解密3D打印金屬鈦（一）
魔猴君 知識堂 26天前
本文魔猴網將和大家一起了解如今都有誰在用鈦金屬進行3D打印？這些制造商生產的產品種類繁多，從醫療設備和軍事裝備到高性能自行車和消費電子產品。他們的共同點是希望通過創新（通常是定制）的設計提供輕巧而堅固的產品。
最近，鈦3D打印領域最大的新聞是據報道蘋果最新款iWatch將采用該技術。根據金融服務分析師郭明池（Ming-Chi Kuo）從蘋果亞洲供應鏈聯系人那里收集情報的未經證實的報告，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(LMM)制作的智能手表外殼鈦金屬3D打印演示（來源：Incus）
一、醫療及牙科植入物
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隨著醫療制造商越來越多地采用增材制造技術進行生產，美國FDA批準的鈦基3D打印手術植入物的數量持續增長。
在醫療行業，3D打印鈦植入物已成功應用于脊柱、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械性能，并且結合3D打印能夠定制多孔結構（實現骨骼整合）以及大規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管部門的批準和需求。由于大多數醫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。現在，有了3D打印，就可以生產專為個別患者設計的植入物。
紐約特殊外科醫院(HSS)今年早些時候報告稱，它正在通過3D打印定制鈦合金關節置換術，用于標準植入物無法發揮作用的極其復雜的病例。HSS是美國第一家擁有3D打印設施的醫院。
2023年，英國一名外科醫生在同一天進行了四次腕部手術，使用患者專用的3D打印鈦板矯正先前骨折的腕骨畸形。北米德蘭茲大學醫院的骨科顧問兼手部和腕部外科臨床負責人Akshay Malhotra博士說：“完成這一規劃過程后，將使用鈦粉打印定制的鈦板，然后進行測試，運往英國，并在郡醫院進行消毒，以備手術。”
圖片3：CoreLink的3D打印鈦螺釘具有多孔結構，可以促進骨骼生長，右圖是FingerKit Consortium為患者提供的新型專用鈦指關節。
2022年，印度馬尼帕爾醫院的醫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度高，因此可以用3D打印技術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，能夠恢復正常生活，無需依賴外部機器幫助呼吸。
在一項使用患者專用3D打印鈦質距骨進行踝骨置換手術的試驗中，患者報告了積極的結果。骨骼置換意味著患者不需要進行完整的踝關節置換。距骨的解剖特征非常特定于患者，需要根據患者的CT掃描數據設計獨特的3D部件。
2023年，美國FDA批準了多項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，推出首個全金屬（鈦）3D打印踝關節置換術患者專用器械。
SurGenTec將于2023年獲得其后部3D打印鈦骶髂關節融合系統TiLink-P的批準。
FloSpin e將于2023年獲得FDA批準，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。
Eminent Spine將于2023年獲得FDA批準其采用3D打印鈦合金結構的3D頸椎椎間融合系統。
ChoiceSpine將于2023年獲得FDA批準其鈦質Blackhawk Ti 3D打印頸椎間隔系統。
CoreLink將于2023年獲得FDA批準，其Siber Ti骶髂關節融合系統由多孔、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（來源：GKN Aerospace）
在航空航天工業中，目前有多種鈦基增材制造部件用于商業和軍事用途，還有許多其他原型正在申請FAA認證。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語，指的是初始材料重量與打印部件重量之間的相關性。
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，都投資了能夠生產原型和最終零件的鈦合金部件的3D打印機。
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鏟斗比傳統制造更有意義（來源：NASA噴氣推進實驗室）
二、自行車及消費品
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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重要，高強度至關重要。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，其空氣動力學性能比典型鈦框架上的標準圓管先進得多。”3D打印還使Ribble能夠消除焊縫、實現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，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聯合創始人Bryce Gracey在一份新聞稿中表示：“3D打印鈦合金具有非凡的結構特性。能夠在車架的任何位置打印內部支撐結構，讓我們能夠對騎行質量進行前所未有的控制。”
說到全車架，自行車制造商Angel Cycle Works用3D打印出輕質的全鈦車架，該公司表示，這可以縮短比賽時間，并實現新的設計幾何形狀。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詳細說明了為何放棄鋁和碳纖維，轉而采用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問題。”經過一些原型設計后，Carbon Wasp發現3D打印的晶格填充鈦合金曲柄與碳纖維一樣輕，但在易受沖擊的區域卻更加堅固。”我們仍然認為碳纖維是許多其他用途的最佳材料，包括框架……但我們已經在研究其他鈦合金部件。”
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，以優化動力傳輸。”
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打印技術生產鈦自行車車架和零件，年產量超過50,000件。”這些零件將應用于多種型號的自行車，旨在為客戶提供強度更高、更輕、更耐用的鈦自行車產品。
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打印產品，其中包括一系列鈦質變速器吊架。
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打印鈦質高爾夫球桿，據稱可以為高爾夫球手提供更大的距離、準確性、穩定性和更大的容錯性。鈦質球桿頭采用Farsoon Technologies的雙激光粉末床融合3D打印機制造。
四、制造業
半導體制造商ASML出于完全不同的原因轉向3D打印鈦，現在其鈦載體托盤預制件（用于晶圓生產）采用3D打印而不是鍛造，這可節省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）近凈形預制件-用于半導體晶圓生產。
Norsk與荷蘭合作伙伴Hittech Group合作開發了這種預制件，據Norsk稱，這種預制件用于ASML的光刻系統。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因生產世界上唯一的極紫外(EUV)光刻機而聞名。
圖片9：華盛頓大學制造的3D打印鈦合金輪轂支架（來源：華盛頓大學）
甚至美國海軍也開始使用3D打印鈦合金來節省時間和金錢，并消除對外國供應鏈的依賴。由于國內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，隨著新的國內合作伙伴IperionX回收鈦粉和Carver Pump增材制造的出現，海軍將能夠顯著縮短關鍵部件的交貨時間，提高設備可用性，并可持續地恢復美國關鍵鈦金屬供應鏈。
五、精密產品、電子產品和珠寶
圖片10：2023年榮耀Magic V2折疊智能手機中使用的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，智能手機制造商榮耀推出了新款折疊手機Magic V2，該手機采用3D打印鈦合金鉸鏈移位蓋，比之前的鋁制版本更輕，強度提高了150%。該公司表示，這塊可以進行數萬次3D打印的小鈦合金是產品耐用且順暢折疊和展開的關鍵。
編譯整理：ALL3DP
