鈦3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   343天前

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。

鈦和鈦基合金具有高機(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。這種材料能使火箭和飛機(jī)更輕，從而節(jié)省燃料并提高有效載荷能力。它還能使智能手機(jī)和VR眼鏡等電子產(chǎn)品重量更輕。醫(yī)療植入物也是如此。此外，如果將鈦的固有品質(zhì)與3D打印的獨(dú)特功能結(jié)合起來，優(yōu)勢將成倍增加。

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打印技術(shù)能以更低的原材料消耗和更少的廢料，更高效地制造這種昂貴的金屬。作為一種快速成型技術(shù)，金屬3D打印通常只使用制造零件所需的材料量，以及相對較少的支撐結(jié)構(gòu)用量。

3D打印還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，如內(nèi)部通道、空心或格子填充部件以減輕重量，這是其他任何制造方法都無法實(shí)現(xiàn)的。由于不需要模具或工具，鈦合金3D打印技術(shù)可以制造出具有成本效益的獨(dú)一無二的部件，如病人專用植入物、原型和研究工具。

3D打印鈦在制造業(yè)、醫(yī)療保健、太空探索等領(lǐng)域的應(yīng)用不勝枚舉。讓我們來看看為什么鈦如此適合增材制造，以及它目前的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、3D打印鈦合金用途

精密產(chǎn)品和電子產(chǎn)品

3D打印可以制造出非常薄壁、錯(cuò)綜復(fù)雜的鈦金屬零件，這也是它被用于制造手表表殼的原因，如圖中的沛納海和Holthinrichs手表，據(jù)傳即將成為Apple Watch Ultra的一部分。

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（來源：榮耀）

2023年，智能手機(jī)制造商Honor推出了新款折疊手機(jī)Magic V2，采用了3D打印的鈦合金鉸鏈移蓋，比之前的鋁合金版本更輕，強(qiáng)度也提高了150%。該公司稱，這一小塊鈦金屬可以通過3D打印技術(shù)打印出數(shù)以萬計(jì)的鈦金屬片，這也是該產(chǎn)品能夠持久、順暢地折疊和展開的關(guān)鍵所在。

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)

（來源：Orthofix）

在醫(yī)療行業(yè)，3D打印鈦植入物成功應(yīng)用于脊柱、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和四肢，這是因?yàn)檫@種金屬本身具有生物兼容性和良好的機(jī)械性能，再加上3D打印能夠定制多孔結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)骨整合）和大規(guī)模定制，從而為患者帶來更好的治療效果。

3D打印鈦植入物正獲得越來越多的監(jiān)管批準(zhǔn)和需求。由于大多數(shù)醫(yī)療植入物都是為一大批患有相同病癥的人制造的，因此并不適合所有人?；加泻币娂膊〉娜送慌懦谕狻，F(xiàn)在，有了3D打印技術(shù)，就有可能生產(chǎn)出專為個(gè)別患者設(shè)計(jì)的植入體。

2023年，英國的一名外科醫(yī)生在同一天內(nèi)完成了四次手腕手術(shù)，用病人專用的3D打印鈦板矯正了先前斷裂的腕骨畸形。"北米德蘭茲大學(xué)醫(yī)院（University Hospitals of North Midlands）的骨科顧問外科醫(yī)生兼手部和腕部手術(shù)臨床負(fù)責(zé)人阿克謝-馬爾霍特拉博士說："一旦完成這一規(guī)劃過程，就會使用鈦粉打印出定制的鋼板，然后進(jìn)行測試，運(yùn)往英國，并在縣醫(yī)院進(jìn)行消毒，為手術(shù)做好準(zhǔn)備。

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)。

2022年，印度馬尼帕爾醫(yī)院（Manipal Hospitals）的醫(yī)生遇到了一位腫瘤正在摧毀其肋骨的癌癥患者，于是他們求助于3D打印鈦。一般來說，這種程度的植入物太重，人體難以承受，但由于鈦金屬重量輕、強(qiáng)度高，因此可以3D打印出重量不到250克的病人專用替代物。得益于3D打印植入物的成功，患者完全康復(fù)并恢復(fù)了正常生活，無需依賴外部機(jī)器幫助呼吸。

在一項(xiàng)使用為患者量身定制的3D打印鈦合金Talas骨進(jìn)行踝骨置換手術(shù)的試驗(yàn)中，患者報(bào)告了積極的結(jié)果。骨骼置換意味著患者無需進(jìn)行全踝關(guān)節(jié)置換。距骨是病人非常特殊的解剖特征，需要根據(jù)病人的CT掃描數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)獨(dú)特的3D部件。

美國食品和藥物管理局已于2023年批準(zhǔn)了大量3D打印鈦植入物，主要涉及脊柱植入物。

Restor3d的首款全金屬（鈦）3D打印踝關(guān)節(jié)成形術(shù)患者專用器械將于2023年獲得批準(zhǔn)。

SurGenTec公司的后路3D打印鈦骶髂關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)TiLink-P將于2023年獲得批準(zhǔn)。

FloSpine用于支撐脊柱的3D打印植入物Tri-Largo頸椎椎間架系統(tǒng)將于2023年獲得FDA批準(zhǔn)。

Eminent Spine公司的3D頸椎椎間融合系統(tǒng)（3D打印鈦配置）將于2023年獲得FDA批準(zhǔn)。

ChoiceSpine的鈦制Blackhawk Ti 3D打印頸椎墊片系統(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)

（來源：Angle Cycle Works）

3D打印鈦合金在當(dāng)今的高性能自行車中幾乎很常見，其中每一盎司的重量都很重要，并且高強(qiáng)度至關(guān)重要。鈦用于曲柄、剎車手柄、把立、撥鏈器吊架，甚至全車架，事實(shí)證明，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)性挑戰(zhàn)。

最近，自行車制造商Carbon Wasp詳細(xì)介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。

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）。該公司表示，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。

航天

吉?jiǎng)P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)

（來源：吉?jiǎng)P恩航空航天公司）

在航空航天業(yè)，目前有幾種基于鈦的快速成型部件已投入商業(yè)和軍事使用，還有許多其他原型正在通過美國聯(lián)邦航空局（FAA）的認(rèn)證。3D打印鈦因其較低的"買飛比"而備受推崇，"買飛比"是一個(gè)航空術(shù)語，指初始材料重量與打印部件重量之間的相關(guān)性。

一些專門從事航空、國防和航天市場的合同制造商，如Primus Aerospace、StarHagen Aerospace和Zeda，已經(jīng)投資了能夠生產(chǎn)鈦部件原型和最終部件的3D打印機(jī)。

2023年，吉?jiǎng)P恩宇航公司（GKN Aerospace）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，用于3D打印鈦飛機(jī)結(jié)構(gòu)。該打印機(jī)被稱為Cell 3，可以制造五米長的鈦金屬部件。

由于NASA只需要一個(gè)，因此3D打印冷操作月球可展開臂的鈦合金勺比傳統(tǒng)制造更有意義

（來源：NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）

制造業(yè)

出于完全不同的原因，半導(dǎo)體制造商ASML轉(zhuǎn)向了3D打印鈦，現(xiàn)在其鈦載體托盤預(yù)型件（用于晶圓生產(chǎn)）是3D打印的，而不是鍛造的，這樣可以節(jié)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積(DED)平臺的金屬增材制造公司，該公司正在用Ti64打印80公斤（約176磅）的近凈成形預(yù)型件（用于半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)）。

Norsk與荷蘭合作伙伴Hittech集團(tuán)合作開發(fā)了這種預(yù)型件，據(jù)Norsk稱，這種預(yù)型件用于ASML的光刻系統(tǒng)。同樣位于荷蘭的ASML公司，在過去幾年芯片短缺的背景下，一直是全球討論最多的公司之一。具體來說，ASML以生產(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（來源：華盛頓大學(xué)）

就連美國海軍也開始采用3D打印鈦，以節(jié)省時(shí)間和金錢，并消除對國外供應(yīng)鏈的依賴。由于國內(nèi)沒有能力制造高性能離心泵所需的大型鈦鑄件，海軍受到交貨時(shí)間長和供應(yīng)鏈利用高成本、碳密集型鈦原材料的困擾。但很快，通過與國內(nèi)新合作伙伴IperionX公司合作生產(chǎn)回收鈦粉，與Carver Pump公司合作進(jìn)行快速成型制造，海軍將有能力大幅縮短關(guān)鍵零部件的交付周期，提高設(shè)備可用性，并可持續(xù)地重新構(gòu)建美國關(guān)鍵的鈦金屬供應(yīng)鏈。

二、了解金屬鈦

鈦粉（來源：PyroGenesis Additive）

純鈦通常不用于工程應(yīng)用，但在生物醫(yī)學(xué)市場上卻常用于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)植入等部件。鈦基合金--可提供特定機(jī)械性能的金屬成分受控混合物--廣泛應(yīng)用于需要獲得非常特定零件性能的行業(yè)。長期以來，金屬材料供應(yīng)商一直向制造商提供用于鑄造的鈦，現(xiàn)在他們也開始提供專門為快速成型制造而配制的鈦粉。

用于增材制造的鈦

5級鈦6Al-4V是增材制造中最常用的鈦合金，是航空航天、汽車和軍事領(lǐng)域原型和功能部件的理想材料。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)工具的絕佳材料。

23級鈦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級鈦的強(qiáng)度高于Ti-6Al-4V等傳統(tǒng)鈦合金，抗氧化性和抗蠕變性也優(yōu)于Ti-15V-3Cr等傳統(tǒng)鈦合金。在所有鈦合金中，21級鈦的氫吸收效率最低。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。Beta鈦廣泛用于牙齒矯正。

1、2級Cp-Ti（純鈦）因其與人體的生物相容性而廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

TA15是一種含有鋁和鋯添加劑的近α鈦合金。TA15制成的部件具有高比強(qiáng)度、高承載能力和耐溫性能，因此可用于飛機(jī)和發(fā)動機(jī)制造中的重型部件。

三、如何3D打印鈦

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

（來源：Trumpf）

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)鈦合金AM部件都是采用粉末床技術(shù)制造的。"粉末床熔融技術(shù)用于生產(chǎn)航空和賽車用輕質(zhì)部件以及醫(yī)療植入物，而粘結(jié)劑噴射技術(shù)則通常用于用鈦生產(chǎn)較小的醫(yī)療器械"。

激光粉末床融合（來源：GE）

四、3D打印鈦的特性

Atherton Cycles的3D打印鈦合金凸耳（來源：Atherton）

在這兩種粉末床工藝中，最重要的問題是材料的微觀結(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輸給原料的隨時(shí)間變化的溫度曲線上。

3D打印使鈦金屬經(jīng)受多方面、復(fù)雜的熱加工循環(huán)，從而影響材料的機(jī)械性能。由于每臺打印機(jī)都不一樣，材料也各不相同，需要微調(diào)的范圍也很大，因此很難確定它們之間的趨勢和關(guān)系。最近在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，大多數(shù)研究都指出3D打印鈦部件具有卓越的結(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)，證實(shí)其工藝生產(chǎn)的鈦符合ASTM和AMS標(biāo)準(zhǔn)對打印鍛造材料的要求。

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

這些數(shù)據(jù)是通過與美國國家制造科學(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）計(jì)劃合作，使用Ti-6Al-4V(Ti64)材料（也稱為ASTM 5級）進(jìn)行測試而生成的。

這些數(shù)據(jù)表明，印刷后的材料在所有軸向（包括通過印刷層的Z方向）的屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和伸長率都超過了ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低要求。

隨著醫(yī)療制造商在其生產(chǎn)能力中越來越多地采用增材制造技術(shù)，美國FDA批準(zhǔn)的基于鈦的3D打印外科植入物的數(shù)量持續(xù)增長。

編譯整理：ALL3DP