? ? ? 鈦是增材制造中最常用的金屬之一，廣泛應用于航空航天、關節置換和手術工具、賽車和自行車車架、電子產品和其他高性能產品。鈦和鈦基合金因其高機械強度、高強度重量比以及比不銹鋼更好的耐腐蝕性而受到各行業的重視，使用這種材料能夠使火箭和飛機更輕，從而節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品，例如智能手機和 VR 護目鏡，在醫療植入物領域也是如此。而且，將鈦的固有特性與3D打印的獨特功能結合起來，優勢會更加明顯。那么，3D打印鈦的具體用途有哪些？市面上常見的鈦打印機有哪些？
△3D 打印鈦部件
GE Additive 的髖關節、Sciaky 的風扇葉片、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，同時降低原材料的浪費。作為一種增材技術，金屬3D打印通常僅使用構建零件所需的材料，以及相對少量的支撐結構材料。3D 打印還可以實現復雜的設計，例如內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現的。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打印鈦推進制造、醫療保健、太空探索等領域的例子不勝枚舉。
3D打印鈦合金的用途?
△2023 年Panerai發布了配備 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打印已經廣泛用于生產醫療設備、高性能自行車、豪華手表和消費電子產品等各種產品，希望通過創新的、通常是定制的設計提供輕質而堅固的產品。
● 精密產品和電子產品
? ? ? ?3D 打印可以制造非常薄壁、復雜的鈦金屬部件，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折疊智能手機使用的3D打印鈦合金鉸鏈移位蓋
? ? ? ?2023 年，智能手機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，強度提高 150%。榮耀表示，這個可以3D打印數萬個的小鈦片是該產品耐用且平滑折疊和展開的關鍵。
● 醫療和牙科植入物
△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
? ? ? ?在醫療行業，3D 打印鈦植入物在脊柱、髖部、膝蓋和四肢應用中取得了成功，因為金屬固有的生物相容性和良好的機械性能，再加上 3D 打印定制多孔結構的能力（從而實現骨整合）和大規模定制更好的患者治療效果。3D打印鈦植入物正在獲得監管部門的批準和需求，由于大多數醫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在，通過 3D 打印，可以生產專門為個別患者設計的植入物。
? ? ? ?2023 年，英國的一位外科醫生在同一天進行了四次腕部手術，使用患者專用的3D 打印鈦板矯正先前骨折的腕骨畸形。整形外科醫生顧問兼手部和腕部臨床負責人 Akshay Malhotra 博士說：“一旦完成這個規劃過程，就會使用鈦粉打印定制板，然后進行測試，運往英國并在縣醫院進行消毒，準備手術。”
△CoreLink 的 3D 打印鈦螺釘具有促進骨骼生長的多孔結構，以及 FingerKit Consortium 的新型患者專用鈦手指關節
? ? ? ?印度馬尼帕爾醫院的醫生在2022年接診一位腫瘤正在摧毀胸腔的癌癥患者時，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度高，重量小于 250 克，非常適合打印體內植入物。由于3D打印植入物的成功，患者完全康復并能夠恢復正常生活，無需依賴外部機器幫助呼吸。
? ? ? ?在使用患者專用 3D 打印鈦距骨進行踝骨置換手術的一系列試驗中，都得到了積極的結果，骨置換意味著患者不需要進行完整的踝關節置換，距骨是患者特定的解剖特征，需要根據患者的 CT 掃描數據獨特設計 3D 部件。
美國 FDA 已于 2023 年批準了 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，生產首款用于踝關節置換術的全金屬（鈦） 3D 打印患者專用器械。
■SurGenTec的后路3D 打印鈦合金骶髂關節融合系統 TiLink-P將于 2023 年獲得許可。
■FloSpin e 將于 2023 年獲得 FDA 批準，用于支撐脊柱的 3D 打印植入物，稱為 Tri-Largo 頸椎間籠系統。
■Eminent Spine的3D 打印鈦配置 3D頸椎椎間融合系統將于 2023 年獲得 FDA 批準。
■ChoiceSpine的 Blackhawk Ti 3D 打印鈦制宮頸墊片系統將于 2023 年獲得 FDA 批準。
■CoreLink的 Siber Ti 骶髂關節融合系統（多孔、納米表面、3D 打印鈦植入物）將于 2023 年獲得 FDA 批準。
● 自行車
△通過鈦 3D 打印，Angel Cycle Works 能夠大幅減輕新 Heaven 自行車的重量并優化設計
? ? ? ?3D 打印鈦合金在當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。鈦與鋁一樣堅固，與碳纖維一樣輕，而且沒有碳纖維的可持續性的問題。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。經過一些原型設計后，Carbon Wasp 發現 3D 打印的晶格填充鈦曲柄與碳一樣輕，但在非常容易受到沖擊的區域更堅固。我們仍然認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，它在一個輕質部件中 3D 打印了全鈦合金車架，這在比賽時間中占據了關鍵的幾秒，并實現了新的設計幾何形狀。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（分為三個部分）。公司表示，3D 打印鈦合金使其能夠根據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：“打印工藝能夠生產更薄的壁厚，從而使車架更輕、更堅固，且沒有應力點?？蚣苤亓柯愿哂谝还?。Pilot 還可以在需要剛性的地方添加材料，以優化動力傳輸?！?/span>
● 航天
△吉凱恩航空航天公司 (GKN Aerospace) 計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
? ? ? ?在航空航天工業中，一些鈦基增材制造零件目前已用于商業和軍事用途，還有許多其他原型正在獲得美國聯邦航空管理局的認證。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原型和最終零件鈦部件的 3D 打印機。
? ? ? ? 2023 年，吉凱恩航空航天公司宣布計劃建造一個巨大的 3D 打印單元，作為其位于德克薩斯州的新全球技術中心的一部分，該中心將 3D 打印鈦飛機結構。該打印機名為Cell 3，可以打印五米長的鈦合金部件。
△由于NASA只需要一個，因此3D打印月球可展開臂的鈦合金部件比傳統制造更有意義
● 制造業
? ? ? ?半導體制造商 ASML 現在采用 3D 打印而不是鍛造的鈦承載托盤預制件（用于晶圓生產），節省了 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）的近凈形狀預成型件，用于半導體晶圓生產。
? ? ? ?Norsk 與荷蘭合作伙伴 Hittech Group 合作開發了預制件，據 Norsk 稱，該預制件用于 ASML 的光刻系統。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 因生產世界上唯一的極紫外 (EUV) 光刻機而聞名。
△華盛頓大學制造的 3D 打印鈦合金輪轂支架
? ? ? ?美國海軍也在轉向3D打印鈦合金，以節省時間和金錢并消除對外國供應鏈的依賴。美國海軍面臨交貨時間長和利用高成本和碳密集型鈦原材料的供應鏈的困擾。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鍵零件的交貨時間，提高設備可用性，并可持續地重新支持美國關鍵的鈦金屬供應鏈。
鈦材料
△鈦粉
? ? ? ?純鈦通常不用于工程應用，但在生物醫學市場中很常見，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械性能的金屬成分的受控混合物，廣泛用于需要實現特定零件性能的行業，長期以來一直為制造商提供鑄造用鈦的金屬材料供應商現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 打印機在擠出機溫度高于 205 °C 的情況下進行打印。經過后處理和燒結后，這些細絲可以生產出金屬含量超過 90% 的金屬部件，使其適合制作原型。
△大學金屬 3D 打印實驗室 華盛頓地球豐富材料部署與研究聯合中心用鈦制造零件
? ? ? ?總之，3D 打印鈦的未來發展充滿希望，將在眾多領域發揮更大的作用。通過持續的技術創新和應用拓展，3D 打印鈦將為社會帶來更多便捷、高效和優質的金屬部件。
?
原文始發于微信公眾號（美光三維科技）：鈦合金3D打印的應用領域與發展