解密鈦3D打印（二）
魔猴君 知識堂 26天前
鈦是增材制造中最常用的金屬之一，廣泛應用于航空航天、關節置換和手術工具、賽車和自行車車架、電子產品和其他高性能產品。鈦因其高機械強度、高強度重量比和比不銹鋼更好的耐腐蝕性而備受推崇。
鈦金屬可減輕火箭和飛機的重量，從而節省燃料并提高有效載荷能力。它還可以減輕智能手機和VR眼鏡等電子產品的重量；醫療植入物也是如此。而且，當您將鈦金屬的固有品質與3D打印時的獨特功能結合起來時，優勢就會成倍增加。
3D打印鈦部件：GE Additive的髖關節、Sciaky的風扇葉片、Arcam Darker的火箭尖端、3D Systems的鈦晶格組件、EOS的鈦支架、Zenith Tecnica的手術脊柱植入物。
3D打印可以更高效地制造這種昂貴的金屬，減少原材料消耗和浪費。作為一種增材技術，金屬3D打印通常僅使用制造零件所需的材料量，以及相對較少的支撐結構材料量。
3D打印還可以實現復雜的設計，例如內部通道和空心或晶格填充部件以減輕重量。這些功能是任何其他制造方法都無法實現的，而且由于無需模具或工具，鈦3D打印可以以經濟高效的方式制造獨一無二的部件，例如針對特定患者的植入物、原型和研究工具。
3D打印鈦合金推動制造業、醫療保健、太空探索等領域發展的例子不勝枚舉。讓我們來看看鈦合金為何如此適合增材制造。
3D打印鈦合金的特性
Atherton Cycles生產的3D打印鈦合金輪轂（來源：Atherton）
當使用鈦進行3D打印時，鈦能保持其所有機械性能，甚至可能具有更多優點。
下文將介紹3D打印鈦合金的不同方法，但使用激光和電子束的方法會使鈦合金經受多面而復雜的熱處理循環，從而影響材料的機械性能。很難對這些過程得出結論，因為每臺基于激光的3D打印機都不同，材料也各不相同，而且需要微調的范圍也有很多。然而，最近在這個領域有很多研究，大多數研究都指出3D打印鈦合金部件具有出色的結構完整性。
例如，《材料》雜志2020年的一項研究比較了3D打印鈦合金牙種植體與鑄造部件。研究發現，與鑄造樣品相比，3D打印部件的機械性能、物理性能、耐腐蝕性和表面性能相當或更優越。
較新的研究得出結論，所使用的打印參數（例如激光束或電子束傳輸到原料的時間相關溫度曲線）對最終部件的機械性能有重大影響。《材料工程與性能雜志》上的這項2024年研究發現，改變激光功率和掃描速度決定了鈦部件的整體強度和硬度。制造的Ti-6Al-4V合金部件的耐腐蝕性隨著激光功率的增加而改善，但隨著掃描速度的增加而惡化。
金屬3D打印機制造商MELD Manufacturing于2021年發布的數據證實，其不使用激光或電子束的工藝可生產出符合ASTM和AMS對鍛造材料標準要求的鈦。
Zenith Tecnica是一家專門從事鈦合金3D打印的合同制造商，該公司生產的定制鈦合金部件（來源：Zenith Tecnica）
這些數據是通過美國國家制造科學中心(NCMS)、陸軍研究實驗室(ARL)和先進制造、材料和工藝(AMMP)計劃的程序生成的，使用Ti-6Al-4V(Ti64)材料（也稱為ASTM 5級）進行測試。數據表明，打印后的材料在所有軸上（包括打印層的Z方向）都超過了ASTM標準規定的屈服強度、極限拉伸強度和伸長率的最低要求。
了解鈦
鈦粉（來源：PyroGenesis Additive）
純鈦通常不用于工程應用，但在生物醫學市場中卻很常見，用于制造膝蓋和髖關節植入物等部件。鈦基合金（提供特定機械性能的金屬成分受控混合物）廣泛應用于需要實現非常特殊的部件性能的眾多行業。金屬材料供應商長期以來一直為制造商提供鑄造用鈦，現在他們提供專門為增材制造配制的鈦粉。
華盛頓大學地球豐富材料部署與研究中心的金屬3D打印實驗室使用鈦制造零件（來源：華盛頓大學）
用于增材制造的鈦合金
5級鈦合金6Al-4V是增材制造中最常用的鈦合金，是航空航天和汽車領域以及軍事應用的原型和功能部件的理想選擇。它也是制造具有復雜幾何形狀和精度的零件以及生產工具的極佳材料。
23級鈦6Al-4V是一種生物相容性合金，常用于醫療植入物和假體。
鈦合金Beta 21S的強度高于傳統鈦合金（例如Ti-6Al-4V），并且與傳統鈦合金（例如Ti-15V-3Cr）相比，具有出色的抗氧化性和抗蠕變性。21級鈦合金的氫吸收效率是所有鈦合金中最低的之一。它是骨科植入物和航空發動機應用的理想選擇。β鈦在正畸領域得到廣泛應用。
Cp-Ti（純鈦），1、2級，由于鈦與人體的生物相容性，在醫療領域有著廣泛的應用。
TA15是一種近α鈦合金，添加了鋁和鋯。TA15制成的部件具有高比強度、高承載能力和耐高溫性，可用作飛機和發動機制造中的重型部件。
編譯整理：ALL3DP
