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
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 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
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)專門為個別患者設(shè)計的植入物。
●自行車
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。
●航天
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)。
●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)。
鈦材料
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。
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。
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）。●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。
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