了解鈦金屬3D打印

魔猴君  知識(shí)堂   9天前

銅、沙子、鋁化物……我們已經(jīng)討論了3D打印中使用的許多材料。今天我們對(duì)鈦感興趣。它是一種過(guò)渡金屬，在自然界中從未發(fā)現(xiàn)其純凈狀態(tài)。為了提取它，需要通過(guò)復(fù)雜的過(guò)程使用金紅石(TiO2)和鈦鐵礦(FeTiO3)等礦物質(zhì)。

盡管該過(guò)程可以獲得純鈦，但其能源成本仍然很高。生產(chǎn)的金屬純度通常達(dá)到99.9%，通常與其他金屬形成合金以制造更高性能的合金。由于其特性，鈦已成為醫(yī)藥、航空航天和汽車等領(lǐng)域增材制造的首選材料。它的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是什么？我們可以使用哪些3D打印技術(shù)？

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鈦有什么特點(diǎn)？

鈦，以Ti為象征，原子序數(shù)為22，是一種因其實(shí)用和多功能特性而受到贊賞的材料。它以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、低毒性和高耐腐蝕性而著稱，使其適用于多種應(yīng)用。此外，它的強(qiáng)度接近鋼，但重量減輕了約40%，對(duì)于制造既輕又耐用的零件特別有用。鈦還耐鹽水、耐化學(xué)品和耐磨損，使其成為極端環(huán)境的理想材料。除了機(jī)械性能外，它還具有良好的熱性能，能夠承受高達(dá)600°C的高溫。相反，即使在非常冷的溫度下它也能保持穩(wěn)定。

這種材料很難加工，特別是因?yàn)樗膶?dǎo)熱率低。與數(shù)控機(jī)床一樣，加工時(shí)產(chǎn)生的熱量大部分被機(jī)床保留，這會(huì)導(dǎo)致快速磨損。此外，機(jī)械加工常常因材料去除而產(chǎn)生大量廢物。面對(duì)這些問題，許多公司正在轉(zhuǎn)向更有效的方法來(lái)生產(chǎn)鈦零件。因此，金屬3D打印似乎是一個(gè)有前途的解決方案。

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用于3D打印的不同鈦合金

如前所述，鈦通常在3D打印中用作合金，但由于其生物相容性，也可以提取純鈦用于特定應(yīng)用，例如醫(yī)療領(lǐng)域。在3D打印中，使用多種鈦合金，最常見的是Ti6Al-4V 5級(jí)(Ti64)，它是鈦、鋁和釩的混合物，因其耐熱性和耐腐蝕性而受到重視。其他合金包括適用于假肢和醫(yī)療植入物的Ti6Al-4V 23級(jí)合金，以及強(qiáng)度更高且抗氧化的鈦Beta 21S，用于骨科植入物和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)。Cp-Ti（純鈦）因其與人體的相容性也被用于醫(yī)療領(lǐng)域。最后，由鈦、鋁和鋯組成的TA15合金廣泛用于制造航空和發(fā)動(dòng)機(jī)中的耐高溫零件。

鈦合金由于其對(duì)復(fù)雜應(yīng)用的適應(yīng)性，在3D打印領(lǐng)域比純鈦更受青睞。盡管純鈦以其輕質(zhì)、耐腐蝕和生物相容性而聞名，但它也有一定的局限性，有時(shí)會(huì)降低其效率。事實(shí)上，它的韌性、硬度和抗疲勞性相對(duì)較低，這可能會(huì)給需要材料能夠承受高載荷和重復(fù)應(yīng)力的應(yīng)用帶來(lái)問題。

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使用哪些3D打印技術(shù)？

在3D打印中，鈦通常以金屬粉末或金屬絲的形式使用，具體取決于所選擇的技術(shù)。多種技術(shù)允許在鈦上進(jìn)行打印，為制造零件提供各種解決方案。最常見的一種是集中能量沉積（DED）。在此過(guò)程中，沉積粉末或絲狀的鈦，然后使用激光等能源將其熔化。另一種流行的方法是激光粉末床熔融(L-PBF)，也稱為DMLS或SLM。該技術(shù)使用激光逐層熔化金屬粉末顆粒，制造高精度鈦零件，例如由Ti6Al4V合金制成的零件。

電子束熔融（EBM）打印也用于打印鈦。它的工作原理與激光不同，在真空環(huán)境中使用電子束，特別適合制造需要高強(qiáng)度的鈦零件，例如航空領(lǐng)域使用的零件。最后，粉末粘合3D打?。ㄕ澈蟿﹪娚洌┦橇硪环N方法，其中鈦粉末在通過(guò)燒結(jié)過(guò)程固化之前與粘合劑粘合。

鈦3D打印雖然前景廣闊，但也帶來(lái)了一些值得一提的挑戰(zhàn)。首先，由于鈦合金的價(jià)格，生產(chǎn)成本較高，鈦合金比用于增材制造的其他材料更昂貴。這一成本也是由于打印工藝的復(fù)雜性以及零件的后處理需求造成的。此外，與其他金屬相比，可用于3D打印的鈦合金較少，這會(huì)使采購(gòu)變得復(fù)雜并增加成本。最后，打印后，鈦零件通常需要仔細(xì)的后處理，例如去除支撐、熱處理和拋光，以達(dá)到所需的質(zhì)量。這些額外的步驟不僅增加了生產(chǎn)時(shí)間，而且增加了成本。

鈦金屬3D打印有哪些應(yīng)用？

在航空航天領(lǐng)域，鈦3D打印技術(shù)已被用于制造關(guān)鍵部件，包括渦輪葉片、支架和結(jié)構(gòu)件。這種金屬因其輕質(zhì)、強(qiáng)度和耐極端溫度的獨(dú)特組合而備受推崇。在醫(yī)療領(lǐng)域，鈦由于其生物相容性和耐腐蝕性能而被長(zhǎng)期使用。從假肢到個(gè)性化植入物，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)提供更好的結(jié)果并減少手術(shù)時(shí)間，改變了醫(yī)療領(lǐng)域，Amnovis生產(chǎn)的植入物的例子就證明了這一點(diǎn)。

Amnovis生產(chǎn)的鈦植入物（圖片來(lái)源：Amnovis）

汽車行業(yè)也越來(lái)越多地采用鈦3D打印來(lái)減輕車輛重量并提高燃油效率。該技術(shù)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、排氣系統(tǒng)、懸架部件甚至底盤部件。最后，它還延伸到其他工業(yè)領(lǐng)域，例如工具、模板和緊固件。事實(shí)上，它使得生產(chǎn)適應(yīng)特定需求的復(fù)雜工具和結(jié)構(gòu)成為可能。

編譯整理：3dnatives