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，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)計提供輕質(zhì)而堅固的產(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，這個可以3D打印數(shù)萬個的小鈦片是該產(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)專門為個別患者設(shè)計的植入物。

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，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 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

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，它在一個輕質(zhì)部件中 3D 打印了全鈦合金車架，這在比賽時間中占據(jù)了關(guān)鍵的幾秒，并實(shí)現(xiàn)了新的設(shè)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(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、更堅固，且沒有應(yīng)力點(diǎn)。框架重量略高于一公斤。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(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，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。
■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