钛是增材制造中最常用的金属之一，广泛应用于航空航天、关节置换和手术工具、赛车和自行车车架、电子产品和其他高性能产品。钛和钛基合金因其高机械强度、高强度重量比以及比不锈钢更好的耐腐蚀性而受到各行业的重视，使用这种材料能够使火箭和飞机更轻，从而节省燃料并增加有效载荷能力。它还可用于制造重量更轻的电子产品，例如智能手机和 VR 护目镜，在医疗植入物领域也是如此。而且，将钛的固有特性与3D打印的独特功能结合起来，优势会更加明显。那么，3D打印钛的具体用途有哪些？市面上常见的钛打印机有哪些？
△3D 打印钛部件
GE Additive 的髋关节、Sciaky 的风扇叶片、Arcam Darker 的火箭尖端、3D Systems 的钛晶格组件、EOS 的钛支架、Zenith Tecnica 的外科脊柱植入物
3D 打印可以更高效地制造钛金属，同时降低原材料的浪费。作为一种增材技术，金属3D打印通常仅使用构建零件所需的材料，以及相对少量的支撑结构材料。3D 打印还可以实现复杂的设计，例如内部通道以及中空或晶格填充部件以减轻重量，这是任何其他制造方法都无法实现的。由于没有模具或工具，钛3D打印可以制造出具有成本效益的独一无二的零件，例如患者专用植入物、原型和研究工具。3D打印钛推进制造、医疗保健、太空探索等领域的例子不胜枚举。
3D打印钛合金的用途
△2023 年Panerai发布了配备 3D 打印钛金属表壳的 Submersible S Brabus PAM01283，右图为Holthinrichs Deconstructed 推出了首款 3D 打印钛金属手表
钛3D打印已经广泛用于生产医疗设备、高性能自行车、豪华手表和消费电子产品等各种产品，希望通过创新的、通常是定制的设计提供轻质而坚固的产品。
● 精密产品和电子产品
3D 打印可以制造非常薄壁、复杂的钛金属部件，常常用于制造表壳，例如上图所示的Panerai和Holthinrichs手表，据说钛合金表壳也将成为 Apple Watch Ultra 即将推出的部件。
△2023款荣耀Magic V2折叠智能手机使用的3D打印钛合金铰链移位盖
2023 年，智能手机制造商荣耀推出了新款折叠Magic V2，采用 3D 打印钛铰链移位盖，比之前的铝制版本更轻，强度提高 150%。荣耀表示，这个可以3D打印数万个的小钛片是该产品耐用且平滑折叠和展开的关键。
● 医疗和牙科植入物
△美国 Orthofix Medical 的 3D 打印钛植入物 Construx Mimi Ti Spacer System 于 2021 年获得美国 FDA 批准
在医疗行业，3D 打印钛植入物在脊柱、髋部、膝盖和四肢应用中取得了成功，因为金属固有的生物相容性和良好的机械性能，再加上 3D 打印定制多孔结构的能力（从而实现骨整合）和大规模定制更好的患者治疗效果。3D打印钛植入物正在获得监管部门的批准和需求，由于大多数医疗植入物的制造目的是为了覆盖大量具有相同状况的人群，因此它们并不适合所有人，患有罕见疾病的人常常被排除在外。现在，通过 3D 打印，可以生产专门为个别患者设计的植入物。
2023 年，英国的一位外科医生在同一天进行了四次腕部手术，使用患者专用的3D 打印钛板矫正先前骨折的腕骨畸形。整形外科医生顾问兼手部和腕部临床负责人 Akshay Malhotra 博士说：“一旦完成这个规划过程，就会使用钛粉打印定制板，然后进行测试，运往英国并在县医院进行消毒，准备手术。”
△CoreLink 的 3D 打印钛螺钉具有促进骨骼生长的多孔结构，以及 FingerKit Consortium 的新型患者专用钛手指关节
印度马尼帕尔医院的医生在2022年接诊一位肿瘤正在摧毁胸腔的癌症患者时，使用了3D打印钛金属。一般来说，这种大小的植入物对于人体来说太重而无法承受，但由于钛的重量轻且高由于强度高，重量小于 250 克，非常适合打印体内植入物。由于3D打印植入物的成功，患者完全康复并能够恢复正常生活，无需依赖外部机器帮助呼吸。
在使用患者专用 3D 打印钛距骨进行踝骨置换手术的一系列试验中，都得到了积极的结果，骨置换意味着患者不需要进行完整的踝关节置换，距骨是患者特定的解剖特征，需要根据患者的 CT 扫描数据独特设计 3D 部件。
美国 FDA 已于 2023 年批准了 3D 打印钛植入物，主要涵盖脊柱植入物。
■Restor3d将于 2023 年获得批准，生产首款用于踝关节置换术的全金属（钛） 3D 打印患者专用器械。
■SurGenTec的后路3D 打印钛合金骶髂关节融合系统 TiLink-P将于 2023 年获得许可。
■FloSpin e 将于 2023 年获得 FDA 批准，用于支撑脊柱的 3D 打印植入物，称为 Tri-Largo 颈椎间笼系统。
■Eminent Spine的3D 打印钛配置 3D颈椎椎间融合系统将于 2023 年获得 FDA 批准。
■ChoiceSpine的 Blackhawk Ti 3D 打印钛制宫颈垫片系统将于 2023 年获得 FDA 批准。
■CoreLink的 Siber Ti 骶髂关节融合系统（多孔、纳米表面、3D 打印钛植入物）将于 2023 年获得 FDA 批准。
● 自行车
△通过钛 3D 打印，Angel Cycle Works 能够大幅减轻新 Heaven 自行车的重量并优化设计
3D 打印钛合金在当今的高性能自行车中很常见。钛用于曲柄、刹车手柄、把立、拨链器吊架，甚至全车架。钛与铝一样坚固，与碳纤维一样轻，而且没有碳纤维的可持续性的问题。自行车制造商Carbon Wasp绍了其为何放弃铝和碳纤维，转而使用 3D 打印钛来制造其最新售后曲柄臂。Carbon Wasp 表示：“我们想出了各种创造性的方法，将曲柄夹在变速箱轴上，而不挤压碳纤维，但总是需要一些金属嵌件，但将嵌件粘合到碳纤维上会遇到了无穷无尽的问题。经过一些原型设计后，Carbon Wasp 发现 3D 打印的晶格填充钛曲柄与碳一样轻，但在非常容易受到冲击的区域更坚固。我们仍然认为碳纤维是许多其他用途的最佳材料，包括框架，但我们已经在研究其他钛零件。”
说到全车架，自行车制造商Angel Cycle Works表示，它在一个轻质部件中 3D 打印了全钛合金车架，这在比赛时间中占据了关键的几秒，并实现了新的设计几何形状。其新型超级摩托车名为 Heaven，比之前的版本轻 400 克。Pilot今年推出的另一款全钛合金车架名为Pilot Seiren。这款公路自行车的车架完全由钛合金 3D 打印而成（分为三个部分）。公司表示，3D 打印钛合金使其能够根据骑手的喜好定制自行车，并且车架不需要任何油漆或涂层。
△自行车公司 Mythos 为客户提供一系列 3D 打印钛零件，包括这些车把，而 Verve Cycling（右）则提供了新的 3D 打印钛曲柄。
Pilot 的 Tim Blankers 表示：“打印工艺能够生产更薄的壁厚，从而使车架更轻、更坚固，且没有应力点。框架重量略高于一公斤。Pilot 还可以在需要刚性的地方添加材料，以优化动力传输。”
● 航天
△吉凯恩航空航天公司 (GKN Aerospace) 计划在其德克萨斯州工厂添加一台新型大型钛金属 3D 打印机
在航空航天工业中，一些钛基增材制造零件目前已用于商业和军事用途，还有许多其他原型正在获得美国联邦航空管理局的认证。Primus Aerospace、StarHagen Aerospace 和 Zeda 等几家专注于航空航天、国防和太空市场的合约制造商已投资购买能够生产原型和最终零件钛部件的 3D 打印机。
2023 年，吉凯恩航空航天公司宣布计划建造一个巨大的 3D 打印单元，作为其位于德克萨斯州的新全球技术中心的一部分，该中心将 3D 打印钛飞机结构。该打印机名为Cell 3，可以打印五米长的钛合金部件。
△由于NASA只需要一个，因此3D打印月球可展开臂的钛合金部件比传统制造更有意义
● 制造业
半导体制造商 ASML 现在采用 3D 打印而不是锻造的钛承载托盘预制件（用于晶圆生产），节省了 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积 (DED) 平台的金属增材制造公司，Norsk 正在用 Ti64 打印 80 公斤（约 176 磅）的近净形状预成型件，用于半导体晶圆生产。
Norsk 与荷兰合作伙伴 Hittech Group 合作开发了预制件，据 Norsk 称，该预制件用于 ASML 的光刻系统。同样总部位于荷兰的 ASML 一直是过去几年在芯片短缺的背景下全球最常被讨论的公司之一。ASML 因生产世界上唯一的极紫外 (EUV) 光刻机而闻名。
△华盛顿大学制造的 3D 打印钛合金轮毂支架
美国海军也在转向3D打印钛合金，以节省时间和金钱并消除对外国供应链的依赖。美国海军面临交货时间长和利用高成本和碳密集型钛原材料的供应链的困扰。但很快，随着新的合作伙伴 IperionX 回收钛粉和 Carver Pump 增材制造，美国海军将有能力显着缩短关键零件的交货时间，提高设备可用性，并可持续地重新支持美国关键的钛金属供应链。
钛材料
△钛粉
纯钛通常不用于工程应用，但在生物医学市场中很常见，用于膝盖和髋部植入物等零件。钛基合金是能够提供特定机械性能的金属成分的受控混合物，广泛用于需要实现特定零件性能的行业，长期以来一直为制造商提供铸造用钛的金属材料供应商现在提供专为增材制造而配制的钛粉末。
Virtual Foundry等几家公司可提供用于基于挤出机的熔融沉积建模 (FDM) 的钛丝。这种材料含有嵌入 PLA 中的金属粉末，可以使用 FDM 打印机在挤出机温度高于 205 °C 的情况下进行打印。经过后处理和烧结后，这些细丝可以生产出金属含量超过 90% 的金属部件，使其适合制作原型。
△大学金属 3D 打印实验室 华盛顿地球丰富材料部署与研究联合中心用钛制造零件
总之，3D 打印钛的未来发展充满希望，将在众多领域发挥更大的作用。通过持续的技术创新和应用拓展，3D 打印钛将为社会带来更多便捷、高效和优质的金属部件。
原文始发于微信公众号（美光三维科技）：钛合金3D打印的应用领域与发展