解密3D打印金屬鈦（一）
魔猴君 知識堂 74天前
本文魔猴網(wǎng)將和大家一起了解如今都有誰在用鈦金屬進(jìn)行3D打印？這些制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品種類繁多，從醫(yī)療設(shè)備和軍事裝備到高性能自行車和消費電子產(chǎn)品。他們的共同點是希望通過創(chuàng)新（通常是定制）的設(shè)計提供輕巧而堅固的產(chǎn)品。
最近，鈦3D打印領(lǐng)域最大的新聞是據(jù)報道蘋果最新款iWatch將采用該技術(shù)。根據(jù)金融服務(wù)分析師郭明池（Ming-Chi Kuo）從蘋果亞洲供應(yīng)鏈聯(lián)系人那里收集情報的未經(jīng)證實的報告，這家科技巨頭將從2024年下半年開始在其Apple Watch Series 10中采用由Bright Laser Technologies(BLT)生產(chǎn)的3D打印鈦部件。郭說，蘋果和BLT多年來一直在嘗試鈦3D打印，以簡化流程。
圖片1：Incus和Element22使用基于光刻的金屬制造技術(shù)(LMM)制作的智能手表外殼鈦金屬3D打印演示（來源：Incus）
一、醫(yī)療及牙科植入物
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隨著醫(yī)療制造商越來越多地采用增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，美國FDA批準(zhǔn)的鈦基3D打印手術(shù)植入物的數(shù)量持續(xù)增長。
在醫(yī)療行業(yè)，3D打印鈦植入物已成功應(yīng)用于脊柱、臀部、膝蓋和四肢，因為該金屬具有固有的生物相容性和良好的機(jī)械性能，并且結(jié)合3D打印能夠定制多孔結(jié)構(gòu)（實現(xiàn)骨骼整合）以及大規(guī)模定制以獲得更好的患者治療效果的能力。
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)療植入物都是為大量患有相同疾病的人制造的，因此它們并不適合所有人。患有罕見疾病的人往往被排除在外?，F(xiàn)在，有了3D打印，就可以生產(chǎn)專為個別患者設(shè)計的植入物。
紐約特殊外科醫(yī)院(HSS)今年早些時候報告稱，它正在通過3D打印定制鈦合金關(guān)節(jié)置換術(shù)，用于標(biāo)準(zhǔn)植入物無法發(fā)揮作用的極其復(fù)雜的病例。HSS是美國第一家擁有3D打印設(shè)施的醫(yī)院。
2023年，英國一名外科醫(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。北米德蘭茲大學(xué)醫(yī)院的骨科顧問兼手部和腕部外科臨床負(fù)責(zé)人Akshay Malhotra博士說：“完成這一規(guī)劃過程后，將使用鈦粉打印定制的鈦板，然后進(jìn)行測試，運往英國，并在郡醫(yī)院進(jìn)行消毒，以備手術(shù)?！?/span>
圖片3：CoreLink的3D打印鈦螺釘具有多孔結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)骨骼生長，右圖是FingerKit Consortium為患者提供的新型專用鈦指關(guān)節(jié)。
2022年，印度馬尼帕爾醫(yī)院的醫(yī)生們接診了一位癌癥患者，他的腫瘤正在摧毀他的胸腔，于是他們開始使用3D打印鈦合金。通常，這種規(guī)模的植入物對于人體來說太重了，但由于鈦合金重量輕且強(qiáng)度高，因此可以用3D打印技術(shù)為患者定制一個重量不到250克的替代品。得益于3D打印植入物的成功，患者完全康復(fù)，能夠恢復(fù)正常生活，無需依賴外部機(jī)器幫助呼吸。
在一項使用患者專用3D打印鈦質(zhì)距骨進(jìn)行踝骨置換手術(shù)的試驗中，患者報告了積極的結(jié)果。骨骼置換意味著患者不需要進(jìn)行完整的踝關(guān)節(jié)置換。距骨的解剖特征非常特定于患者，需要根據(jù)患者的CT掃描數(shù)據(jù)設(shè)計獨特的3D部件。
2023年，美國FDA批準(zhǔn)了多項3D打印鈦植入物，其中大部分是脊柱植入物。
Restor3d將于2023年獲得批準(zhǔn)，推出首個全金屬（鈦）3D打印踝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者專用器械。
SurGenTec將于2023年獲得其后部3D打印鈦骶髂關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)TiLink-P的批準(zhǔn)。
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頸椎椎間融合系統(tǒng)。
Eminent Spine將于2023年獲得FDA批準(zhǔn)其采用3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)的3D頸椎椎間融合系統(tǒng)。
ChoiceSpine將于2023年獲得FDA批準(zhǔn)其鈦質(zhì)Blackhawk Ti 3D打印頸椎間隔系統(tǒng)。
CoreLink將于2023年獲得FDA批準(zhǔn)，其Siber Ti骶髂關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)由多孔、納米表面、3D打印鈦植入物組成。
二、航天
圖片4：GKN Aerospace計劃在其德克薩斯州工廠增加一臺新型大型鈦3D打印機(jī)（來源：GKN Aerospace）
在航空航天工業(yè)中，目前有多種鈦基增材制造部件用于商業(yè)和軍事用途，還有許多其他原型正在申請FAA認(rèn)證。3D打印鈦因其低“購買飛行”比而備受推崇——這是一個航空航天術(shù)語，指的是初始材料重量與打印部件重量之間的相關(guān)性。
幾家專門從事航空航天、國防和太空市場的合同制造商，例如Primus Aerospace、StarHagen Aerospace和Zeda，都投資了能夠生產(chǎn)原型和最終零件的鈦合金部件的3D打印機(jī)。
圖片5：由于NASA只需要一個，因此3D打印冷操作月球可展開臂的鈦質(zhì)鏟斗比傳統(tǒng)制造更有意義（來源：NASA噴氣推進(jìn)實驗室）
二、自行車及消費品
圖片6
如今，3D打印鈦合金在高性能自行車中幾乎隨處可見，因為每一盎司的重量都至關(guān)重要，高強(qiáng)度至關(guān)重要。鈦合金用于曲柄、剎車手柄、把立、變速器吊架，甚至整個車架，事實證明，鈦合金的強(qiáng)度與鋁一樣高，重量與碳纖維一樣輕，而且不存在碳纖維的可持續(xù)性問題。
最近，自行車制造商Ribble推出了采用3D打印框架的Allroad Ti，該公司表示“這使我們能夠手工制作鈦管，其空氣動力學(xué)性能比典型鈦框架上的標(biāo)準(zhǔn)圓管先進(jìn)得多。”3D打印還使Ribble能夠消除焊縫、實現(xiàn)隱形電纜布線并整合零件。
總部位于紐約的No.22自行車公司多年來一直專注于鈦合金自行車的生產(chǎn)，該公司于8月推出了Reactor Aero，這款自行車集成了多個3D打印鈦合金部件，將于2025年正式上市。No.22聯(lián)合創(chuàng)始人Bryce Gracey在一份新聞稿中表示：“3D打印鈦合金具有非凡的結(jié)構(gòu)特性。能夠在車架的任何位置打印內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，讓我們能夠?qū)︱T行質(zhì)量進(jìn)行前所未有的控制。”
說到全車架，自行車制造商Angel Cycle Works用3D打印出輕質(zhì)的全鈦車架，該公司表示，這可以縮短比賽時間，并實現(xiàn)新的設(shè)計幾何形狀。該公司的新款超級自行車名為Heaven，比之前的版本輕400克。另一款全鈦車架來自Pilot，今年推出，名為Pilot Seiren。這款公路自行車的車架完全由鈦3D打印而成（分為三部分）。該公司表示，3D打印的鈦使其能夠根據(jù)騎手的喜好定制自行車，車架不需要任何油漆或涂層。
Carbon Wasp詳細(xì)說明了為何放棄鋁和碳纖維，轉(zhuǎn)而采用3D打印鈦合金來制造其最新的售后曲柄臂：“我們想出了各種創(chuàng)造性的方法，將曲柄夾在變速箱軸上，而無需擠壓碳纖維，但總是需要添加一些金屬嵌件……，但在將嵌件粘合到碳纖維上時卻遇到了無數(shù)問題?！苯?jīng)過一些原型設(shè)計后，Carbon Wasp發(fā)現(xiàn)3D打印的晶格填充鈦合金曲柄與碳纖維一樣輕，但在易受沖擊的區(qū)域卻更加堅固?！蔽覀?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)在研究其他鈦合金部件?！?/span>
圖片7：自行車公司Mythos為客戶提供一系列3D打印鈦合金部件，包括這些車把，而在Verve Cycling（右），他們有一個新的3D打印鈦合金曲柄。
Pilot的Tim Blankers告訴Road.cc自行車網(wǎng)站：“打印工藝有助于減小壁厚，從而打造出更輕、更堅固且沒有應(yīng)力點的車架。車架重量略高于一公斤。Pilot還可以在需要剛性的地方添加材料，以優(yōu)化動力傳輸?！?/span>
中國自行車制造商航輪表示，該公司將在2024年加大鈦3D打印的投入。該公司表示：“我們計劃利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)鈦自行車車架和零件，年產(chǎn)量超過50,000件。”這些零件將應(yīng)用于多種型號的自行車，旨在為客戶提供強(qiáng)度更高、更輕、更耐用的鈦自行車產(chǎn)品。
市場上有大量用于自行車的3D打印鈦合金部件：
Silca今年早些時候推出了其最新系列3D打印產(chǎn)品，其中包括一系列鈦質(zhì)變速器吊架。
Verve Cycling和Metron Additive Manufacturing推出了名為InfoCrank 3D Ti的3D打印鈦曲柄。
Moots為其新款Routt CRD碎石自行車推出了新型3D打印鈦合金叉腳和配件。
Cane Creek推出了新型鈦質(zhì)3D打印Electric Wings曲柄，其重量與碳纖維曲柄組一樣輕，但耐用性卻與鋁制曲柄組一樣，該公司表示。
圖片8：日本高爾夫品牌Designer的3D打印鈦高爾夫球桿（來源：Farsoon）
日本高爾夫品牌Designer今年早些時候推出了一款3D打印鈦質(zhì)高爾夫球桿，據(jù)稱可以為高爾夫球手提供更大的距離、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和更大的容錯性。鈦質(zhì)球桿頭采用Farsoon Technologies的雙激光粉末床融合3D打印機(jī)制造。
四、制造業(yè)
半導(dǎo)體制造商ASML出于完全不同的原因轉(zhuǎn)向3D打印鈦，現(xiàn)在其鈦載體托盤預(yù)制件（用于晶圓生產(chǎn)）采用3D打印而不是鍛造，這可節(jié)省64%的原材料并加快交付速度。金屬增材制造公司Norsk Titanium使用定向能量沉積(DED)平臺，用Ti64打印80公斤（約176磅）近凈形預(yù)制件-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)了這種預(yù)制件，據(jù)Norsk稱，這種預(yù)制件用于ASML的光刻系統(tǒng)。同樣位于荷蘭的ASML是過去幾年芯片短缺背景下全球最常被討論的公司之一。具體來說，ASML因生產(chǎn)世界上唯一的極紫外(EUV)光刻機(jī)而聞名。
圖片9：華盛頓大學(xué)制造的3D打印鈦合金輪轂支架（來源：華盛頓大學(xué)）
甚至美國海軍也開始使用3D打印鈦合金來節(jié)省時間和金錢，并消除對外國供應(yīng)鏈的依賴。由于國內(nèi)沒有能力制造高性能離心泵所需的大型鈦鑄件，海軍面臨著交貨時間長和供應(yīng)鏈利用高成本和碳密集型鈦原材料的困擾。但很快，隨著新的國內(nèi)合作伙伴IperionX回收鈦粉和Carver Pump增材制造的出現(xiàn)，海軍將能夠顯著縮短關(guān)鍵部件的交貨時間，提高設(shè)備可用性，并可持續(xù)地恢復(fù)美國關(guān)鍵鈦金屬供應(yīng)鏈。
五、精密產(chǎn)品、電子產(chǎn)品和珠寶
圖片10：2023年榮耀Magic V2折疊智能手機(jī)中使用的3D打印鈦合金鉸鏈移位蓋（來源：榮耀）
3D打印可以制造出壁非常薄、錯綜復(fù)雜的鈦金屬部件，這就是它被用于制造手表表殼的原因，例如沛納海和Holthinrichs手表（如上圖所示）。
2023年，智能手機(jī)制造商榮耀推出了新款折疊手機(jī)Magic V2，該手機(jī)采用3D打印鈦合金鉸鏈移位蓋，比之前的鋁制版本更輕，強(qiáng)度提高了150%。該公司表示，這塊可以進(jìn)行數(shù)萬次3D打印的小鈦合金是產(chǎn)品耐用且順暢折疊和展開的關(guān)鍵。
編譯整理：ALL3DP
