了解鈦金屬3D打印

魔猴君  知識堂   35天前

銅、沙子、鋁化物……我們已經討論了3D打印中使用的許多材料。今天我們對鈦感興趣。它是一種過渡金屬，在自然界中從未發現其純凈狀態。為了提取它，需要通過復雜的過程使用金紅石(TiO2)和鈦鐵礦(FeTiO3)等礦物質。

盡管該過程可以獲得純鈦，但其能源成本仍然很高。生產的金屬純度通常達到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，鈦已成為醫藥、航空航天和汽車等領域增材制造的首選材料。它的優勢和特點是什么？我們可以使用哪些3D打印技術？

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鈦有什么特點？

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

這種材料很難加工，特別是因為它的導熱率低。與數控機床一樣，加工時產生的熱量大部分被機床保留，這會導致快速磨損。此外，機械加工常常因材料去除而產生大量廢物。面對這些問題，許多公司正在轉向更有效的方法來生產鈦零件。因此，金屬3D打印似乎是一個有前途的解決方案。

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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用，例如醫療領域。在3D打印中，使用多種鈦合金，最常見的是Ti6Al-4V 5級(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療植入物的Ti6Al-4V 23級合金，以及強度更高且抗氧化的鈦Beta 21S，用于骨科植入物和航空航天發動機。Cp-Ti（純鈦）因其與人體的相容性也被用于醫療領域。最后，由鈦、鋁和鋯組成的TA15合金廣泛用于制造航空和發動機中的耐高溫零件。

鈦合金由于其對復雜應用的適應性，在3D打印領域比純鈦更受青睞。盡管純鈦以其輕質、耐腐蝕和生物相容性而聞名，但它也有一定的局限性，有時會降低其效率。事實上，它的韌性、硬度和抗疲勞性相對較低，這可能會給需要材料能夠承受高載荷和重復應力的應用帶來問題。

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使用哪些3D打印技術？

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。多種技術允許在鈦上進行打印，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，在真空環境中使用電子束，特別適合制造需要高強度的鈦零件，例如航空領域使用的零件。最后，粉末粘合3D打?。ㄕ澈蟿﹪娚洌┦橇硪环N方法，其中鈦粉末在通過燒結過程固化之前與粘合劑粘合。

鈦3D打印雖然前景廣闊，但也帶來了一些值得一提的挑戰。首先，由于鈦合金的價格，生產成本較高，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，這會使采購變得復雜并增加成本。最后，打印后，鈦零件通常需要仔細的后處理，例如去除支撐、熱處理和拋光，以達到所需的質量。這些額外的步驟不僅增加了生產時間，而且增加了成本。

鈦金屬3D打印有哪些應用？

在航空航天領域，鈦3D打印技術已被用于制造關鍵部件，包括渦輪葉片、支架和結構件。這種金屬因其輕質、強度和耐極端溫度的獨特組合而備受推崇。在醫療領域，鈦由于其生物相容性和耐腐蝕性能而被長期使用。從假肢到個性化植入物，這項技術通過提供更好的結果并減少手術時間，改變了醫療領域，Amnovis生產的植入物的例子就證明了這一點。

Amnovis生產的鈦植入物（圖片來源：Amnovis）

汽車行業也越來越多地采用鈦3D打印來減輕車輛重量并提高燃油效率。該技術用于制造發動機部件、排氣系統、懸架部件甚至底盤部件。最后，它還延伸到其他工業領域，例如工具、模板和緊固件。事實上，它使得生產適應特定需求的復雜工具和結構成為可能。

編譯整理：3dnatives