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(shì)會(huì)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(guó)Orthofix Medical的3D打印鈦植入物Construx Mimi Ti Spacer System于2021年獲得美國(guó)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锵嗳菪院土己玫臋C(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(guó)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(huì)使用鈦粉打印定制板，然后進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)往英國(guó)并在縣醫(yī)院進(jìn)行消毒，準(zhǔn)備手術(shù)?！?/span>

Corelink的3D打印鈦螺釘具有促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)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(duì)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(guó)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(huì)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?！闭f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(jí)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?jiǎng)傂缘牡胤教砑硬牧?，以?yōu)化動(dòng)力傳輸?！?/span>

　　市場(chǎng)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(guó)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(huì)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?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(tái)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(guó)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(guó)防和太空市場(chǎng)的合約制造商已投資購(gòu)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?jiǎng)P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(zhǎng)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(tái)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(guó)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(duì)外國(guó)供應(yīng)鏈的依賴。美國(guó)海軍面臨交貨時(shí)間長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(zhǎng)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(jí)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(jí)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(jí)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(dòng)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(jí)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(dòng)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?！?/span>

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(dòng)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(chǎng)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(tái)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。

　　●冷融合

　　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(tái)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(shì)和它們之間的關(guān)系很困難，因?yàn)槊颗_(tái)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(guó)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(jí)，用于測(cè)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(zhǎng)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(huì)帶來更多便捷、高效和優(yōu)質(zhì)的金屬部件。