系列試驗(yàn)中,，都得到了積極的結(jié)果,，骨置換意味著患者不需要進(jìn)行完整的踝關(guān)節(jié)置換，距骨是患者特定的解剖特征,，需要根據(jù)患者的 CT 掃描數(shù)據(jù)獨(dú)特設(shè)計(jì) 3D 部件,。

美國 FDA 已于 2023 年批準(zhǔn)了 3D 打印鈦植入物，主要涵蓋脊柱植入物,。

■Restor3d將于 2023 年獲得批準(zhǔn),，生產(chǎn)首款用于踝關(guān)節(jié)置換術(shù)的全金屬（鈦） 3D 打印患者專用器械。
■SurGenTec的后路3D 打印鈦合金骶髂關(guān)節(jié)融合系統(tǒng) TiLink-P將于 2023 年獲得許可,。
■FloSpin e 將于 2023 年獲得 FDA 批準(zhǔn),，用于支撐脊柱的 3D 打印植入物，稱為 Tri-Largo 頸椎間籠系統(tǒng),。
■Eminent Spine的3D 打印鈦配置 3D頸椎椎間融合系統(tǒng)將于 2023 年獲得 FDA 批準(zhǔn),。
■ChoiceSpine的 Blackhawk Ti 3D 打印鈦制宮頸墊片系統(tǒng)將于 2023 年獲得 FDA 批準(zhǔn)。
■CoreLink的 Siber Ti 骶髂關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)（多孔,、納米表面,、3D 打印鈦植入物）將于 2023 年獲得 FDA 批準(zhǔn)。

●自行車


△通過鈦 3D 打印,，Angel Cycle Works 能夠大幅減輕新 Heaven 自行車的重量并優(yōu)化設(shè)計(jì)

3D 打印鈦合金在當(dāng)今的高性能自行車中很常見,。鈦用于曲柄、剎車手柄,、把立,、撥鏈器吊架，甚至全車架,。鈦與鋁一樣堅(jiān)固,，與碳纖維一樣輕，而且沒有碳纖維的可持續(xù)性的問題,。自行車制造商Carbon Wasp紹了其為何放棄鋁和碳纖維,，轉(zhuǎn)而使用 3D 打印鈦來制造其最新售后曲柄臂。Carbon Wasp 表示：“我們想出了各種創(chuàng)造性的方法,，將曲柄夾在變速箱軸上,，而不擠壓碳纖維，但總是需要一些金屬嵌件，但將嵌件粘合到碳纖維上會遇到了無窮無盡的問題,。 經(jīng)過一些原型設(shè)計(jì)后,，Carbon Wasp 發(fā)現(xiàn) 3D 打印的晶格填充鈦曲柄與碳一樣輕，但在非常容易受到?jīng)_擊的區(qū)域更堅(jiān)固,。我們?nèi)匀徽J(rèn)為碳纖維是許多其他用途的最佳材料,，包括框架，但我們已經(jīng)在研究其他鈦零件,�,！�

說到全車架，自行車制造商Angel Cycle Works表示,，它在一個(gè)輕質(zhì)部件中 3D 打印了全鈦合金車架,，這在比賽時(shí)間中占據(jù)了關(guān)鍵的幾秒，并實(shí)現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)幾何形狀,。其新型超級摩托車名為 Heaven,，比之前的版本輕 400 克。Pilot今年推出的另一款全鈦合金車架名為Pilot Seiren,。這款公路自行車的車架完全由鈦合金 3D 打印而成（分為三個(gè)部分）,。公司表示，3D 打印鈦合金使其能夠根據(jù)騎手的喜好定制自行車,，并且車架不需要任何油漆或涂層,。


△自行車公司 Mythos 為客戶提供一系列 3D 打印鈦零件，包括這些車把,，而 Verve Cycling（右）則提供了新的 3D 打印鈦曲柄,。

Pilot 的 Tim Blankers 表示：“打印工藝能夠生產(chǎn)更薄的壁厚，從而使車架更輕,、更堅(jiān)固,，且沒有應(yīng)力點(diǎn)�,？蚣苤亓柯愿哂谝还���,。Pilot 還可以在需要剛性的地方添加材料，以優(yōu)化動力傳輸,�,！�

市場上有大量用于自行車的 3D 打印鈦合金部件，其中有 2023 年推出的：

■Silca今年早些時(shí)候展示了其最新的 3D 打印產(chǎn)品系列,，包括一系列鈦制變速器吊架,。
■Verve Cycling和 Metron Additive Manufacturing 推出了 3D 打印鈦曲柄，稱為InfoCrank 3D Ti,。
■Moots為其新款Routt CRD 自行車推出了新型 3D 打印鈦合金勾爪和配件,。
■Canyon 宣布與美國可持續(xù) 3D 打印鈦專家 IperionX 建立合作伙伴關(guān)系，這表明該品牌可能很快就會推出鈦 3D 打印部件。
■Cane Creek推出了新型鈦金屬 3D 打印Electric Wings 曲柄,，該曲柄與碳曲柄組一樣輕,，但與鋁曲柄組一樣耐用。

●航天


△吉凱恩航空航天公司 (GKN Aerospace) 計(jì)劃在其德克薩斯州工廠添加一臺新型大型鈦金屬 3D 打印機(jī)

在航空航天工業(yè)中,，一些鈦基增材制造零件目前已用于商業(yè)和軍事用途，還有許多其他原型正在獲得美國聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證,。Primus Aerospace,、StarHagen Aerospace 和 Zeda 等幾家專注于航空航天、國防和太空市場的合約制造商已投資購買能夠生產(chǎn)原型和最終零件鈦部件的 3D 打印機(jī),。

2023 年,，吉凱恩航空航天公司宣布計(jì)劃建造一個(gè)巨大的 3D 打印單元，作為其位于德克薩斯州的新全球技術(shù)中心的一部分,，該中心將 3D 打印鈦飛機(jī)結(jié)構(gòu),。該打印機(jī)名為Cell 3，可以打印五米長的鈦合金部件,。


△由于NASA只需要一個(gè),，因此3D打印月球可展開臂的鈦合金部件比傳統(tǒng)制造更有意義

●制造業(yè)
半導(dǎo)體制造商 ASML 現(xiàn)在采用 3D 打印而不是鍛造的鈦承載托盤預(yù)制件（用于晶圓生產(chǎn)），節(jié)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積 (DED) 平臺的金屬增材制造公司，Norsk 正在用 Ti64 打印 80 公斤（約 176 磅）的近凈形狀預(yù)成型件,，用于半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn),。

Norsk 與荷蘭合作伙伴 Hittech Group 合作開發(fā)了預(yù)制件，據(jù) Norsk 稱,，該預(yù)制件用于 ASML 的光刻系統(tǒng),。同樣總部位于荷蘭的 ASML 一直是過去幾年在芯片短缺的背景下全球最常被討論的公司之一。ASML 因生產(chǎn)世界上唯一的極紫外 (EUV) 光刻機(jī)而聞名,。


△華盛頓大學(xué)制造的 3D 打印鈦合金輪轂支架

美國海軍也在轉(zhuǎn)向3D打印鈦合金,，以節(jié)省時(shí)間和金錢并消除對外國供應(yīng)鏈的依賴。美國海軍面臨交貨時(shí)間長和利用高成本和碳密集型鈦原材料的供應(yīng)鏈的困擾,。但很快,，隨著新的合作伙伴 IperionX 回收鈦粉和 Carver Pump 增材制造，美國海軍將有能力顯著縮短關(guān)鍵零件的交貨時(shí)間,，提高設(shè)備可用性,，并可持續(xù)地重新支持美國關(guān)鍵的鈦金屬供應(yīng)鏈。

鈦材料


△鈦粉

純鈦通常不用于工程應(yīng)用,，但在生物醫(yī)學(xué)市場中很常見,，用于膝蓋和髖部植入物等零件。鈦基合金是能夠提供特定機(jī)械性能的金屬成分的受控混合物，廣泛用于需要實(shí)現(xiàn)特定零件性能的行業(yè),，長期以來一直為制造商提供鑄造用鈦的金屬材料供應(yīng)商現(xiàn)在提供專為增材制造而配制的鈦粉末,。

Virtual Foundry等幾家公司可提供用于基于擠出機(jī)的熔融沉積建模 (FDM) 的鈦絲。這種材料含有嵌入 PLA 中的金屬粉末,，可以使用 FDM 打印機(jī)在擠出機(jī)溫度高于 205 °C 的情況下進(jìn)行打印,。經(jīng)過后處理和燒結(jié)后，這些細(xì)絲可以生產(chǎn)出金屬含量超過 90% 的金屬部件,，使其適合制作原型,。


△大學(xué)金屬 3D 打印實(shí)驗(yàn)室 華盛頓地球豐富材料部署與研究聯(lián)合中心用鈦制造零件

用于增材制造的鈦
■Ti 6Al-4V，5 級是增材制造中最常用的鈦合金,，非常適合航空航天,、汽車領(lǐng)域以及軍事應(yīng)用中的原型和功能部件。它也是制造具有復(fù)雜幾何形狀和精度的零件以及生產(chǎn)工裝的優(yōu)良材料,。

■23 級Ti  6Al-4V是一種生物相容性合金,，常用于醫(yī)療植入物和假肢。

■Beta 21S鈦合金比Ti-6Al-4V等傳統(tǒng)鈦合金具有更高的強(qiáng)度,，并且與Ti-15V-3Cr等傳統(tǒng)鈦合金相比具有優(yōu)異的抗氧化性和抗蠕變性,。21 級鈦是所有鈦合金中吸氫效率最低的之一。它是骨科植入物和航空航天發(fā)動機(jī)應(yīng)用的理想選擇,。β鈦廣泛應(yīng)用于正畸領(lǐng)域,。

■由于鈦與人體的生物相容性，Cp-Ti（純鈦）1,、2 級廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,，用途廣泛。

■TA15是一種添加了鋁和鋯的近α鈦合金,。TA15 制成的部件具有高比強(qiáng)度,，加上高承載能力和耐溫性，使其可用于飛機(jī)和發(fā)動機(jī)制造中的重型部件,。

鈦供應(yīng)商 (公司)

材料制造商提供了多種專為 3D 打印而配制的各種粒徑和純度的鈦和鈦合金,，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：回收鈦


△打印輕型自行車部件后,，用真空吸塵器吸走未使用的鈦粉,，以便在 Trumpf TruPrint 3000 內(nèi)重復(fù)使用

3D打印鈦工藝
有多種金屬 3D 打印技術(shù)可用于加工鈦基合金，但最常用的是使用鈦粉的粉末床熔融工藝（激光粉末床熔融,、電子束粉末床熔融）,。根據(jù)咨詢公司Ampower的一份報(bào)告，“大多數(shù)鈦增材制造零件都是采用粉末床技術(shù)制造的,，粉末床熔融用于生產(chǎn)航空和賽車的輕質(zhì)部件以及醫(yī)療植入物,，而粘合劑噴射通常用于生產(chǎn)較小的鈦醫(yī)療器械�,！�


△激光粉末床融合工藝

●激光粉末床熔化（LPBF）,，也稱為選擇性激光熔化（SLM）,，是一種利用高功率激光器使用的粉末金屬的制造技術(shù),。LPBF 通過在前一層材料上添加一層材料來生產(chǎn)零件。根據(jù)要加工的鈦基合金的特性,，必須優(yōu)化和調(diào)整 LPBF 加工參數(shù),，以控制孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)和最終材料特性,。

●電子束粉末床熔化 (EB PBF),，也稱為電子束熔化 (EBM)，是一種類似的工藝,，但使用更高功率的電子束而不是激光,。Ampower 表示，電子束的高工藝溫度導(dǎo)致單層冷卻速度較慢,，因此與 LPBF 相比,，微觀結(jié)構(gòu)更粗糙。

●在粉末床融合過程中,，金屬 3D 打印機(jī)從選擇性掃描的金屬粉末床開始工作,。所有幾何信息均通過先前在 3D 建模軟件中定義的 CAD 模型提供給打印系統(tǒng)。粉末材料的特征主要是顆粒形態(tài)（不規(guī)則或球形）和粒度分布等特征,。需要球形形態(tài),，以便在打印過程進(jìn)行時(shí)粉末具有良好的流動性。粉末的制造過程決定了其最終特性,。金屬粉末可以通過氣體霧化,、旋轉(zhuǎn)霧化、等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝和水霧化來制造,。最重要的是,，優(yōu)質(zhì)粉末才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)零件,。

●其他適合鈦的增材制造方法包括直接能量沉積（DED）、快速等離子體沉積（RPD）和粘合劑噴射,。

鈦金屬 3D 打印機(jī)


△Arcam EBM Spectra L 和雷尼紹 RenAM 500Q 均采用鈦金屬打印,。

當(dāng)前的3D打印系統(tǒng)市場提供了各種各樣的金屬3D打印機(jī)，用于加工不同的鈦基合金,。

●粉床熔融 (PBF)
■3D Systems提供三種類型的鈦材料,，與其多種 PBF 3D 打印機(jī)兼容。
■EOS提供五種鈦材料選項(xiàng),，適用于其四臺金屬粉末床熔融 3D 打印機(jī),。
■GE Additive為其 SLM 3D 打印機(jī) Concept Laser 系列提供鈦和鈦合金。
■SLM Solutions為其選擇性激光熔化 3D 打印機(jī)系列提供三種鈦合金,。
■Velo3D為其 PBF 3D 打印機(jī)提供鈦解決方案,。
■Trumpf 的激光金屬熔合 3D 打印機(jī)專為鈦零件生產(chǎn)而設(shè)計(jì)。
■雷尼紹金屬 3D 打印機(jī)廣泛用于生產(chǎn)醫(yī)療和牙科領(lǐng)域的鈦零件,。
■AddUp 的 FormUp350 激光金屬融合 3D 打印機(jī)與鈦兼容,。

●粘合劑噴射
■Digital Metal在其粘合劑噴射 3D 打印機(jī)上提供了一種鈦合金。
■Desktop Metal在其 Studio,、X 系列和 Production System 打印機(jī)上提供鈦金屬,。

●電子束熔煉 (EBM)
GE Additive為其 EBM 3D 打印機(jī)提供鈦和鈦合金。

●冷聚變
Spee3D于 2022 年宣布,，現(xiàn)在能夠使用鈦進(jìn)行 3D 打印,。

●熔融沉積成型 (FDM) 和擠壓
Desktop Metal使用其擠出粘合金屬沉積技術(shù)為三臺打印機(jī)提供填充鈦合金的專有絲材。

3D 打印鈦的特性


△Atherton Cycles 的 3D 打印鈦合金凸耳

兩種粉末床工藝中的一個(gè)重要問題是材料微觀結(jié)構(gòu)在打印過程中如何演變,，以及能量密度和傳遞的熱量如何與材料晶格相互作用,。這種相互作用反映在激光束或電子束傳遞到原料的隨時(shí)間變化的溫度分布中。

3D 打印使鈦材料經(jīng)歷多方面且復(fù)雜的熱處理循環(huán),，從而影響材料的機(jī)械性能,。建立趨勢和它們之間的關(guān)系很困難，因?yàn)槊颗_打印機(jī)都不同,，材料也各不相同,，并且有一系列范圍需要微調(diào)。最近該領(lǐng)域有很多研究,，大多數(shù)都指出 3D 打印鈦零件具有卓越的結(jié)構(gòu)完整性,。2021 年 3 月，金屬 3D 打印機(jī)制造商 MELD Manufacturing 發(fā)布數(shù)據(jù),，確認(rèn)其工藝生產(chǎn)的鈦符合打印時(shí)的鍛造材料的 ASTM 和 AMS 標(biāo)準(zhǔn)要求,。


△來自專門從事鈦 3D 打印的合同制造商 Zenith Tecnica 的定制鈦部件

這些數(shù)據(jù)是通過國家制造科學(xué)中心 (NCMS)、陸軍研究實(shí)驗(yàn)室 (ARL) 和先進(jìn)制造,、材料和工藝 (AMMP) 項(xiàng)目使用 Ti-6Al-4V (Ti64) 材料生成的,，被稱為 ASTM 5 級,，用于測試。數(shù)據(jù)表明,，打印材料在所有軸（包括穿過打印層的 Z 方向）上都超過了 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的屈服強(qiáng)度,、極限拉伸強(qiáng)度和伸長率的最低要求。



總之,，3D 打印鈦的未來發(fā)展充滿希望,，將在眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展,，3D 打印鈦將為社會帶來更多便捷,、高效和優(yōu)質(zhì)的金屬部件。

鈦合金應(yīng)用越來越普及了