راهنمای چاپ سه بعدی تیتانیوم

تیتانیوم یکی از متداول‌ترین فلزات مورد استفاده در تولید مواد افزودنی است و به طور گسترده در صنایع هوافضا، تعویض مفصل و ابزارهای جراحی، قاب‌های مسابقه و دوچرخه، الکترونیک و سایر محصولات با کارایی بالا استفاده می‌شود.
تیتانیوم و آلیاژهای مبتنی بر تیتانیوم استحکام مکانیکی بالا، نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت در برابر خوردگی بهتری نسبت به فولاد ضد زنگ دارند. این ماده می‌تواند موشک‌ها و هواپیماها را سبک‌تر کند و در مصرف سوخت صرفه‌جویی کند و ظرفیت بار را افزایش دهد. همچنین می تواند محصولات الکترونیکی مانند گوشی های هوشمند و عینک های واقعیت مجازی را سبک تر کند. همین امر در مورد ایمپلنت های پزشکی نیز صدق می کند. علاوه بر این، اگر ویژگی‌های ذاتی تیتانیوم را با قابلیت‌های منحصر به فرد پرینت سه بعدی ترکیب کنید، مزایای آن چند برابر می‌شود.
قطعات تیتانیومی پرینت سه بعدی: مفاصل لگن GE Additive، تیغه های فن Sciaky، نوک موشک Arcam Darker، اجزای شبکه تیتانیوم 3D Systems، استنت های تیتانیوم EOS، ایمپلنت های جراحی ستون فقرات Zenith Tecnica.
فناوری پرینت سه بعدی می تواند این فلز گران قیمت را با مصرف کمتر مواد خام و ضایعات کمتر کارآمدتر کند. به عنوان یک فناوری نمونه سازی سریع، چاپ سه بعدی فلزی معمولاً فقط از مقدار مواد مورد نیاز برای ساخت قطعه و ساختار پشتیبانی نسبتاً کمی استفاده می کند.
چاپ سه بعدی همچنین طراحی های پیچیده مانند کانال های داخلی، قطعات توخالی یا پر از شبکه را قادر می سازد تا وزن را کاهش دهند که با هیچ روش ساخت دیگری امکان پذیر نیست. از آنجایی که هیچ قالب یا ابزاری مورد نیاز نیست، فناوری پرینت سه بعدی تیتانیوم می تواند قطعات منحصر به فرد مانند ایمپلنت های خاص بیمار، نمونه های اولیه و ابزارهای تحقیقاتی را با هزینه مقرون به صرفه ایجاد کند.
تیتانیوم پرینت سه بعدی کاربردهای متعددی در تولید، مراقبت های بهداشتی، اکتشاف فضا و سایر زمینه ها دارد. بیایید نگاهی به این موضوع بیندازیم که چرا تیتانیوم برای تولید مواد افزودنی و کاربردهای فعلی آن بسیار مناسب است.
1. کاربرد آلیاژ تیتانیوم پرینت سه بعدی
پرینت سه بعدی می تواند قطعات تیتانیومی با دیواره های بسیار نازک و پیچیده ایجاد کند، به همین دلیل است که از آن برای ساخت قاب های ساعت استفاده می شود، مانند ساعت های Panerai و Holthinrichs در تصویر اینجا، که شایعه شده است که بخشی از Apple Watch Ultra است.
در سال 2023، سازنده گوشی های هوشمند Honor یک گوشی تاشو جدید Magic V2 را روانه بازار کرد که از پوشش لولای آلیاژ تیتانیوم پرینت سه بعدی استفاده می کند که سبک تر و 150 درصد قوی تر از نسخه قبلی آلیاژ آلومینیوم است. این شرکت ادعا می کند که این قطعه کوچک فلز تیتانیوم را می توان از طریق فناوری چاپ سه بعدی در ده ها هزار ورق فلز تیتانیوم چاپ کرد، که همچنین کلید تا شدن و باز شدن طولانی مدت و صاف محصول است.
ایمپلنت های پزشکی و دندانی

در صنعت پزشکی، ایمپلنت های تیتانیوم پرینت سه بعدی با موفقیت در مفاصل ستون فقرات، لگن، زانو و اندام به دلیل زیست سازگاری و خواص مکانیکی خوب خود فلز، همراه با توانایی پرینت سه بعدی برای سفارشی کردن ساختار متخلخل استفاده شده است (دستیابی به یکپارچگی استخوانی ) و سفارشی سازی انبوه، در نتیجه نتایج درمانی بهتری برای بیماران به ارمغان می آورد.
ایمپلنت های تیتانیوم پرینت سه بعدی در حال افزایش تایید و تقاضای نظارتی هستند. از آنجایی که بیشتر ایمپلنت های پزشکی برای گروه بزرگی از افراد با شرایط مشابه ساخته می شوند، برای همه مناسب نیستند. افراد مبتلا به بیماری های نادر اغلب حذف می شوند. اکنون با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی، امکان تولید ایمپلنت هایی که به طور خاص برای بیماران خاص طراحی شده اند، وجود دارد.
در سال 2023، یک جراح در بریتانیا چهار عمل جراحی مچ دست را در همان روز انجام داد و با استفاده از صفحات تیتانیومی پرینت سه بعدی مخصوص بیمار، ناهنجاری استخوان مچ را که قبلا شکسته بود، اصلاح کرد. دکتر آکشی مالهوترا، مشاور جراح ارتوپد و سرپرست بالینی جراحی دست و مچ در بیمارستان‌های دانشگاهی شمال میدلندز، گفت: «پس از تکمیل این فرآیند برنامه‌ریزی، صفحات سفارشی با استفاده از پودر تیتانیوم چاپ می‌شوند، سپس آزمایش می‌شوند، به بریتانیا ارسال می‌شوند. در بیمارستان شهرستان برای آماده شدن برای جراحی عقیم شد.
در سال 2022، پزشکان در بیمارستان مانیپال در هند با یک بیمار سرطانی مواجه شدند که تومور دنده‌هایش را از بین می‌برد، بنابراین آنها به تیتانیوم چاپ سه بعدی روی آوردند. به طور کلی، ایمپلنت‌هایی در این سطح برای بدن انسان بسیار سنگین هستند، اما از آنجایی که تیتانیوم سبک و قوی است، امکان پرینت سه بعدی جایگزین‌های مخصوص بیمار با وزن کمتر از ۲۵۰ گرم وجود دارد. به لطف موفقیت ایمپلنت پرینت سه بعدی، بیمار به طور کامل بهبود یافت و بدون تکیه بر دستگاه های خارجی برای کمک به تنفس به زندگی عادی خود بازگشت.
در آزمایشی از جراحی جایگزینی استخوان مچ پا با استفاده از استخوان‌های تیتانیومی تالاس با چاپ سه بعدی، بیماران نتایج مثبتی را گزارش کردند. جایگزینی استخوان به این معنی است که بیماران نیازی به تعویض کامل مچ پا ندارند. تالوس یک ویژگی آناتومیکی بسیار خاص بیمار است که نیاز به یک بخش سه بعدی منحصر به فرد دارد که بر اساس داده های سی تی اسکن بیمار طراحی شده است.
سازمان غذا و داروی ایالات متحده تعداد زیادی ایمپلنت تیتانیوم پرینت سه بعدی را در سال 2023 تایید کرده است که عمدتاً شامل ایمپلنت های ستون فقرات می شود.
اولین دستگاه تمام فلزی (تیتانیومی) پرینت سه بعدی آرتروپلاستی مچ پا مخصوص بیمار Restor3d در سال 2023 تایید خواهد شد.
سیستم همجوشی مفصل ساکروایلیاک تیتانیوم پرینت سه بعدی خلفی SurGenTec Tilink-P در سال 2023 تایید خواهد شد.
ایمپلنت پرینت سه بعدی FloSpine برای حمایت از ستون فقرات، سیستم ستون فقرات گردنی Tri-Largo، قرار است در سال 2023 تاییدیه FDA را دریافت کند.
سیستم فیوژن سه بعدی گردنی Eminent Spine (پیکربندی تیتانیوم پرینت سه بعدی) در سال 2023 تاییدیه FDA را دریافت خواهد کرد.
سیستم اسپیسر دهانه رحم تیتانیومی Blackhawk Ti 3 بعدی ChoiceSpine تاییدیه FDA را در سال 2023 دریافت خواهد کرد.
سیستم همجوشی مفصل ساکروایلیاک Corelink Siber Ti (مخلخل، سطح نانو، ایمپلنت تیتانیوم پرینت سه بعدی) در سال 2023 تاییدیه FDA را دریافت خواهد کرد.
دوچرخه
تیتانیوم پرینت سه بعدی تقریباً در دوچرخه های پرفورمنس امروزی رایج است، جایی که هر اونس وزن مهم است و استحکام بالا بسیار مهم است. تیتانیوم که در میل لنگ، اهرم‌های ترمز، ساقه‌ها، آویزهای چرخ‌دنده و حتی فریم‌های کامل استفاده می‌شود، ثابت کرده است که به اندازه آلومینیوم قوی و به سبک فیبر کربن بدون چالش‌های پایداری فیبر کربن است.
اخیراً، سازنده دوچرخه Carbon Wasp توضیح داد که چرا آلومینیوم و فیبر کربن را به نفع پرینت سه بعدی تیتانیوم کنار گذاشته تا جدیدترین بازوهای میل لنگ خود را ایجاد کند.
سازنده دوچرخه Angel Cycle Works، در مورد فول فریم‌ها صحبت می‌کند، می‌گوید که یک قاب تمام تیتانیوم را در یک جزء سبک وزن به‌صورت سه بعدی پرینت کرده است، که ثانیه‌های حیاتی را از زمان مسابقه کم می‌کند و هندسه‌های طراحی جدید را امکان‌پذیر می‌کند. سوپربایک جدید آن به نام Heaven 400 گرم سبک تر از نسخه قبلی است. یکی دیگر از قاب‌های آلیاژی تمام تیتانیوم که توسط Pilot در سال جاری عرضه شد Pilot Seiren نام دارد. قاب دوچرخه جاده به طور کامل از تیتانیوم (به سه قسمت تقسیم شده) پرینت سه بعدی شده است. این شرکت می گوید که پرینت سه بعدی تیتانیوم به آن اجازه می دهد دوچرخه را مطابق با ترجیحات سوارکار سفارشی کند و قاب آن نیازی به رنگ یا پوشش ندارد.
در صنعت هوافضا، در حال حاضر چندین قطعه نمونه‌سازی سریع مبتنی بر تیتانیوم برای استفاده تجاری و نظامی وجود دارد و بسیاری از نمونه‌های اولیه دیگر در مرحله صدور گواهی FAA هستند. پرینت سه بعدی تیتانیوم به دلیل «نسبت خرید به پرواز» پایین، یک اصطلاح هوافضا که به ارتباط بین وزن ماده اولیه و وزن قطعه چاپ شده اشاره دارد، ارزشمند است.
چندین سازنده قراردادی متخصص در بازارهای هوافضا، دفاعی و فضایی، مانند Primus Aerospace، StarHagen Aerospace و Zeda، روی چاپگرهای سه بعدی سرمایه گذاری کرده اند که قادر به تولید نمونه های اولیه قطعات تیتانیومی و قطعات نهایی هستند.

در سال 2023، GKN Aerospace اعلام کرد که قصد دارد یک سلول پرینت سه بعدی عظیم برای سازه های هواپیمای تیتانیومی پرینت سه بعدی به عنوان بخشی از مرکز فناوری جهانی جدید خود در تگزاس بسازد. این چاپگر که Cell 3 نام دارد می تواند قطعات تیتانیومی به طول پنج متر بسازد.
تولید
سازنده نیمه هادی ASML به دلایل کاملاً متفاوتی به پرینت سه بعدی تیتانیوم روی آورد. اکنون پیش‌فرم‌های سینی حامل تیتانیوم آن (که در تولید ویفر استفاده می‌شود) به جای جعلی، چاپ سه بعدی می‌شوند که 64 درصد مواد خام را ذخیره می‌کند. و سریعتر تحویل داده می شود. Norsk Titanium، یک شرکت تولید کننده افزودنی های فلزی با استفاده از پلت فرم رسوب دهی انرژی هدایت شده (DED)، در حال چاپ 80 کیلوگرم (حدود 176 پوند) پریفرم های نزدیک به شبکه (مورد استفاده در تولید ویفر نیمه هادی) با Ti64 است.
نورسک این پریفرم را با شریک هلندی Hittech Group توسعه داد و به گفته Norsk، از آن در سیستم های لیتوگرافی ASML استفاده می شود. ASML، همچنین مستقر در هلند، یکی از شرکت های مورد بحث در جهان در میان کمبود تراشه در چند سال گذشته بوده است. به طور خاص، ASML برای تولید تنها دستگاه لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) در جهان شناخته شده است.
حتی نیروی دریایی ایالات متحده استفاده از تیتانیوم پرینت سه بعدی را برای صرفه جویی در زمان و هزینه و حذف وابستگی به زنجیره های تامین خارجی آغاز کرده است. بدون توانایی‌های داخلی برای تولید ریخته‌گری‌های تیتانیوم بزرگ مورد نیاز برای پمپ‌های گریز از مرکز با کارایی بالا، نیروی دریایی از زمان‌های طولانی و زنجیره تامینی که از مواد خام تیتانیوم پرهزینه و کربن فشرده استفاده می‌کرد، رنج می‌برد. اما به زودی، با همکاری با شرکای داخلی جدید، شرکت IperionX برای تولید پودر تیتانیوم بازیافتی و شرکت پمپ کارور برای تولید نمونه‌سازی سریع، نیروی دریایی قادر خواهد بود چرخه تحویل قطعات کلیدی را به میزان قابل توجهی کوتاه کند، در دسترس بودن تجهیزات را بهبود بخشد و به‌طور پایدار بازیافت ساختمان‌های حیاتی آمریکا را انجام دهد. زنجیره تامین تیتانیوم